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摘要：本文介绍了高海拔地区气象条件的主要特征；分析了高海拔地区对中压开关设备运行的影响；提出了适用于高海拔地区使用的中压真空开关设备的设计思路，保证高海拔地区电力系统安全、稳定、长期运行，对我国西部地区经济的快速发展提供保障。
关键词：中压真空开关；高海拔地区；气象条件；电气性能
0 引言
海拔高度在1000m以上的地区统称为高海拔地区。据测算，我国1000m以上高海拔地区面积占全国总面积65％，高海拔地区具有较恶劣的自然气候条件，其特征为：
a）空气压力和空气密度较低；b）空气温度较低，温度变化较大；c）绝对空气湿度小；d）太阳辐射较强；e）降水量较少；f）年大风日多，沙尘较多；g）土壤温度较低，且冻结期长。
其恶劣的气候条件，对开关设备的运行构成了严峻的考验。
1 高原气候条件对电器设备性能的影响
1.1气候条件对电器设备性能的影响
1.1.1对外绝缘及电气间隙的影响
空气压力及空气密度的降低，引起了外绝缘强度的降低及电气间隙不足。空气的介质绝缘强度是随着气压的提高而增加，在空气稀薄或真空状态下又随着真空度的提高而提高。在海拔至5000m范围内，每升高1000m，即平均气压每降低7.7～10.5kPa，外绝缘强度降低8％～13％。
1.1.2对电晕及放电电压的影响
空气压力降低使高压电器设备局部放电电压降低，电晕起始电压降低，电晕腐蚀严重。
1.1.3对开关电器灭弧性能的影响
空气压力或空气密度降低，使以空气介质灭弧的开关电器灭弧性能降低，通断能力下降和电寿命缩短。交、直流电弧的燃弧时间随气压的下降而延长，当海拔2000m～3000m时燃弧时间约延长10％，海拔4000m以上时可能灭弧时间不合格或分不断，交流电弧燃弧时间由于电流过零熄灭而影响小一些，但电压击穿强度降低，可能灭弧时间不合格或分不断。
1.1.4对温升的影响
空气压力或空气密度降低引起空气冷却效果变差，温升增加。昆明电器科学研究所验证：在海拔5000m以内，每升高1000m温升增加3％。
1.1.5对机械结构和密封性能的影响
空气压力与空气密度的降低会引起低密度、低浓度、多空性材料（电工绝缘材料、隔热材料）的物理化学性能发生变化，塑料制品中的增塑剂挥发加速，冷却剂和润滑剂蒸发加速，气体及液体泄漏率增加，密封容器膨胀及变形。
1.2空气温度降低及温度变化的影响
空气温度最高值及平均值随海拔高度的增加而降低，电工绝缘材料的热老化寿命取决于平均空气温度，高原环境空气温度降低可以部分或全部补偿因气压降低而引起的电器设备温升的增加（高发热元件除外），环境空气温度补偿值为0.5k/100m。高原气温变化大，使产品密封结构容易破裂，外壳易变形。温度降低将使线圈电阻减小，动作安匝数增加，机械冲击增加。
1.3空气绝对湿度减小的影响
空气湿度对击穿电压的影响试验结果差异颇大，缘于湿度对放电电压影响的机理未完全了解。一般讲它与电极形状、表面状况、间隙距离、温度、湿度、气压等参数相关。昆明电器科学研究所验证结果：绝对湿度随海拔升高而降低，绝对湿度降低时外绝缘强度也降低。
1.4太阳辐射的影响
海拔5000m时太阳辐射照度为低海拔时的1.25倍，热辐射引起户外设备表面温升增加，降低有机绝缘材料的性能，使材料变形，产生热应力。紫外线辐射照度随海拔的升高而大大增加，会引起有机绝缘材料老化加速，空气容易电离，电晕起始电压降低，导致外绝缘强度降低。
2高海拔地区对中压电气设备性能的影响分析
一般说来，中压电器设备的正常可靠运行的重要表现在于工况条件下，带电部分与大地之间的间隙（空气或复合绝缘间隙）不能被击穿。
2.1绝缘间隙的击穿过程
大量的实验室数据表明，当δ•S>2.6mm时（δ：气体相对密度；S：极间距离），极间间隙的击穿过程可以用流注理论来加以解释：
由于电场分布的不均匀性，在外加电压还较低时，尖极处的电场强度较高，已可能超过临界值，尖极处即有可能出现自持性放电；随着外加电压的不断升高，尖极处的起始电子在极间间隙电场作用下运动，并不断引起碰撞游离，产生电子初崩，初崩随着电压的升高而不断发展；崩头积聚大量空间电荷，导致间隙发生强烈的电场畸变，形成主崩；同时由于大量正、负离子的复合，造成光游离并发展成为衍生电子崩；各衍生电子崩与主电子崩汇合发展形成流注；当流注通道发展到接近另一极时，随着间隙距离的减小，通道端部与另一极间的场强急剧升高并发生更强烈的游离，使通道温度升高到几千摄氏度，并发展成为热游离；于是，放电由流注过渡到火花或电弧，从而完成间隙的击穿。
2.2 高原气象条件下绝缘间隙的击穿过程
间隙的击穿电压还与气象条件（气压、密度、湿度、温度及污秽程度等）密切相关。通常情况下，间隙的击穿电压随着空气压力、密度、湿度的降低而降低。其物理过程简要分析如下：
随着空气压力降低，密度随之降低，空气中自由电子的平均自由行程增大，造成撞击游离的机率增大；而随着湿度的降低，空气中水分子较少，不易俘获自由电子以形成负离子，故使自由电子的数量增多，有利于游离的发展，从而为流注的发展提供有利条件。
2.3太阳辐射及凝露的影响
在高海拨地区，太阳日间辐射强度较大，使电器设备的外绝缘易发生老化。而昼夜温差通常也较大。在湿度较大的地区（湿度 >40％）如遇骤热骤冷，极易在电器设备表面附着许多小水珠，形成凝露。凝露一旦在介质表面形成，将提高发生沿面闪络放电的几率。同时，就目前而言，高海拔地区大多为经济不发达地区。但随着国家西部大开发进程的加快，许多的化工厂、钢厂、水泥厂、电厂等将逐渐建立起来。这样，在经济中心城市，又存在着大气的污秽程度较高对中压电器设备电气性能的影响问题。大量的厂矿、企业附近空气中的尘污中含有高导电率的溶质，由于空气的作用将逐渐附着在电器设备绝缘介质的表面。如与前述的凝露现象联合作用时，将使沿面闪络放电的几率大为增加，从而造成电器设备的闪络跳闸。长期的运行经验指出，污闪最为严重的大气条件是雾、露、雪和毛毛雨。
3 高原型中压真空开关设备的技术要求及设计要点
经过前面高海拔地区对中压电器设备性能的影响分析，以及多年来设计、生产中压开关设备的经验，现对高原型中压真空开关设备的技术要求及设计要点总结如下：
3.1绝缘方面
中压真空开关设备的灭弧触头系统处于高真空的密封腔内，不受外界环境条件的影响，故只考虑外绝缘即可。
GB/T 11022-2011的表1给出了额定电压3.6kV～252kV开关设备的额定绝缘水平，适用于海拔高度低于1000m、温度20℃、压力101.3kPa和湿度11g/m3的条件。
对于安装在海拔高于1000m的开关设备，其外绝缘在使用地点的绝缘耐受水平应为额定绝缘水平乘以海拔修正系数 ，其计算公式如下：
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注：上表中各值为海拔高度≤1000m处的绝缘耐压试验值。
为满足表1，在高原型开关设备应考虑以下设计要点。
3.1.1增大绝缘间隙
根据流注理论，间隙击穿除与空气的相对密度有关外，与间隙的距离也是密切相关。因此DL/T 404-2007（3.6～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备）5.106对最小空气间隙提出了明确要求。
对于高原型中压开关设备的最小空气间隙可按下式计算：
不同海拔高度的最小空气间隙= •标准最小空气间隙
故对于不同海拔高度的户内中压真空开关设备的最小爬电距离见表3。
表3（不同海拔高度时户内开关设备的最小爬电距离）mm
3.1.3增大裸导体至有机绝缘板的距离
由于绝缘间隙的增大，使得高原型中压开关设备的体积增大，占地面积增大，增大了建设成本。为降低建设成本，通常要求高原型中压开关设备的体积尽可能的小，为此在包裹导体使用的有机绝缘筒外，还通常使用有机绝缘板，以减小相间或带电体至金属隔板的距离。对于高原型中压开关设备带电体与绝缘板之间的最小空气间隙见表2。
3.1.4有机绝缘材料的选用
常用的有机绝缘材料主要有环氧树脂、SMC、DMC和硅橡胶等，SMC和DMC的主要区别主要为玻璃纤维长度不同，SMC的玻璃纤维长度为25～50mm，而DMC的玻璃纤维长度为3～13mm。环氧树脂、SMC和DMC除了具备优良的电气性能外，还具有较高的机械强度，可以制作结构复杂的传动件（如绝缘连杆）、支座（如绝缘子、绝缘筒）等使用。环氧树脂主要采用APG（自动压力凝胶）工艺成型，生产效率高；SMC和DMC主要采用模压成型工艺，生产效率相对较低，但较环氧树脂构件机械强度高、韧性好。
环氧树脂材料中有醚键存在，使得树脂分子在户外紫外线的照射下很容易发生降解断链、粉化现象，故不太适合户外直接使用，可将其作为基体起到绝缘和支撑的作用（基体也可采用SMC或DMC），在其外部浇注硅橡胶来承受外部环境。目前使用基于二甲基硅氧烷的硅橡胶得到广泛应用，通常还要使用抗电蚀剂、紫外稳定剂、抗氧化剂等添加剂，以满足户外环境条件下具有优良的电气性能。通常硅橡胶用来制作伞套，其优良的憎水性使得在大雨的环境下同样具有优良的电气性能。
3.2辅助防护措施
由于高海拔地区特殊的气象条件，在容易产生凝露的地区，除采取上述措施外，中压开关设备设计中最常用的辅助防护措施，采用凝露控制器与加热元件相结合的办法以降低凝露发生的几率。凝露控制器可根据需求配置若干凝露传感器，以实时监测被测空间的湿度，一旦湿度达到预设值有产生凝露的可能，凝露控制器便使其对应的加热元件（如梳状加热器）开始加热升温，对被测空间进行除湿、驱潮处理；当被测空间的湿度低于预设值时，凝露控制器自动断开加热元件。如此循环，由此来降低凝露发生的几率。实践证明，凝露控制器在高海拔地区有着很好的运行记录和使用前景。
3.3温升技术要求
GB 763-90中有明确规定：“当电器设备使用在海拔超过1000m（但不超过4000m）且最高周围空气温度为+40℃时，制造厂应按本标准第3.2条表2规定的允许温升每超过100m（以海拔1000m为起点）降低0.3%。”。GB/T 11022-2011中规定高压开关各部件、绝缘材料在空气中允许温升范围：零部件为30k-75k，Y级至H级绝缘材料允许温升50k-140k。可以计算出不同海拔高度时温升降低值，以及根据GB/T 14597-2010中表1计算出其最高温度降低值，综合列于表4。
表4（不同海拔高度时最高温度降低值）
可以看出，随着海拔高度的升高其最高温度降低值足够补偿海拔对温升的影响，因此温升可不必修正，其额定电流值可以保持不变。
3.4用于控制回路的低压电器的技术要求
对于低压电器设备在高海拔地区的使用要好很多，主要考虑下面的三个方面：
3.4.1 绝缘
普通型低压电器产品在海拔2500m时仍有60%的绝缘裕度，且通过对国产常用继电器和转换开关等的试验表明，在海拔4000m及以下地区，均可在其额定电压下正常运行。
3.4.2 温升
现有一般低压电器产品，使用于高海拔地区时其动、静触头和导电体以及线圈等部分的温度随海拔高度的增加而递增。海拔高度每升高100m，其温升增加0.1-0.5K，大多数产品均小于0.4K。结合表4可以看出，其温升可不必修正，额定电流值可以保持不变。
3.4.3动作特性
海拔升高时，双金属片热继电器的动作特性有少许变化，但在海拔4000m及以下时，均在其技术条件规定的特性曲线范围内。而国产常用热继电器的动作稳定性较好，其动作时间随海拔升高有显著缩短，根据不同的型号，分别为正常动作时间的40%-73%。也可在现场调节电流整定值，使其动作特性满足要求。
4 结语
高原地区由于其相对恶劣的气候条件，对电气设备的性能、绝缘强度有特殊的要求。对于海拔高度低于4000m的中压真空开关设备，主要措施为加大绝缘间隙和绝缘件的沿面爬电距离；对于海拔高度高于4000m的中压真空开关设备，主要考虑选择高一个等级的产品，如可以采用24kV的开关设备代替12kV的开关设备，或采用气体绝缘开关设备（GIS），但采用GIS时应注意加强气室的强度以补偿内外压差的增大致使气箱变形而漏气，以及二次控制部分的低压器件要满足海拔4000m及以上的要求。
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