高海拔电气设备工作特点及设计要求

资源类型:pdf 资源大小:51.00KB 文档分类:交通运输 上传者:张冬峰

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【作者】 陈开运 

【关键词】高海拔 低温 电气设备 高原铁路 设计 

【出版日期】2005-03-25

【摘要】针对高原气候特点,在分析气候对电气设备工作影响的基础上,从电气绝缘、电器分断性能、电器温升、低温材料的选用、电器的耐低温性、耐电晕、电机绝缘材料温度补偿等方面,对高原电气设备提出了设计要求。

【刊名】机车电传动

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0引言我国是一个有高原、多山的国家。铁路部门为了满足绝大部分地区要求,以2500m作为通用海拔。随着西部大开发的号角吹响,西部铁路的营运速度加快,特别是青藏铁路(最高海拔5100m)的建设,对机车车辆电气设备提出了新的技术要求。为便于读者了解高原电气设备工作特性,本文将机车车辆用高原电气设备工作特点及设计要求作一概述。1高原气候特点高原具有较恶劣的自然气候条件,对机车车辆电气设备性能影响较大,其特点:(1)空气压力或空气密度较低;(2)空气温度较低,变化较大;(3)空气绝对湿度较小;(4)太阳辐射照度较高;(5)降水量较少;(6)年大风日多;(7)土壤温度较低,且冻结期长。我国的高原电气设备归口研究单位做了大量高海拔的研究工作。JB/T7573-1994提出的我国高原环境气候条件如表1所示。2气候条件对电气设备性能的影响2.1空气压力或空气密度对性能的影响2.1.1对外绝缘强度与电气间隙的影响空气压力或空气密度降低,会引起电气间隙和外绝缘强度降低,其下降曲线[1]可用下式表示Uh=Uo·e-bh……………………………………(1)式中:Uh——海拔高度h处的击穿电压,V;Uo——零海拔处的击穿电压,V;h——海拔高度,km;b——系数(1.1078 ̄0.138)。—19—机车电传动2005年表1高原环境气候条件2.1.4对介质冷却效应(即产品温升)的影响海拔/m空气压力或空气密度的降低引起空气冷环境参数010002000300040005000却效果的降低,对于以自然对流、强迫通风或年平均空气压力/kPa101.390.079.570.161.754.0空气散热器为主要散热方式的电气产品,由最低空气压力/kPa97.087.277.568.160.052.5最高空气温度/℃45、4045、4035302520于散热能力降低,温升增加。昆明电器科学最高日平均空气温度/℃35、3035、3025201510研究所验证:在海拔5000m以内,每升高年平均空气温度/℃20201510501000m,温升增加3% ̄10%。对于自然对流冷最低空气温度/℃+5、-5、-15、-25、-40、-45却的电气设备,其温升增加可能会小一些;对最大日温差/K15、25、3095%95%90%90%90%90%于强迫通风冷却的电气设备,其温升增加可最湿月月平均最大90%90%(20℃)(15℃)(10℃)(5℃)能会大一些。一般电器产品每升高100m,温相对湿度*(25℃)(25℃)升增加最大0.4K,但对于高发热电器(如电最干月月平均最小20%20%15%15%15%15%阻器)的温升增加每升高100m,至少达2K以相对湿度**(15℃)(15℃)(15℃)(10℃)(5℃)(0℃)上。电力变压器温升增加与冷却方式有关:年平均绝对湿度/g·m-311.07.65.33.72.71.7海拔每增加100m,干式自冷变压器的温升增年平均绝对湿度加为额定温升的0.5%;油浸强迫风冷变压器最小值/g·m-33.73.22.72.21.71.3的温升增加为额定温升的0.6%;干式强迫风最大太阳直接辐射照度/W·m-2100010001060112011801250冷变压器的温升增加为额定温升的1%。对于最大风速/m·s-125、30、35、40电机温升,海拔每升高100m,增加额定温升10min最大降水量/mm15、30的1%。电抗器可比照变压器温升估算。1m深土壤最高温度/℃3025221916132.1.5对机械结构和密封性能的影响*括号内为相应月月平均最低气温,**括号内为相应月月平均最高气温。空气压力与空气密度的降低会引起低密空气压力或空气密度的降低,会引起固体绝缘材料度、低浓度、多空性材料(如电工绝缘材料、隔热材料沿表面放电能力降低,其下降程度与电场均匀程度有等)的物理和化学性能的变化。例如石棉水泥制品的耐关:电场不均匀程度越大,放电能力降低越大(b值越电压性能下降,塑料制品中增塑剂挥发加速,冷却剂和大);而且与固体绝缘材料介质常数ε有关,ε较大,沿润滑剂的蒸发加速,气体或液体从密封容器中泄漏率表面放电电压也显得低一些。昆明电器科学研究所试增加,密封容器产生膨胀、变形、易损坏。验结果表明,在海拔5000m以内,每升高1000m,外绝缘强2.2空气温度降低及温度变化(包括日温差)的影响度降低8% ̄13%。上海电器科学研究所试验认为海拔对空气温度最高值与平均值随海拔的升高而降低。固体绝缘材料的瞬时击穿电压无明显影响。电工绝缘材料的热老化寿命取决于平均空气温度。高随着空气压力的降低,电气间隙的击穿电压也随之原环境空气温度的降低可以部分或全部补偿因气压降降低。同样其下降程度与电场均匀程度有关,电场不均低而引起的电气设备温升的增加。环境空气温度补偿匀程度越大,击穿电压降得越低(b值越大)。值为0.5K/100m。2.1.2对电晕及放电电压的影响高原气温变化大,使产品密封结构容易破裂,外壳空气压力降低使高压电气设备局部放电电压降低,容易变形、皲裂。空气温度降低对提高放电电压有益,电晕起始电压降低,电晕腐蚀严重。但对于500V以下电但其影响值较小。温度降低将使线圈电阻值减小,动作气设备不必要考虑局部放电的问题,标准规定海拔安匝数增加,机械冲击增加,机械寿命与电寿命降低。4000m以下,对小于3000V电机设备可以不考虑电晕的温度降低对电器开关电弧冷却有利,但影响较小。问题(交流电机除外)。电力电容器在低气压时内部气2.3空气绝对湿度减小的影响压下降,导致局部放电起始电压降低。高压避雷器内腔关于湿度对击穿电压的影响,各国科学家进行了因气压降低引起的工频放电电压也降低。不少试验,结果差异颇大。由于湿度对放电电压影响的2.1.3对开关电器灭弧性能的影响机理未完全了解,一般讲它与受电极形状、表面状况、空气压力或空气密度的降低,使以空气介质灭弧间隙距离、温度、湿度、气压等参数有关。昆明电器科的开关电器灭弧性能降低、通断能力下降和电寿命缩学研究所验证结果,高原气温随海拔升高而降低,平均短。交、直流电弧的燃弧时间随气压下降而延长。海拔绝对湿度随海拔升高而降低。绝对湿度降低时,电工产在2000 ̄2500m时燃弧时间约延长10%,海拔在品的外绝缘强度也降低;换向器电机的整流火花增大,4000 ̄5100m时可能灭弧时间不合格或分不断。由于同时使炭刷磨损增加。气压降低,交流与直流电弧的飞弧距离会增加。交流电2.4太阳辐射照度(包括紫外线)的影响弧燃弧时间由于电流过零熄灭而影响小一点,但电压海拔5000m时的太阳辐射照度为低海拔时的1.25击穿强度降低,可能灭弧时间不合格或分不断。—20—第2期陈开运:高海拔电气设备工作特点及设计要求倍。热辐射对物体起加热作用,引起户外电器产品表面3.3电器温升温升增加,降低有机绝缘材料的性能,使材料变形、产结合2.1.4、2.2可知,对电器产品来说,温升可以不生机械热应力。紫外线辐射照度随海拔增高而大大增作海拔修正,但对高发热产品(如电阻)应考虑减负荷加,海拔3000m为低海拔时的2倍。紫外线会引起有机运用。若产品温升裕度较大,怎么验算都不会超过材料绝缘材料老化加速,使空气容易电离,导致外绝缘强度允许温升(或设计选用允许温升),可以按原负荷运行。降低,电晕起始电压降低。3.4低温材料的选用环境温度低时,选用材料的允许使用温度范围应3高原电气设备的设计要求满足低的环境温度的要求。例如A B S塑料的允许使3.1电气绝缘的修正用温度为-40 ̄70℃,在-40℃地区使用不太合适,因环空气压力、温度和湿度都对绝缘性能有影响,但空境-40℃是统计平均值,有的年份温度可能低于-40℃;气压力降低对外绝缘和电气间隙的绝缘性能影响较大。空气温度是在无风处测定的,在风口下测定的温度更表2修正系数已综合考虑各项影响,修正系数曲线按式低,由于厂家对材料在-40℃以下的机械特性、电气特(1)计算,其b值约为0.126。性不作保证,故要改用工作温度低于-40℃(例如-60℃)的塑料产品。在低温时由于机械配表2电气间隙、爬电距离、冲击耐受电压的海拔修正系数试验地海拔/m01000200025003000400050005100合应力增加,加之低温下电阻减小,相应气压/kPa101.390.079.574.870.161.754.053.2电流的冲击加大或过电压衰减缓以2500m低压修正系数1.3451.2051.0661.00.9380.8320.7150.708慢,若不更换材料,产品设计可靠为基准高压修正系数1.2021.2021.0631.00.9410.8320.7360.727性将大大降低。同样橡胶产品也应以4000m低压修正系数1.6351.4641.2961.2151.1271.00.8690.861为基础高压修正系数1.4501.4501.2781.2021.1311.00.8840.874考虑低温的问题,保证橡胶弹性和以5100m低压修正系数1.901.7021.5061.4121.3251.1621.011.0密封要求。为基础高压修正系数1.6541.6541.4631.3761.2941.1451.0121.0某些低性能的铁磁材料在低温为保证电气产品在高原使用时有足够的沿固体绝下的导磁性能有所下降,影响电磁铁最低工作电压动缘材料表面放电的能力,必须加大爬电距离。高原电气作性能,需选用导磁性能更好的铁磁材料。设备用固体绝缘材料的爬电压距离可按表2进行修正3.5电器的耐低温性(按TB/T1333.1-2002标准,根据不同绝缘电压值、不同环在温度降低时,由于线圈电阻降低,其吸合安匝数境污染等级、不同绝缘材料分组等级选定的最小爬电增加较大,容易引起触头弹跳,影响机械寿命和电寿距离值进行修正。产品的实际爬电距离值应大于该修命。应对线圈进行修改设计(以高原的最高温度来核正值)。算)或增加减振措施或增加节能模块,以免影响产品性为保证电气产品在高原使用时电气间隙有足够的能。耐受电压击穿的能力,必须加大电气间隙。高原用电气对低温(-40℃)有工作要求的电子设备,应正确选设备的电气间隙也可按表2修正(按TB/T1333.1-2002标用耐低温的元器件;模拟电路在低温下容易产生特性准,根据不同绝缘电压值、不同过电压等级、不同环境漂移,应尽量采用数字电路;长期在低温下工作,印制污染等级选定的最小电气间隙值进行修正,产品的实板、焊接端子应使用低温(-40℃)焊锡。际电气间隙值应大于该修正值)。在高原,采用热保护的电器(如塑壳自动开关)产对于修正的爬电距离和电气间隙用修正的冲击电品,会因散热问题引起保护曲线变化,因此宜用电磁保压值(按表2)进行冲击耐受电压试验。工频耐受电压试护式的产品。验可以不修正。淋雨状态下的工频耐受电压要按公式机车车辆用蓄电池在-40℃时工作,其电解液粘度(2)进行修正。GB/T11022-1999给出高压电器的海拔修正增加3 ̄4倍(比0℃时),其电阻率比常温增加7倍,其容公式(工频、雷电冲击和相间操作冲击电压)为量只有原来的1/10 ̄1/5。此时蓄电池容量要按冲击负荷Kg=e(h-1)/8.150……………………………………(2)来选用,使用中要考虑加热、保温措施。式中:h为海拔,km。在-40℃时,电空电器因气缸阻力增加而动作不了,3.2电器分断性能使用中应加温预热或采用长行程薄膜传动气缸的气动为避免海拔对开关电器通断性能的影响,对高原电器(不需加油)。用电气设备应尽量选用密封(充氮)电器或真空电器等对于有动作时间要求的电器,应验证在-40℃时其不受海拔影响的电器设备。无法采用密封电器或真空动作时间是否影响控制逻辑或保护动作时间或整定值电器的设备,应验证其灭弧性能是否符合技术要求。可精度。采用接点串联办法来提高分断性能。对主电路、辅助电3.6高压电器路的电器设备应尽量采用无电弧转换控制。为避免电晕出现,对于高压电气设备,在设计中应—21—避免金属件出现尖角、截面突变等。海拔提高会降低电晕电压值,对于超出低压电气设备范畴的电气设备应考虑尽量采用耐

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