关于电气设备海拔越高，试验电压随之越高的思考

几年前，楼主接触10kV电缆附件的标准文件时，发现适用环境条件有一条是：适用于海拔2000米以下。
楼主看了就记下了，当时也没多想。
去年时候，有个客户要定制3500m海拔的电缆附件，楼主开始琢磨海拔和试验电压的标准关系。
通过找资料，找到了武汉高压研究所的文章，里面有提供试验电压与海拔的计算公式，如下：


根据这两个公式，楼主分别计算了两种校正因数，如下表：


根据这一数据，楼主按此标准定制了客户需要的3500m海拔的电缆附件，使用效果良好，反馈不错。
今天，有个客户定制3700m海拔的产品，楼主准备还是按上述校正因数进行计算，然后定制，这时候领导过来说，只有热缩和冷缩型产品需要定制，预制型产品不需要定制，可以拿着直接用。
PS：为方便坛友理解，先介绍3种产品的区别。
热缩型产品采用辐射交联工艺，将产品加热扩张，使用时直接用火烤，就可收缩到预定位置，对产品无抱紧力，是通过热缩材料进行隔离绝缘；
冷缩型产品是采用硅橡胶生产后，通过机器将其扩大到支撑管上，使用时抽取支撑管，使其收缩到预定位置，对产品有抱紧力，通过产品的抱紧力加强密封性和爬距；
预制型产品就是工厂出厂前预先制作好，使用时可以直接用，不用火烤也不用收缩，对产品有抱紧力，通过产品的抱紧力加强密封性和爬距。
介绍完毕，接着刚才的讲。

我问领导，为什么只有热缩和冷缩需要定制，预制不需要定制呢？领导说，高海拔是降低了产品表面的爬电距离，所以只有热缩和冷缩需要定制，预制型因为安装在柜子里面，所以不需要定制。
我再问为什么，领导接不下去，不能解释清楚。

我想，领导这样子说，应该是有些原因的，所以对这个细节进行了深究。

首先，得搞清楚海拔和试验电压的关系。为什么高海拔需要提高试验电压？
经过查资料，高海拔时气压低，空气容易电离，爬电距离缩短，所以需要提高试验电压。这个与领导讲的好像有点相似，但是不是完全相同。
楼主就进一步了解，为什么海拔高时，空气就容易电离呢？标准大气压下，为什么空气就不容易电离呢（相对高海拔来说）？
根据楼主查找到的资料和楼主本身的微观粒子学基础，是如下解释的：
1、空气本来是不导电的，当空气两端施加的电压超过了耐受电压时，空气发生电离，状态由绝缘变为导电。
2、当海拔升高时，空气越来越稀薄，密度降低，相同体积内气体分子总数变少，分子间的作用力减少。
3、空气内的分子间的作用力，会阻碍空气电离，当空气密度降低时，分子间距离增大，分子间的作用力减少，施加同样的电压时，由于分子间作用力变小，阻碍空气电离的因素减弱，因此更容易被电离。
4、空气被电离，在空气中的现象为拉电弧、噼里啪啦的响声，在产品表面的现象为爬电（因产品的绝缘强度高于空气，试验电沿着产品表面电离，在产品表面拉电弧，试验结束表面会留下烧灼的痕迹）。

了解了海拔高度与试验电压的关系，再来分析高海拔为什么要提高试验电压？
海拔越高，空气越容易被电离，常规的爬电距离已不够用，换句话说，是靠空气来进行绝缘的产品，其试验电压跟海拔有关系，靠产品厚度来进行绝缘的产品，其实跟海拔的关系不大。
再来说前面的三类产品，热缩型和冷缩型产品，表面都设有伞群来增加爬距（爬电距离的简称），即其产品性能跟空气的绝缘强度有直接关系，那这两种是跟海拔高度有关系的；预制型产品表面有外屏蔽层，是靠产品厚度来进行绝缘，表面是外屏蔽层，为导电材料，不存在爬电距离相关的结构和设计，所以预制型产品与海拔高度无关。

经过这么一番了解，结果居然与领导说的一致！虽然领导解释不清楚，但是领导不愧是领导哇！

朋友，这个其实在1楼里面已经解释了，我给朋友再分享一遍我的理解。

首先要弄明白空气击穿的原理。
百度资料显示：
1、空气成分按体积分数计算是：氮(N2)约占78%，氧(O2)约占21%，稀有气体约占0.939%(氦He、氖Ne、氩Ar、氪Kr、氙Xe、氡Rn),二氧化碳(CO2)约占0.031%，还有其他气体和杂质约占0.03%，如臭氧(O3)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、水蒸气（H2O）等。
2、正常情况下，干燥空气的绝缘强度是30kV/cm。
通过查资料，施加在空气两端的电压在30kV/cm以下，空气是绝缘的，大于30kV/cm，空气被击穿、电离、导通。

这里要重点分析一下，临界点30kV/cm时，空气击穿的过程。前面的资料显示，空气中的成分为各种气体的组合，各种气体都是不导电的，为什么到了30kV/cm就会击穿呢？
物质是绝缘还是导电，取决于是否有可以自由移动的电子。空气是由各种不导电的分子组成，所以正常情况下空气是不导电的，是绝缘的。在外界施加的电压到达30kV/cm时，分子被电离，即组成分子的原子核和核外电子被分开，这时候核外电子在外加电场下定向移动，形成电流，外在表现就是空气由绝缘变为导电，空气击穿。
这一点很重要，一定要捋清楚！
空气导电，是需要将空气电离，将绕原子核旋转的电子从束缚状态变为自由移动的状态才可以实现的，电子挣脱原子核的束缚需要能量，外加的电场就为它提供这个能量，如果外加电场提供的能量不够，它就不能摆脱原子核的束缚，空气的状态就是绝缘体，当外加电场提供的能量能够使核外电子脱离原子核的束缚，那么它就变为了自由电子，满足导电的条件，空气被电离，状态就由绝缘变为导电。

在分子电离的过程，一个分子被电离，核外电子跑掉了，此时失去电子的原子核，由于同性相斥、异性相吸的原理，与其他的电子，附近其他分子的电子，或者已经摆脱原有原子核束缚的电子，如果距离较近，就会把其他的电子吸到它周围，成为它新的电子，组成新的分子（最近也有理论说电子从未摆脱过原子核的束缚，只是能量在相邻的电子之间相互传递，由于这一理论还未被验证，所以还是沿用现有的理论进行解释）。在摆脱原子核束缚的电子定向移动的过程中，会与其他分子中绕核旋转的电子发生碰撞，造成其他分子中的电子发生能级跃迁，如果运动方向一致，则从低能级向高能级跃迁，如果方向相反，则从高能级向低能级跃迁。当其他电子跃迁到最高能级时，如果接收到其他电子运动传递过来的能量，将摆脱原子核的束缚，成为自由电子，反之则向低能级跃迁。
在电离过程中，如果空气密度大，即真空度小，这时候分子距离较近，摆脱了原子核束缚的电子，在受到外加电场定向移动的过程中，很容易与其他未被电离的电子碰撞，由于原子核外的电子有多个能级，所以此时能够吸收掉自由电子传递过来的能量，而不发生电离。当空气密度降低，即真空度升高的过程中，同一体积内的分子数量减少，此时分子被电离，摆脱原子核束缚的电子在外加电场下定向移动时，就有比较小的概率撞到其他分子，因此击穿电压下降。
但是，这有一个极限值。因为空气导电，是需要有空气的。
当空气的密度下降到一定值，真空度提高到一定程度，空气中同一体积内的分子数量急剧减少，此时，能够被电离的分子数就很有限，空气击穿是一个宏观的现象，微观上是需要一定数量的核外电子同时作用才可以有这个宏观现象，当空气的真空度高到一定值，这一现象就很微弱，因此没有足够多的分子可以被电离，当真空度进一步提高，能够被电离的分子更少，此时从微观上来讲，还是有分子被电离，核外电子被外加电场强行从原子核处脱离，达到低电势处，但是由于同时进行这一作用的电子数量太少，不足以形成电离，对于空气来说，可以理解为局部放电。

上面是楼主个人的理解，讲的很细，可能不是很好理解，楼主再想想，怎么以生动形象的比喻，把这一现象解释清楚。

谢谢版主的鼓励，其实楼主之前是不知道这一块，今天和领导说起这事，才感觉到自己疏忽了一个很重要的东西，所以认真去了解下，免得误导其他同事。
经过今天的了解与学习，正好将海拔关系与试验电压的来龙去脉都搞清楚了，就分享给坛友了，希望能够为论坛添砖加瓦吧！