高原环境条件对电器产品的影响

王维思，刘波，冯皓，潘景辉，赵蓉

（中国电器科学研究院有限公司，广州 510000）

引言

我国的地势分布从南到北梯度升高，海拔1 km以上的土地面积约占全国陆地总面积的65 %，2 km以上约占总面积33 %，3 km以上约占总面积16 %，其中云贵高原、青藏高原以及川西高原为典型的高海拔地区[1]。GB/T 20625-2006《特殊环境条件 术语》2.16中对“高原”进行了定义，即按照地理学概念，海拔超过1 km的地域称为高原地区[2]。按此定义，我国65 %的土地面积属于高原地区。对于电器产品海拔超过2 km需按非正常使用环境条件进行处理，因此就出现了高原环境下电器产品环境可靠性问题。

1 环境条件对产品的性能影响

高原地区气候条件具有空气压力或密度低、空气温度较低、空气温度变化大、空气湿度低、太阳辐射照度较高等特点[3]。这些独特的气候特征给电器产品的使用性、安全性、可靠性带来一定的影响。

1.1 大气压强和空气密度对电器产品电气性能的影响

气压与海拔关系密切。在同一高度，大气压随地理纬度的增加而降低，见图1。在（1～5）km范围内，递减率一般为10 kp/km。大气压强和空气密度降低主要体现在对产品的电气安全性、温升及机械性。

图1 空气压力与海拔的关系

1.1.1 对绝缘强度的影响

大气压强的降低会直接引起绝缘材料表面放电能力下降，从而导致绝缘材料的外绝缘能力下降；在电场不均匀的情况下，绝缘程度下降程度表现更加明显。大量的前期试验证明，在海拔5 km以内，每升高1 km，外绝缘强度就会降低（8～13）%。

1.1.2 对电气间隙的影响

产品出厂时都具备固定的电气间隙。随着海拔的升高，大气压强的降低引起击穿电压也随之降低；下降程度与周围电场分布的均匀度有关，电场不均匀程度越大，击穿电压下降的越低[4]。昆明电气科学研究院（以下简称昆明所）对低压电器中常用附件产品包括自动空气开关、继电器、微动开关、主令控制器等进行模拟（0～4）km海拔高度的击穿电压试验研究，通过人工加压的方式验证击穿电压是否受到海拔的影响，试验证明击穿电压随海拔升高而降低[5]，见表1，并在标准GB/T 20626.1-2006中也将电器间隙依据海拔高度进行了系数纠正[6]，为后期高原产品的研发和检测提供了参考依据。

1.1.3 开关设备灭弧性能的影响

大气压强的降低直接引起以空气介质灭弧的开关灭弧性能下降。随着海拔升高电弧的燃弧时间变长、飞弧距离增加;当海拔升高到一定程度时，开关设备的灭弧时间过长甚至会出现电弧无法分断的情况。昆明所通过试验证明，气压对交流电器灭弧性能没有影响，对直流开断电器有影响。同时验证了分断燃弧时间的延长会引起触头的电腐蚀，使点磨损明显增大，缩短触头寿命，加速产品失效[7]。

1.1.4 对介质冷却效应（及温升）的影响

大气压强和空气密度的降低会引起设备温升的增加。对于利用强迫通风、空气自然对流等方式散热的产品来说，散热能力的下降直接带来设备温升的增加，缩短产品的使用寿命。昆明所诸学鲁等开展了（0～4）km海拔条件下常发热低压电器得温升试验，结果显示随海拔得升高呈线性增加趋势[7]。但高原环境温度的降低可以部分或者全部补偿因气压降低而引起的电器产品运行中的温升增加，产品的温升表现并不明显。

1.1.5 对产品机械结构的影响

空气密度的降低直接引起对流散热能力减弱、热元件的动作时间加快，最终使产品的脱扣时间提前。上海电器科学研究所利用人工气候大罐模拟0、2、3、4、5 km不同海拔对产品脱扣性能的影响，结果显示由热原件作为主要脱扣元件的产品，随海拔的升高，产品脱扣时间提前[8]。

1.2 空气温度降低及温度变化(包括日温差)增大的影响

在高原气候的特点中，昼夜温差大、气温随海拔的升高而降低是一个显著的特点，见图2；平均海拔每增加100 m，气温降低0.65 ℃。低温、温差大主要影响材料得老化性和产品结构。昼夜温差大导致产品外壳易变形、龟裂，密封结构易破裂等现象。低温会导致橡胶材料开裂、线圈电阻减小、机械冲击增加，最终导致产品机械寿命和电气寿命降低。

图2 温度与海拔的关系

1.3 空气绝对湿度减小的影响

平均绝对湿度随海拔升高而降低，见图3，高原地区的平均最干湿度基本维持在15 %。绝对湿度降低，直接引起电工产品外绝缘强度降低，干弧放电电压降低[1]。研究表明，海拔每增加100 m，产品的干弧、工频电晕、冲击放电电压相比标准值降低1 %[9]。

图3 最干月湿度与海拔关系

1.4 太阳辐射照度的影响

从图4中可以看出，随着海拔增加，太阳的辐照度也越高。太阳辐射与高分子材料老化性能密切相关，波长小于0.3µm的辐照量虽然很小的，但是对高分子材料的破坏性最大。

图4 太阳辐射度与海拔关系

紫外线可破坏材料的化学键，从而影响材料的物理性能；红外线产生热效应，温度上升，加速了有机材料的老化。在太阳辐照度和温度的综合作用下，加快户外产品的材料老化和龟裂。

2 结语

通过上述文献资料得综述了解到：影响电器产品得主要因素集中在低气压、温差、高辐照。随着产业得不断延伸，电器产品得使用环境越来越多样化，也越来越复杂，高海拔场景下得电器设计和使用仍然存在薄弱环节。结合新科技、新材料、新技术、新应用、新工艺不断完善产品和技术，通过环境试验进行验证考核，发现并消除设计研发中存在得隐患，不断完善产品的可靠性和安全性。