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(duì)流散熱的效率就越低，空氣的絕緣強(qiáng)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(huì)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(shí)”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(gè)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(gè)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(yàn)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)家弗里德里希·巴申通過試驗(yàn)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(diǎn)代表間隙最容易被擊穿的情況，以曲線最低點(diǎn)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(gè)電極飛向另一個(gè)電極時(shí)，也很少有機(jī)會(huì)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(qiáng)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(shì)，當(dāng)空氣壓力隨著海拔增高而降低時(shí)，如果保持海拔2000米時(shí)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(yàn)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(shí)，電氣間隙的倍增系數(shù)為1，當(dāng)海拔為4000米時(shí)，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(jí)3，額定沖擊電壓12kV(海拔2000米)對(duì)應(yīng)的最小電氣間隙為14mm。



當(dāng)海拔為4000米時(shí)，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(shí)，如果電氣間隙保持為14mm不變，那么只相當(dāng)于14mm÷1.29≈11mm對(duì)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(duì)于4000米海拔時(shí)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(shí)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(shí)，介電試驗(yàn)電壓為1890V，而額定絕緣電壓為883.2V時(shí)，介電試驗(yàn)電壓為2200V。



同時(shí)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(shí)，爬電距離按表15插入法計(jì)算為13.32mm(污染等級(jí)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(shí)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(duì)電氣絕緣和散熱都有影響，所以電壓和電流都會(huì)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