高原环境下的低压电器如何选择

高原环境下的低压电器如何选择
摘要：本文通过高原环境对低压电器产品影响因素的分析及适应性研究，提出了高原环境下使用低压电器产品应采取的对应措施：
关键词：低压电器；高原环境；适应研究；影响分析
随着科学的进步，各种施工设备的自动化程度越来越高，对电器的性能要求也日益提高。

高原空气密度低、含氧量少、昼夜温差大，以及气温、气压和空气密度等大气参数随海拔升高而递减，对所使用的低压电器设备有着不可低估的影响。

1 高原环境对低压电器产品的主要影响
高原环境对低压电器产品的影响主要体现在温升、绝缘性能、接通能力和分断能力、对产品动作性能的影响、电寿命、对PLC的干扰。

1．1 温升
海拔升高，空气密度降低，散热的对流作用减弱，对于以空气为冷却介质的电器其温升就会随之升高，额定容量下降，影响电器使用寿命。

海拔每升高lOOm，电器温升增加0．1～0．5 (一般在0．4 以下1；而气温随海拔高度的升高而降低，直减率为海拔每升高lOOm气温约降低0．6 ，可以部分补偿由海拔升高对电器温升的影响。

1．2 绝缘性能
海拔升高，空气密度降低，空气的介电强度也相应下降，使空气间隔的放电电压明显降低，导致电器的外部绝缘强度降低，外绝表面及不同电位的带电间隙比较容易击穿，特别是对电气间隙和爬电距离的影响较大。

通常，电器间隙以电器承受所要求的冲击耐受电压来确定，而爬电距离以作用在跨接爬电距离两端的长期电压有效值来确定。

1．3 接通能力和分断能力
空气压力和空气密度的降低，会对空气介质灭弧的开关电器灭弧性能造成影响。

这种影响来自两个方而，一方面会造成开关电器灭弧时间延长，触头烧损严重，从而使得接通和通断能力降低；另一方面有利于开关电器灭弧。

1．4 对产品动作性能的影响
由于高原地区散热的对流作用减弱，且最低气温较低，日温差较大，会给一些低压电器产品的动作特性带来一定影响，如热磁式低压断路器的动作特性、热继电器的动作特性均会发生一定变化。

1．5 电寿命
由于受高海拔地区极端最低气温过低及电器产品温升和灭弧时间的综合影响，高原环境会对低压电器产品的电寿命产生一定影响。

1．6 对PLC的影响
高海拔地区灰尘、风沙等自然环境对PLC的影响尤为突出，使得磁盘和磁头上的灰尘过多，轻则出现内存数据丢失、逻辑运算结果错误，重则造成划盘。

灰尘对触点的接触阻抗有影响，它将造成键盘不能进行正常的输入操作，还特别容易破坏磁盘的磁记录表面。

在正常情况下
操作的电脑系统，灰尘的沉积会在电子元件与空气之间形成绝缘层，阻碍元件产生的热量散发到空气中，使得元件的温度上升到超过额定值烧毁，很多芯片的损坏大都是由这个原因引起的。

磁盘驱动器等电机机械设备比电子电路的设备更容易发生故障，原因是磁盘驱动器含有机械运动的元件，容易因污染造成温度过高而损坏，造成磁盘数据的存取闲难。

空气相对湿度过低、干燥的环境，则会使机械摩擦部分产生静电干扰，损坏元器件，影响PLC的正常工作。

2 高原环境低压电器产品的适应性研究
2．1 不同海拔高度对产品温升的影响
熔断器：温升随海拔的升高(气压降低)而增加，基本上呈线性关系，在海拔4000m以上趋于平缓，温升值变化不大，温升值未超过国家标准极限值。

接触器：海拔升高，温度不断上升，开始上升的曲线较陡，3000m以上上升缓慢，4000m 以上略有下降，从温升值来看，最高已接近国家标准所规定的数值。

低压断路器：温升呈线性上升关系，从温升值来看，最高超过国家标准所规定的数值。

2．2 低压电器产品的动作特性对高原环境的影响
主要分为两种：
(1)由热元件作为主要脱口元件的产品：海拔升高后，对流散热能力减弱，致使热元件的动作时问加快，从而使产品的脱扣时间提前。

试验中，不同海拔下热继电器的同一倍数脱扣时间相当分散，但其脱扣时间均在国家标准的范闱内。

由于热继电器本身具有温度补偿并可以调节，但其自身动作误差较大，难以掌握海拔对其的影响规律，加之双金属片的质量不稳定和现场试验条件的不完善等因素均影响了试验结果。

(2)带电子脱口器的产品：高原环境对带电子脱口器的产品性能几乎没有影响，对电子式低压断路器，可以不进行调整。

2．3 接通分断能力的影响
所有试品在不同海拔点的接通分断均顺利通过，从记录的交流接触器的燃弧时间统计数据来看，各点的燃弧时间相差不大，燃弧时间随海拔升高稍有增加，在4000m以上反而急剧下降(如图1)。

电磨损对比试验数据表明，随着海拔高度的上升，动触头电磨损量呈波动式上升，与燃弧时间的情况不同的是，在4000m以上急剧上升(如图2)。

以上试验可以认为海拔高度对电弧的燃烧时间的长短稍有影响，交流接触器的灭弧性能可不作修正，但须考虑接触器产品的温升影响。

2．4 外绝缘强度的影响
对高原型电器外绝缘强度的试验，按标准规定的试验电压值，结合试验地点的海拔高度进行修正。

由于电器的外绝缘强度随海拔升高而降低，会危及电器的安全使用，因此，对电器外绝缘强度进行试验时，应以其外绝缘强度为重点，对电器的基准绝缘水平、放电电压合格值和保护水平等，一般不允许降低。

对高海拔地区电器外绝缘的选择，参考以下参数。

(1)对海拔1500～2000m、电压在35kV及以下使用的电力变压器、开关及互感器等，尚未发生由于高海拔影响造成的绝缘事故，说明其绝缘尚有一定的裕度，因此可选用一般产品。

(2) 对海拔1500m 以上、电压在1 lOkV以上，或海拔在2000m以上、电压在35kV以上使用的电器设备，有必要加强绝缘，可根据用电设备的重要程度和实际海拔高度，采用提高1级绝缘的办法。

(3)外绝缘试验电压的修正：高海拔地区电器内绝缘试验电压应与普通型产品相同；外绝缘试验电压应根据试验和使用地点的不同，在普通型产品标准试验电压的基础上修正。

3 高原环境下使用低压电器的对策
3．1 温升补偿问题
为减少高原环境对低压电器温升的影响，可采取：电器产品若在户内使用，建议按相关产品标准规定提高温升等级执行；在户外环境温度直减率影响下，对产品的极限温度有明显的补偿作用，建议户外使用的低压电器产品按相关产品标准规定执行，但应注意，户外使用低压电器产品要防止阳光直射，因为高原地区紫外线强，阳光直射可能会造成设备本体温度上升较多，增加电器设备的温升。

3_2 低压电器
尽量采用动作特性受海拔影响较小的智能电子型产品。

3．3 电寿命
电寿命是产品的一个综合参数，受产品的通断性能、短路分断性能、操作频率和次数、灭弧性能、温升性能等因素的影响，高原地区使用的低压电器产品作适当降容的方法较好，降容的数值由于产品结构、性能指标的不同各有所差异。

3．4 尽可能采用较高绝缘等级产品
在高海拔地区使用未加强绝缘的普通型电器，对其外部绝缘进行工频耐压试验时，如使用标准试验电压值，可能无法满足试验值，甚至损坏电器设备。

此种情况下，可用公式：U~／／[1—0．01(H-IO00)]X~~1UU电压进行修正，并作为判断外部绝缘强度是否合格的依据。

式中一普通型电器在高海拔地区使用修正后的试验电压有效值(kV)；一在标准状况下规定的试验电压标准有效值(kV)；丑一使用处的海拔高度(m)；
一安全系数，用于海拔3000m以上时，取0．95，用于海拔3000m以下时，取1。

3。

5 工作电流的阵容系数K
电器产品的负载能力随着海拔的升高有着不同程度降低。

根据我国高海拔地区的环境及气象资料，低压开关电器在高海拔地区应用之工作电流的阵容系数=m，式中日一海拔高度(km)，△一与海拔2000m的高度差。

依据此公式计算出电流的阵容系数如表1。

3．6 最大额定工作电压的选用系数
国产低压开关最大丁作电压系数选用K =1百，按此式计算出高海拔地区最大工作电压。

因为最大工作电压不能超过额定绝缘电压，对常用的380／400V额定工作电压并未产生相应额定绝缘电压，故不必降低使用电压。

3．7 分断能力阵容选择
由于高海拔地区触头材料的熔点与沸点降低，在电弧电流高温的作用下，触头材料的升华比低海拔时快，触头材料损失严重。

因此，在高海拔地区，电器的分断能力应降低，电器的不同，分断能力降低的选择也不同。

①接触器的分断能力由使用类别和额定工作电流的倍数来决定。

在高海拔地区，接触器的工作电流降为I，p，其分断能力也应降低为NK~Ip (N为相应使用类别所要求的倍数)。

②断路器的情况与接触器不同，其分断能力是由断路器的灭弧结构形式来区别的，对于普通型即零点熄狐式断路器，其触头分断力来自两方面：触头弹簧反力和短路电流的峰值在触头回路中产生的电动斥力。

该断路器的分断能力受触头分断速度的限制，因而分断能力比较低，分断时产生的过电压也不高，一般能经受得住分断后介电强度的验证。

因为触头压力和回路电动力是由额定电流决定的，故该断路器的短路分断能力随海拔的升高按工作电流的阵容系数K 而减小；对于限流型断路器，可理解为把未受影响的冲击短路电流限制到较小的允通电流。

限流的方法很多，由于采取限流措施，触头实际分断的电流远低于预期电流，故限流断路器的分断能力考虑的主因不是电流本身，而是为了防止弧隙介质强度恢复不够，电弧电压上升太慢，导致电网电压对弧隙的重击穿。

因此，限流型断路器的分断能力随海拔的升高按最大额定工作电压的选用系数Ku而减小。

3．8 正确选择接地点，完善接地系统
良好的接地是保证PLC可靠工作的重要条件，可以避免偶然发生的电压冲击危害。

接地的目的有两个，其一为了安全，其二是为了抑制干扰，完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。

PLC控制器与所控的各个设备同电位接地叫系统接地，其接地电阻值不得大于4Q，一般须将PLC设备系统地和控制柜内开关电源负端接在一起，作为控制系统接地。

参考文献：
[1]Klavs Kosack(德)．低压开关电器和开关设备手册【M]．胡明忠，胡沫菲，译，北京：
机械工业出版社，1993．
[2]上海电器科学研究所．GB／T 14048．1—2006低压开关设备和控制设备[s】．北京：中国标准出版社，2007．
[3]高低压电器设计手册编写组．高低压电器设计手册[M】．北京：机械工业出版社，1971．。