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(qū)[1]。GB/T 20625-2006《特殊環(huán)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(qū)[2]。按此定義，我國65 %的土地面積屬于高原地區(qū)。對于電器產(chǎn)品海拔超過2 km需按非正常使用環(huán)境條件進行處理，因此就出現(xiàn)了高原環(huán)境下電器產(chǎn)品環(huán)境可靠性問題。

1 環(huán)境條件對產(chǎn)品的性能影響

高原地區(qū)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)，遞減率一般為10 kp/km。大氣壓強和空氣密度降低主要體現(xiàn)在對產(chǎn)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(xiàn)更加明顯。大量的前期試驗證明，在海拔5 km以內(nèi)，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(chǎn)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(chǎn)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(jù)海拔高度進行了系數(shù)糾正[6]，為后期高原產(chǎn)品的研發(fā)和檢測提供了參考依據(jù)。

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(zhì)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(xiàn)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(chǎn)品失效[7]。

1.1.4 對介質(zhì)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(chǎn)品來說，散熱能力的下降直接帶來設備溫升的增加，縮短產(chǎn)品的使用壽命。昆明所諸學魯?shù)乳_展了（0～4）km海拔條件下常發(fā)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(huán)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(chǎn)品運行中的溫升增加，產(chǎn)品的溫升表現(xiàn)并不明顯。

1.1.5 對產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品，隨海拔的升高，產(chǎn)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(chǎn)品結構。晝夜溫差大導致產(chǎn)品外殼易變形、龜裂，密封結構易破裂等現(xiàn)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(chǎn)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(qū)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)品得主要因素集中在低氣壓、溫差、高輻照。隨著產(chǎn)業(yè)得不斷延伸，電器產(chǎn)品得使用環(huán)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(huán)節(jié)。結合新科技、新材料、新技術、新應用、新工藝不斷完善產(chǎn)品和技術，通過環(huán)境試驗進行驗證考核，發(fā)現(xiàn)并消除設計研發(fā)中存在得隱患，不斷完善產(chǎn)品的可靠性和安全性。