高原气候设备结构设计注意问题

高原气候设备结构设计注意问题引言：由于高原运行环境与普通低海拔环境有很大差异，作为产品结构设计人员需要针对高原的环境特点进行特殊的结构处理来满足设备在高原环境的安全可靠运行。本文结合我公司的风、光变流器变器以及SVG设备等产品的在高原环境下的应用情况分析高原型电力电子设备结构设计要点。首先介绍了高压环境的主要特点；接着针对高原环境特点对设备的性能影响分析；根据高原环境对设备性能影响的分析从结构设计方面提出具有的解决办法，其中结构设计也主要考虑从散热、绝缘、凝露以及机械结构件及材料的设计考虑等方面处理。（一）高原气候特点：高原具有较恶劣的自然气候条件，对电力电子的设备性能影响较大，高原气候的主要特点有：（1）空气压力或空气密度低；（2）空气温度较低，变化较大；（3）空气绝对湿度较小；（4）雷暴日多；（5）太阳幅射照度（紫外线）较高；（6）降水量较少；（7）年大风日多；（8）土壤温度较低，且冻结期长。以上特点是行业内针对高原气候形成的普遍共识，但我国的高原地区分布较广，各高原地区的气候也存在差异。其中尤其以西南地区的云贵高原气候存在一定的特殊性。云贵地区河流众多，地形复杂，山谷间的水汽不易发散，在清晨和傍晚经常起雾。在相对湿度接近饱和的情况下，昼夜温差将造成严重的凝露。而且，云贵高原的高湿季节持续时间较长。因此，设备在高原气候应用必须考虑各高原地区的气候差异。（二）高原气候条件对电力电子设备性能的影响：²空气压力或空气密度对性能的影响：气压低→电气间隙的击穿电压降低→绝缘强度降低空气稀薄→风流量减小→相对散热能力减弱²空气温度较低及温度变化对性能的影响：温度低→冻结→器件寿命受影响温度变化大→凝露→爬电²空气湿度对性能的影响：湿度小→电气间隙的击穿电压降低→绝缘强度降低湿度大→积水→爬电²太阳幅射照度（紫外线）较高对性能的影响：紫外线高→破坏功率器件的空间电荷区电场→器件失效紫外线高→有机保护材料老化→绝缘强度降低（三）高原气候设备的结构设计注意问题：1.高原型电力电子设备绝缘的设计：空气压力或空气密度的降低，引起外绝缘强度的降低。在海拔至5000m范围内，每升高1000m，即平均气压每降低7.7～10.5kPa,外绝缘强度降低8%～13%.根据安规（如IEC60664-1）对绝缘的相关规定：由系统电压、过压等级和绝缘等级确定所需电气间隙距离，并按海拔高度进行修正。电气间隙修正系数海拔（m）正常气压（kPa）电气间隙修正系数200080.001.00300070.001.14400062.001.29500054.001.48600047.001.70700041.001.95800035.502.25900030.502.621000026.503.021500012.006.67平均绝对湿度随海拔升高而降低。绝对湿度降低时，电工产品的外绝缘强度降低，因此要考虑工频放电电压与冲击闪络电压的湿度修正。湿度修正以零海拔时的平均绝对湿度：11g/m3为基准，具体修正按GB311.2中有关规定。我司的高原型设备严格执行安规审查，按照海拔4000m考核电气间隙与爬电距离，保证足够的电气间隙与爬电距离。其中结构布置时分项审查主要有：单板：PCB改板，加大电气间隙主功率回路：增加绝缘防护隔离带：一次回路与二次回路隔离，确保电气间隙符合要求，如设置变压器隔离、UPS隔离等配电器件：更换部分器件，如用高原型断路器替换普通型断路器。所有配电器件逐一分类审查：开关类、接触器类等。同时结构件设计时候优化导电体形状，加大电气间隙与爬电距离。严格按照标准测试验证，测试电压5000Vdc/1min，漏电流10mA。2.高原型电力电子设备散热设计：空气压力或空气密度的降低引起空气介质冷却效应的降低。对于以自然对流、强迫通风或空气散热器为主要散热方式的电工产品，由于散热能力的下降，温升增加。在海拔至5000m范围内，每升高1000m，即平均气压每降低7.7～10.5kPa,温升增加3%～10%.空气温度最高值与平均值随海拔的升高而降低。高原环境空气温度的降低可以部分或全部补偿因气压降低而引起的电气设备温升的增加。环境空气温度补偿值为0.5K/100m。高原环境对采用空气冷却方式的电力电子设备的散热有利也有弊，所以散热结构设计时候要综合考虑双方面的影响。设计要点：保证良好的风道设计；高可靠性的器件选择；合适的散热风机选择；合理的器件布局；增加柜内扰流措施。3.高原型电力电子设备凝露处理的设计：高原环境温差变化大容易产生凝露现象，我司主要通过以下方式来解决凝露问题l加热除湿通过加热除湿装置使柜内温度高于环境温度，实时检测柜内温度湿度，严格控制湿度小于85%。l增大爬电距离在易发生爬电的位置增加安全栅格。l将可能的放电点密封密封放电点，使之与外部完全隔离。l柜内扰流增加扰流装置，使凝露不易发生。l三防处理对单板喷涂三防漆。4.高原型电力电子设备机械结构件及材料的设计考虑：-对于器件内部机械传动件，如操作手车、脱扣器等要考虑高原温度变化大而造成材料变形对公差的影响，这些在设计对应器件时要加以考虑；绝缘材料的选择，应尽量选用受温差变化不大和防老化程度高的绝缘材料（如DMC或SMS模塑料等），在保证高强度的同时，变形量和老化程度较小，适应其对绝缘配合要求较高的地方。