高原環境條件對電器產品的影響

王維思，劉波，馮皓，潘景輝，趙蓉

（中國電器科學研究院有限公司，廣州 510000）

引言

我國的地勢分布從南到北梯度升高，海拔1 km以上的土地面積約占全國陸地總面積的65 %，2 km以上約占總面積33 %，3 km以上約占總面積16 %，其中云貴高原、青藏高原以及川西高原為典型的高海拔地區[1]。GB/T 20625-2006《特殊環境條件 術語》2.16中對“高原”進行了定義，即按照地理學概念，海拔超過1 km的地域稱為高原地區[2]。按此定義，我國65 %的土地面積屬于高原地區。對于電器產品海拔超過2 km需按非正常使用環境條件進行處理，因此就出現了高原環境下電器產品環境可靠性問題。

1 環境條件對產品的性能影響

高原地區氣候條件具有空氣壓力或密度低、空氣溫度較低、空氣溫度變化大、空氣濕度低、太陽輻射照度較高等特點[3]。這些獨特的氣候特征給電器產品的使用性、安全性、可靠性帶來一定的影響。

1.1 大氣壓強和空氣密度對電器產品電氣性能的影響

氣壓與海拔關系密切。在同一高度，大氣壓隨地理緯度的增加而降低，見圖1。在（1～5）km范圍內，遞減率一般為10 kp/km。大氣壓強和空氣密度降低主要體現在對產品的電氣安全性、溫升及機械性。

圖1 空氣壓力與海拔的關系

1.1.1 對絕緣強度的影響

大氣壓強的降低會直接引起絕緣材料表面放電能力下降，從而導致絕緣材料的外絕緣能力下降；在電場不均勻的情況下，絕緣程度下降程度表現更加明顯。大量的前期試驗證明，在海拔5 km以內，每升高1 km，外絕緣強度就會降低（8～13）%。

1.1.2 對電氣間隙的影響

產品出廠時都具備固定的電氣間隙。隨著海拔的升高，大氣壓強的降低引起擊穿電壓也隨之降低；下降程度與周圍電場分布的均勻度有關，電場不均勻程度越大，擊穿電壓下降的越低[4]。昆明電氣科學研究院（以下簡稱昆明所）對低壓電器中常用附件產品包括自動空氣開關、繼電器、微動開關、主令控制器等進行模擬（0～4）km海拔高度的擊穿電壓試驗研究，通過人工加壓的方式驗證擊穿電壓是否受到海拔的影響，試驗證明擊穿電壓隨海拔升高而降低[5]，見表1，并在標準GB/T 20626.1-2006中也將電器間隙依據海拔高度進行了系數糾正[6]，為后期高原產品的研發和檢測提供了參考依據。

1.1.3 開關設備滅弧性能的影響

大氣壓強的降低直接引起以空氣介質滅弧的開關滅弧性能下降。隨著海拔升高電弧的燃弧時間變長、飛弧距離增加;當海拔升高到一定程度時，開關設備的滅弧時間過長甚至會出現電弧無法分斷的情況。昆明所通過試驗證明，氣壓對交流電器滅弧性能沒有影響，對直流開斷電器有影響。同時驗證了分斷燃弧時間的延長會引起觸頭的電腐蝕，使點磨損明顯增大，縮短觸頭壽命，加速產品失效[7]。

1.1.4 對介質冷卻效應（及溫升）的影響

大氣壓強和空氣密度的降低會引起設備溫升的增加。對于利用強迫通風、空氣自然對流等方式散熱的產品來說，散熱能力的下降直接帶來設備溫升的增加，縮短產品的使用壽命。昆明所諸學魯等開展了（0～4）km海拔條件下常發熱低壓電器得溫升試驗，結果顯示隨海拔得升高呈線性增加趨勢[7]。但高原環境溫度的降低可以部分或者全部補償因氣壓降低而引起的電器產品運行中的溫升增加，產品的溫升表現并不明顯。

1.1.5 對產品機械結構的影響

空氣密度的降低直接引起對流散熱能力減弱、熱元件的動作時間加快，最終使產品的脫扣時間提前。上海電器科學研究所利用人工氣候大罐模擬0、2、3、4、5 km不同海拔對產品脫扣性能的影響，結果顯示由熱原件作為主要脫扣元件的產品，隨海拔的升高，產品脫扣時間提前[8]。

1.2 空氣溫度降低及溫度變化(包括日溫差)增大的影響

在高原氣候的特點中，晝夜溫差大、氣溫隨海拔的升高而降低是一個顯著的特點，見圖2；平均海拔每增加100 m，氣溫降低0.65 ℃。低溫、溫差大主要影響材料得老化性和產品結構。晝夜溫差大導致產品外殼易變形、龜裂，密封結構易破裂等現象。低溫會導致橡膠材料開裂、線圈電阻減小、機械沖擊增加，最終導致產品機械壽命和電氣壽命降低。

圖2 溫度與海拔的關系

1.3 空氣絕對濕度減小的影響

平均絕對濕度隨海拔升高而降低，見圖3，高原地區的平均最干濕度基本維持在15 %。絕對濕度降低，直接引起電工產品外絕緣強度降低，干弧放電電壓降低[1]。研究表明，海拔每增加100 m，產品的干弧、工頻電暈、沖擊放電電壓相比標準值降低1 %[9]。

圖3 最干月濕度與海拔關系

1.4 太陽輻射照度的影響

從圖4中可以看出，隨著海拔增加，太陽的輻照度也越高。太陽輻射與高分子材料老化性能密切相關，波長小于0.3μm的輻照量雖然很小的，但是對高分子材料的破壞性最大。

圖4 太陽輻射度與海拔關系

紫外線可破壞材料的化學鍵，從而影響材料的物理性能；紅外線產生熱效應，溫度上升，加速了有機材料的老化。在太陽輻照度和溫度的綜合作用下，加快戶外產品的材料老化和龜裂。

2 結語

通過上述文獻資料得綜述了解到：影響電器產品得主要因素集中在低氣壓、溫差、高輻照。隨著產業得不斷延伸，電器產品得使用環境越來越多樣化，也越來越復雜，高海拔場景下得電器設計和使用仍然存在薄弱環節。結合新科技、新材料、新技術、新應用、新工藝不斷完善產品和技術，通過環境試驗進行驗證考核，發現并消除設計研發中存在得隱患，不斷完善產品的可靠性和安全性。