高海拔环境对电涌保护器性能的影响——安徽金力电气技术有限公司

高海拔环境对电涌保护器性能的影响
1引言
我国是世界上高原最为广阔的地区，海拔2000m以上的高原约为国土面积的33%。

由于高原地区存在气压低、太阳辐射强度大和气温低等特殊气候条件，对电工产品的使用有较大影响，因此在高原环境条件下使用的电工产品必须具有良好的环境适应性，具备相应的防护功能。

特别是我国西部地区，处于高原、干热和沙漠的严酷环境下，它对各类机械、电气、电子、通讯及仪器仪表等设备的耐久可靠使用带来严重的影响。

过去我国对一些物质材料和基础设备在上述特殊自然环境中的性能研究不多，对高原、干热和沙漠等特殊条件的数据也缺乏系统的采集和研究，如果不解决这些问题，将直接影响我国在特殊环境条件下重大工程项目的实施。

随着最近几年我国西部开发的加快，包括光伏电站在内的一系列重大工程项目在西部地区实施，为提高电工设备的环境适应性和使用可靠性与耐久性，电工设备在高原环境中的特性应充分被了解，应对高原环境的技术措施也应充分被研究。

2高海拔环境对低压电气设备的影响
绝大多数常规性电工电子产品，海拔升高，气压降低，产品的外绝缘强度、温升、灭弧能力、电寿命和动作特性等都不同程度地受到影响，这是不利的影响，是客观存在的，不容忽视的。

高原气候的气压、温度和湿度等主要因素综合作用的结果，并不是使一个产品所有的电气性能都受到不利影响，只是使部分电气性能受到影响而变差，对于以空气为灭弧介质的低压电气产品，灭弧能力和电寿命的影响较为突出。

对于低压电气设备，海拔高度超过2000m的使用环境即为高海拔环境。

高海拔环境对电工设备的影响是多方面的，但主要是温升和外绝缘的问题。

当海拔高度增加时，空气密度降低，散热条件变坏，使电气设备在运行中的温升增加；同时，随着海拔的升高，空气变得稀薄，空气的绝缘强度减弱，使得电气设备外
绝缘水平降低（对内绝缘没有影响），对于海拔高于2000m 但不超过5000m 的电气设备外绝缘，海拔每升高100m ，其外绝缘强度约降低1%。

高海拔环境对低压电气设备特性的影响主要有以下几点：
⑴海拔升高，则气温降低，电气设备的温升增高，对于户外工作的设备有明显的补偿作用，而户内及特定环境（如高温场所），则不能补偿海拔升高导致的温升增加值，宜降低额定容量使用；
⑵海拔升高，空气密度降低，导致电气设备绝缘强度下降。

一般海拔每升高100m ，绝缘强度约降低1%，从而对电气设备的电气间隙、爬电距离和外绝缘性能等会产生明显影响，这是影响电气设备运行的主要因素；海拔修正系数见图2.1。

⑶使用热脱扣元件的断路器、热继电器和电涌保护器等设备，高原下散热条件变化，其脱扣特性将会有一定偏差；
⑷海拔升高，在正常负载下，低压电气设备的接通和分断短路电流的能力，机械寿命和电气寿命有所下降。

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10H 1.11
Ka -⨯-
=
图2.1海拔修正系数Ka 与海拔H 的关系曲线
备注：H——海拔，m；m——为了简单起见，取下述确定值：m=1用于工频、雷电冲击和相间操作冲击电压，m=0.9用于纵绝缘操作冲击电压，m=0.75用于相对地操作冲击电压。

3电涌保护器高原环境技术参数要求
高海拔环境对低压电涌保护器的影响主要为最大持续工作电压Uc、电气间隙、放电电流、工频耐压和冲击耐压、温升以及浪涌保护器后备保护开关等。

3.1高海拔环境对电涌保护器Uc的影响
电涌保护器的最大持续工作电压Uc是电涌保护器的一个重要参数，决定着SPD的起始动作电压和电压保护水平，不但影响到电涌保护器本身的使用寿命，也关系到电涌保护器与被保护设备之间的绝缘配合。

由于电涌保护器以空气作为绝缘和灭弧介质，高海拔环境气压低，使SPD工频导通电压降低，因此Uc值需进行修正。

在海拔2000m以上使用的SPD最大持续工作电压Uc值应按海拔高度进行修正。

修正采用提高常规SPD的Uc值的方法，即常规型号SPD产品Uc值乘以海拔高度修正系数K1。

（K1按照表3.1选择）
表3.1工频耐压和冲击耐压的海拔修正系数K1表
产品使用地点海拔/m2000300040005000
产品试验地点海拔
/m
0 1.25 1.43 1.672 1000 1.11 1.25 1.43 1.67 20001 1.11 1.25 1.43 30000.911 1.11 1.25 40000.830.911 1.11 50000.770.830.911
注1：低压电器的介电试验，例如相与相之间相和中性线与地之间，同一相断开触点之间的介电性能试验包括了对固体绝缘和电气间隙的绝缘试验，因此试验电压应按表的要求进行修正。

因专门用于固体绝缘的介电性能不受海拔高度的影响，所以试验电压不需要修正。

注2：对于工频耐压，产品试验地点在海拔2000m及以下时，修正系数K1按试验地点海拔2000m计算。

注3：试验电压值为常规型产品标准规定值与海拔修正系数K1的乘积。

表3.2常规产品SPD的Uc值与部分交流最大持续工作电压Uc的修正值对比表
产品使用海拔
高度/m
2000300040005000海拔高度修正
系数K1
1 1.11 1.25 1.43
不同海拔高度交流最大持续工作电压Uc 修正值/V 100111125143 150167188215 200222250286 250278313358 300333375429 320355400458 350389438501 385427481551 420466525601 460511575658 485538606694 510566638729 550611688787 600666750858 650722813930 680755850972
注1：选型时最大持续工作电压值等于常规型号产品标准规定的最大持续工作电压值Uc与海拔修正系数K1的乘积；
注2：使用海拔高度介于表内两值之间时，用插入法进行折算。

3.2高海拔环境对开关型SPD电气间隙的要求
对于开关型电涌保护器，内部主要元件为石墨间隙或气体放电管，随着海拔高度的增高，气压降低，电涌保护器内部的石墨间隙或气体放电管的击穿电压也随之降低，为了保证SPD在高原环境下使用时拥有足够的耐冲击能力，必须增大
元件内部的电气间隙。

电压开关型SPD在不同海拔高度及不同最大持续运行电压Uc下，电气间隙距离不应小于最小间隙的要求。

GB/T20645-2006《特殊环境条件高原用低压电器技术要求》规定，对于海拔高于2000m的低压电气产品，电气间隙的确定应按GB14048.1-2006中表13和表15的规定值乘以相应海拔修正系数。

开关型SPD在最大持续工作电压Uc下、不同海拔高度电气间隙修正系数为K2。

（K1按照表3.3选择）。

表3.3电气间隙海拔修正系数K2
海拔H/m正常气压/kPa电气间隙修正系数
H≤200080.0 1.00 2000＜H≤300070.0 1.14
3000＜H≤400062.0 1.29
4000＜H≤500054.0 1.48
注1：当海拔高于2000m时，根据SPD的最大持续工作电压Uc选择最小电气间隙距离。

注2：电气间隙指带电部件与接地极之间的间隙。

表3.4修正后的开关型SPD最小电气间隙
开关型SPD最大持续工作电压Uc/V
海拔高度H/m 2000300040005000
电气间隙修正系数K3
1.00 1.14 1.29 1.48
＜1001mm 1.14mm 1.29mm 1.48mm 100～2002mm 2.28mm 2.58mm 2.96mm 200～4503mm 3.42mm 3.87mm 4.44mm 450～600 5.5mm 6.27mm7.1mm8.14mm 600～12008mm9.12mm10.32mm11.84mm 1200～150012mm13.68mm15.48mm17.76mm 注：海拔高度介于表内两值之间时，采用插入法进行计算。

3.3高海拔环境SPD放电电流修正要求
高海拔环境会影响电涌保护器内部防雷元件及连接导体的通流能力，需按照海拔高度进行修正，不同海拔高度SPD放电电流修正系数K3见表3.5。

表3.5不同海拔高度SPD放电电流修正系数
海拔高度H/m2000300040005000
修正系数K3 1.000.970.930.89
表3.6不同海拔高度SPD放电电流修正值
产品使用点海
拔高度H/m
2000300040005000
放电电流修正
系数K3
1.000.970.930.89
不同海拔高度SPD放电电流修正值/kA
5 4.85 4.65 4.45 109.79.38.9 2019.418.617.8 3029.127.926.7 4038.837.235.
6 6058.255.853.4 8077.674.471.2 100979389 120116.4111.6106.8
注：海拔高度介于表内两值之间时，采用插入法进行计算。

3.4高海拔环境SPD安全间隙和爬电距离要求
对于海拔高度高于2000m的低压电涌保护器产品，安全间隙的确定应按照电气间隙的确定应按GB14048.1-2006中表13和表15的规定值乘以相应海拔修正系数，其海拔修正系数见表3.3。

如电气间隙达不到要求，可用冲击耐受电压来验证。

高原环境下，低压电涌保护器的表面爬电距离应按照污染等级不小于3级进行选择，并不小于相应的安全间隙。

3.5高海拔环境对SPD温升的影响
低压电器产品温升随海拔的高度而递增，而环境温度随海拔的升高而降低，虽然对产品的温升递增有一定补偿作用，但高原地区户内环境的温度和某些局部特定黄精温度随海拔的升高其变化不大，补偿作用相对较弱。

低压电涌保护器大多安装于户内，因此，户内高原型电涌保护器产品的温升极限仍应适当修正。

环境空气温度的补偿值为海拔每升高100m，环境空气温度降低0.5℃。

3.6高海拔环境对SPD灭弧能力的影响
海拔增高，空气密度降低，使得以空气为灭弧介质的电涌保护器灭弧能力下降，电寿命缩短。

3.7高海拔环境对开关型SPD密封的影响
海拔增高，空气密度降低，气压降低，低气压可导致开关型电涌保护器内部密封的气体放电管造成泄漏。

3.8高海拔环境对SPD热脱扣性能的影响
电涌保护器采用热脱扣元件作为脱扣保护装置，在高原环境条件下，由于散热条件的变化，其脱扣特性会发生一定偏移。

但是，由于各个产品的电气特性不一样，偏移程度有一定的分散性。

因此，具体产品的热脱扣性能应在相应海拔高度或模拟环境或等效条件下进行调整和修正，以满足产品所使用环境的脱扣特性要求。

4结束语
为了保证电涌保护器在恶劣环境中能够安全可靠运行，目前国内各个防雷厂家在设计SPD时，对于最大持续工作电压Uc、安全间隙和爬电距离等均留有一定裕量，一般能够满足4000m海拔的使用要求。

对于海拔高度5000m以上的使用环境，须严格按照修正系数进行参数修正，或降容使用。