中壓、高壓開關(guān)電器一般以油、真空、SF6氣體等作為導(dǎo)體絕緣和觸頭滅弧介質(zhì)，而低壓斷路器、隔離開關(guān)、接觸器等電器的主觸頭、載流導(dǎo)體都是暴露在空氣中，依靠“空氣”作為絕緣和滅弧介質(zhì)。

低壓電器同行都知道：海拔越高，空氣越稀薄，通過空氣對流散熱的效率就越低，空氣的絕緣強度就越低，導(dǎo)體之間的電氣間隙要求就越大，所以高海拔環(huán)境下，低壓電器需要降容使用。

但是，哪些電氣參數(shù)需要降容？降容與哪些因素有關(guān)?不同海拔下的降容系數(shù)如何？等等一系列疑問，昌暉儀表接下來一一回答。

在GB/T14048.1-2012低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第1部分：總則中海拔一般不超過2000米，如果超過2000米，廠家會提供相應(yīng)的海拔降容系數(shù)，例如：

某品牌塑殼斷路器的海拔降容系數(shù)如下表：

某品牌接觸器的海拔降容系數(shù)如下表：



我們發(fā)現(xiàn)高海拔情況下，需要降容的電氣參數(shù)包括額定沖擊耐壓、額定絕緣電壓、額定工作電壓和額定工作電流。

1、額定沖擊耐壓表征的是低壓電器耐受“瞬時”過電壓的能力，決定了導(dǎo)體間的最小電氣間隙，電氣間隙指的是兩個導(dǎo)電部件間最短的直線距離。



2、額定絕緣電壓表征的是低壓電器的耐受“長期”電壓的能力，決定了導(dǎo)體間的爬電距離，爬電距離是指兩導(dǎo)電部件間沿絕緣材料表面的最短距離。



3、額定工作電壓是一個與額定工作電流組合共同確定電器用途的電壓值,它與相應(yīng)的試驗和使用類別有關(guān)。在任何情況下最大的額定工作電壓值不應(yīng)超過額定絕緣電壓值。

4、額定工作電流的確定應(yīng)考慮到額定工作電壓、額定頻率、額定工作制、使用類別和外殼防護(hù)的型式(如有)。

一、巴申定律
提到高海拔降容，就不得不提巴申定律。

早在1889年，德國物理學(xué)家弗里德里?！ぐ蜕晖ㄟ^試驗發(fā)現(xiàn)：導(dǎo)體間的擊穿電壓Ujc取決于氣體壓力p和電氣間距d的乘積，并將三者之間的關(guān)系繪制成下圖所示的曲線，即著名的巴申曲線。



曲線的最低點代表間隙最容易被擊穿的情況，以曲線最低點作為分界，在曲線的右邊，如果電氣間隙d不變，空氣壓力p越高，擊穿電壓Ujc越高，反之容易擊穿。

曲線左邊適用于低氣壓和高真空的氣體。在真空環(huán)境下，即使存在電子，它們從一個電極飛向另一個電極時，也很少有機(jī)會與氣體分子碰撞造成真空間隙的電擊穿，因此，高真空間隙的絕緣強度比變壓器油、高壓空氣、SF6氣體還高。

二、額定沖擊耐壓Uimp和電氣間隙
依據(jù)巴申曲線右側(cè)的趨勢，當(dāng)空氣壓力隨著海拔增高而降低時，如果保持海拔2000米時的擊穿電壓或電氣間隙不變，要么增大電氣間隙，要么只能降低沖擊耐受電壓值。

GB/T16935.1-2008低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合 第1部分：原理、要求和試驗中給出了不同海拔下的修正系數(shù)。

例如當(dāng)海拔為2000米時，電氣間隙的倍增系數(shù)為1，當(dāng)海拔為4000米時，如果還想保持原來的額定沖擊耐受電壓值，其電氣間隙需要增加至原來電氣間隙的1.29倍。



低壓電器的額定沖擊耐壓值取決于電源系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓、過電壓類別以及額定工作電壓。例如某斷路器可以應(yīng)用到AC1000V的電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)線端，則其額定耐受電壓為12kV(海拔2000米)。



依據(jù)GB/T14048.1標(biāo)準(zhǔn)，非均勻電場條件下，污染等級3，額定沖擊電壓12kV(海拔2000米)對應(yīng)的最小電氣間隙為14mm。



當(dāng)海拔為4000米時，要保持12kV的額定沖擊耐壓，電氣間隙要增大到：14mm*1.29≈18mm；當(dāng)海拔為4000米時，如果電氣間隙保持為14mm不變，那么只相當(dāng)于14mm÷1.29≈11mm對應(yīng)的額定沖擊耐壓值，查詢下表，沖擊耐壓值為8kV左右。



三、額定絕緣電壓Ui和爬電距離
額定絕緣電壓Ui在高海拔下的降容系數(shù)可以參考IEC 60071-2:2023 Insulation co-ordination - Part 2: Application guidelines的6.2.2章節(jié)中公式：



其中H為海拔高度，m在低壓一般取0.5，例如對于4000米海拔時Ka系數(shù)為1.28，意味著如果原來低壓電器的額定絕緣電壓為690V(2000米海拔)，那么4000米海拔時其額定絕緣電壓要達(dá)到690V×1.28≈883.2V。

參考GB/T14048.1表12A的要求，額定絕緣電壓為690V時，介電試驗電壓為1890V，而額定絕緣電壓為883.2V時，介電試驗電壓為2200V。



同時由于爬電距離與額定絕緣電壓直接相關(guān)，所以絕緣電壓由690V變到883.2V時，爬電距離按表15插入法計算為13.32mm(污染等級3，材料組別2)。



四、額定電流降容
高海拔情況下，由于空氣密度降低，散熱效率降低，所以低壓電器的額定電流的降容可以參考如下公式：



其中Ih為海拔降容后的額定電流，Ie為未降容前的額定電流，Ph為高海拔的空氣壓力值，Pn為海拔2000米的空氣壓力值。

于是可以得到如下所示的降容系數(shù)：



實際上，上述關(guān)于額定沖擊電壓、額定絕緣電壓、額定工作電壓和額定工作電流的高海拔降容，都是基于一些理論分析的基礎(chǔ)上得出的降容值。

通過理論分析，可以讓我們知道高海拔情況下，空氣密度和空氣壓力的變化，對電氣絕緣和散熱都有影響，所以電壓和電流都會有所降容。

由于各廠家產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、材料以及低壓電器類型差異，降容值都有所不同，沒有統(tǒng)一的降容系數(shù)，所以一旦涉及到高海拔降容，建議參照廠家樣本提供的降容系數(shù)。

作者：賓紹平