孫立軍，蔡汝山

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510610）

1 引言

高原在我國(guó)陸地面積中占有相當(dāng)?shù)谋戎?，海?000 m以上的土地面積約占全國(guó)陸地總面積的60%左右，2000 m以上的面積約占33%，3000 m以上的面積占16%。隨著我國(guó)大力開發(fā)西部地區(qū)戰(zhàn)略的實(shí)施，以及維護(hù)國(guó)家統(tǒng)一的形勢(shì)的需要，開展高原環(huán)境對(duì)電工電子產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性調(diào)查研究有著非常重要的意義。

在全國(guó)氣候的劃分中，青藏高原被單獨(dú)劃分出來(lái)，稱為 “青藏高原氣候區(qū)域”，氣候的基本特點(diǎn)是太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，氣溫低，日夜溫差大，干濕季節(jié)分明等；同時(shí)，隨著地勢(shì)和海拔的不同，氣候變化呈一定的規(guī)律性，大體上，每上升100 m，氣溫降低0.6℃。另外，由于高原有不同的地貌，其局部氣候也有顯著的不同，甚至有 “十里不同天”的現(xiàn)象[1]。

2 高原環(huán)境的影響

本文主要闡述低氣壓、低溫、日夜溫差、太陽(yáng)輻射、雷擊與靜電等環(huán)境因素對(duì)電工電子產(chǎn)品的影響。

2.1 低氣壓的影響

首先，低氣壓會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)的功率；同時(shí)，因?yàn)檎麢C(jī)匹配性能和動(dòng)力性能發(fā)生變化，造成整機(jī)動(dòng)力性、速度性、經(jīng)濟(jì)性及生產(chǎn)效率均下降嚴(yán)重[2-5]。對(duì)于電工電子產(chǎn)品而言，有以下幾種影響：

a）對(duì)絕緣介質(zhì)強(qiáng)度的影響

隨著海拔的增加，外絕緣放電電壓會(huì)相應(yīng)地降低。主要是因?yàn)楹０巫兓髿鈪?shù)發(fā)生改變，受空氣密度和濕度的影響，外絕緣隨著空氣密度減小和濕度的降低而降低。在海拔5000 m范圍內(nèi)，每升高 1000 m， 即平均氣壓每降低 （7.7～10.5）kPa，外絕緣強(qiáng)度降低8%～13%[6-7]。

b）對(duì)電氣間隙擊穿電壓的影響

對(duì)于設(shè)計(jì)定型的產(chǎn)品，由于電氣間隙已固定，隨著空氣壓力的降低，其擊穿電壓也下降，為了保證產(chǎn)品在高原使用時(shí)有足夠的耐擊穿能力，必須增加電氣間隙，其修正系數(shù)參見參考文獻(xiàn) [6]。

c）對(duì)電暈及放電電壓的影響

高海拔、低氣壓使高壓電機(jī)的局部放電起始電壓降低、電暈起始電壓降低、電暈腐蝕嚴(yán)重，主要原因是空氣稀薄，分子間的距離加大，離子的自由行程加大，因而起暈電壓降低。例如，處于高海拔地區(qū)的橋頭電廠5＃發(fā)電機(jī)組 （2.5×104kW，6.3×103V），當(dāng)電壓升到1.7×103V時(shí)開始聽到放電聲音，升到2.5×103V時(shí)開始見到電暈火花，升到3.6×103V就能看到嚴(yán)重的電暈現(xiàn)象，在6.3×103V的額定電壓下，電暈更嚴(yán)重并有臭氧氣味[2]。另外，低氣壓使電力電容器的內(nèi)部氣壓下降，導(dǎo)致局部放電起始電壓降低，使避雷器內(nèi)腔氣壓降低，導(dǎo)致工頻放電電壓降低。

d）對(duì)開關(guān)電器滅弧性能的影響

空氣壓力或空氣密度的降低使空氣介質(zhì)滅弧的開關(guān)電器滅弧性能降低，通斷能力下降和電壽命縮短。直流電弧的燃弧時(shí)間隨海拔升高而延長(zhǎng)，直流與交流電弧的飛弧距離隨海拔升高而增加[6]。

e）對(duì)介質(zhì)冷卻的影響

空氣壓力降低引起空氣介質(zhì)冷卻效應(yīng)降低。對(duì)于自然對(duì)流、強(qiáng)迫通風(fēng)或空氣散熱器為主要散熱方式的電工產(chǎn)品，由于散熱能力下降，溫升增加。在海拔5000 m范圍內(nèi)，每升高1000 m，即平均氣壓每降低 （7.7～10.5）kPa， 溫升增加 3%～10%。靜止電器的溫升隨海拔升高的增加率，每100 m一般在0.4 K以內(nèi)，但對(duì)于高發(fā)熱電器，如電爐、電阻器、電焊機(jī)，其溫升隨海拔升高的增加率2 K以上。

電力變壓器溫升與海拔與冷卻方式有關(guān)，其增加率為每100 m，油浸自冷為額定溫升的0.4%，干式自冷為額定溫升的0.5%，油浸強(qiáng)迫風(fēng)冷為額定溫升的為0.6%，干式強(qiáng)迫風(fēng)冷為額定溫升的1.0%。電機(jī)溫升隨海拔的增加而增加，每升高100 m為額定溫升為0.4%[6]。

f）對(duì)密封等結(jié)構(gòu)的影響

空氣壓力的降低，會(huì)引起低密度、低濃度和多孔性材料 （如電工絕緣材料、隔熱材料等）的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化；潤(rùn)滑劑的蒸發(fā)及塑料制品中的增塑劑揮發(fā)加速；氣體或液體容易從密封容器中泄漏或泄漏率增大；對(duì)密封有要求的電工產(chǎn)品，也會(huì)間接影響到其電氣性能；引起受壓容器所承受的壓力發(fā)生變化，容易導(dǎo)致受壓容器破裂[2，6]。

2.2 低溫的影響

高原低溫對(duì)內(nèi)燃機(jī)而言，會(huì)導(dǎo)致冷起動(dòng)困難，低溫加上高原缺氧和低氣壓，使得內(nèi)燃機(jī)的著火起動(dòng)性能較差。

低溫會(huì)影響蓄電池的工作性能，低溫使得硫酸電解液的粘度增大，負(fù)極活性物質(zhì)早期鈍化，影響電解液在極板內(nèi)的擴(kuò)散速度，使鉛蓄電池的基本化學(xué)反應(yīng)在缺乏電解液的情況下，只能在極板的表面不完全地進(jìn)行。影響電機(jī)的起動(dòng)性能。低溫對(duì)電機(jī)散熱有利，但對(duì)小型電機(jī)的起動(dòng)有一定的影響。由于氣溫低，使得潤(rùn)滑脂稠度增大或者凝固凍結(jié)，引起靜態(tài)力矩增加，起動(dòng)變得困難，同時(shí)加速軸承磨損，影響油料流動(dòng)性?，F(xiàn)有的低凝液壓油的粘度指數(shù)尚偏低，雖然其凝點(diǎn)在－40℃以下，但作為液壓系統(tǒng)傳遞扭矩的介質(zhì)來(lái)說(shuō)，在凝點(diǎn)以上十幾度時(shí)已無(wú)良好的流動(dòng)性，不能適應(yīng)于低溫工作區(qū)工作的要求[2， 7]。

在低溫下，瀝青絕緣膠有開裂現(xiàn)象，到潮濕時(shí)會(huì)影響絕緣性能，絕緣材料的機(jī)械性能有所下降，明顯地變硬、變脆。橡膠密封件經(jīng)低溫試驗(yàn)表明，隨著溫度的下降，其機(jī)械性能呈下降趨勢(shì)。以丁苯基天然橡膠電纜護(hù)套為例，-30℃下易折、易剝裂[2，7]。

另外，高原環(huán)境空氣溫度的降低可以部分或者全部補(bǔ)償因氣壓降低而引起的電工產(chǎn)品運(yùn)行中的溫升增加。同時(shí)，其它設(shè)備因氣壓降低而散熱困難導(dǎo)致溫度升高，低溫也能起到部分或者全部補(bǔ)償?shù)淖饔肹6]。

2.3 日溫差的影響

在高原氣候的特點(diǎn)中，日溫差大是一個(gè)顯著的特點(diǎn)，容易引起材料的熱脹冷縮變化劇烈，使得產(chǎn)品密封不易保持，密封材料老化快，產(chǎn)生滲漏。晝夜溫差大，加上低溫，使得儀表中線性元件特性發(fā)生線性變化，測(cè)試儀表 （包括壓力表、液壓表、流量計(jì)等）普遍存在精度降低、重復(fù)性差，零點(diǎn)漂移嚴(yán)重等。溫差大，溫度變化快，產(chǎn)品外絕緣表面容易產(chǎn)生凝露，在低氣壓、污穢等綜合作用下，絕緣強(qiáng)度下降，易產(chǎn)生運(yùn)行電壓的絕緣閃絡(luò)事故[4，8]。

2.4 太陽(yáng)輻射的影響

到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射對(duì)高分子材料性能有著較為密切的關(guān)系，盡管到達(dá)地球表面、波長(zhǎng)小于0.30 μm的輻射量是很小的，但它的光能量卻很大，對(duì)許多高分子材料的破壞性很大，能夠切斷很多有機(jī)材料的化學(xué)鍵，對(duì)有機(jī)材料的老化效應(yīng)可能很顯著。不同分子結(jié)構(gòu)的有機(jī)材料，對(duì)于紫外線的吸收是有選擇性的，表1中列舉部分高分子材料敏感波長(zhǎng)。紫外線對(duì)有機(jī)高分子材料性能影響很大，是引起材料老化的主要因素。太陽(yáng)光中的紅外線產(chǎn)生熱效應(yīng)，溫度上升，加速了有機(jī)材料的老化。

表1 部分高分子材料敏感波長(zhǎng)

實(shí)際情況下，太陽(yáng)輻射對(duì)有機(jī)材料的損害大小，除與其化學(xué)鍵能大小等因素有關(guān)外，與其分子鍵密度也有關(guān)。熱固性塑料分子鍵呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，密度相對(duì)較大，光老化裂解作用對(duì)其性能影響較小，而對(duì)熱塑性的性能影響較大。

太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈，溫差變化大的綜合作用，會(huì)加速油漆涂層的老化和龜裂。據(jù)分析，油漆涂層的光老化屬于光氧老化，其速度不僅和太陽(yáng)光的輻射強(qiáng)度和輻射總量有關(guān)，也和大氣中的水分、氧氣、溫度、濕度都有關(guān)系。雖然高原地區(qū)的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和總量比較大，但氣候干燥，空氣稀薄，溫度低，大氣中的水分和含氧量等沒(méi)有濕熱帶高，所以高原氣候?qū)τ推嵬繉拥挠绊憶](méi)有濕熱帶強(qiáng)烈[2]。從我們開展的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，這證明了金屬防腐涂層老化在西沙濕熱環(huán)境下比高原環(huán)境下老化明顯，但高原環(huán)境條件下，油漆涂層變色現(xiàn)象更為明顯。

另外，按照一些推理認(rèn)為[2]，高原地區(qū)戶外用的電機(jī)，由于運(yùn)行時(shí)發(fā)熱，加之太陽(yáng)的直接照射，按理會(huì)超過(guò)溫升限度，但從調(diào)查中反映，電機(jī)過(guò)熱的現(xiàn)象并不明顯，這是由于高原地區(qū)低溫的補(bǔ)償作用。

2.5 空氣濕度的影響

平均相對(duì)濕度隨海拔升高而降低，絕對(duì)濕度降低時(shí)，電工產(chǎn)品的外絕緣強(qiáng)度降低，干弧放電電壓降低[2，6]。有研究表明，海拔每增加100 m，產(chǎn)品的工頻電暈、干弧、濕弧、沖擊放電電壓一般較標(biāo)準(zhǔn)狀況降低1%[8]。

2.6 雷擊與靜電的影響

高原地區(qū)雷暴天氣較多，且氣候干燥，容易產(chǎn)生靜電。對(duì)拉薩市某單位2004年至2009年室內(nèi)電子設(shè)備的使用情況進(jìn)行調(diào)研，電子設(shè)備發(fā)生故障共9次，故障分類統(tǒng)計(jì)如圖1所示：

圖1 某單位室內(nèi)電子設(shè)備故障分類統(tǒng)計(jì)

從圖中可以看出，雷擊 （或可能為雷擊）導(dǎo)致設(shè)備損壞共5次，占總故障數(shù)的55.6%；靜電導(dǎo)致設(shè)備損壞共2次，占22.2%；其它故障（故障原因不明）共2次，雷擊與靜電對(duì)電子產(chǎn)品影響較為明顯。拉薩市的海拔為3650 m左右，該單位使用的設(shè)備電子設(shè)備在空調(diào)室內(nèi)使用，天線與電源線路均在室外，由于設(shè)備研制過(guò)程中已考慮部分高原環(huán)境的特點(diǎn)，因此未出現(xiàn)與低氣壓、溫度等環(huán)境因素相關(guān)的明顯的故障現(xiàn)象。

關(guān)于雷擊方式有直擊雷和間接雷兩種。直擊雷對(duì)設(shè)備的破壞極大，但在避雷針?lè)雷o(hù)下很少發(fā)生；間接雷電對(duì)電子設(shè)備影響較大的3種危害分別有：閃電電流產(chǎn)生的高電壓、靜電感應(yīng)效應(yīng)和電磁場(chǎng)效應(yīng)，可能導(dǎo)致產(chǎn)品不能正常工作，甚至燒毀設(shè)備或其中元器件。對(duì)于直擊雷的防護(hù)，主要采用避雷針?lè)雷o(hù)，需要注意的是高原在旱季地下水位較低，土壤較為干燥，需注意避雷針的接地效果；針對(duì)間接雷的防護(hù)，可采用對(duì)關(guān)鍵部位加裝防雷器件以及系統(tǒng)接地等方式。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)文獻(xiàn)資料的綜述與調(diào)研，可以看出高原地區(qū)，對(duì)電工電子產(chǎn)品影響較大的環(huán)境因素為：低氣壓、低溫、日夜溫差、太陽(yáng)輻射、雷擊與靜電等。高原地區(qū)使用的電工電子產(chǎn)品，在研制階段，有針對(duì)性地提出防護(hù)措施，例如：采用灌封措施、密封設(shè)計(jì)、溫度調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)、功率組件降額與優(yōu)化設(shè)計(jì)、防雷設(shè)計(jì)，在材料與元器件的選用方面，盡可能地選用耐低溫、防紫外線的材料。然后通過(guò)環(huán)境試驗(yàn)（高溫、低溫、低氣壓、太陽(yáng)輻射等等）進(jìn)行驗(yàn)證與考核，發(fā)現(xiàn)并消除設(shè)計(jì)中存在的隱患，從而提高電工電子產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性能力。同時(shí)，在使用過(guò)程中，需著重考慮以上幾種環(huán)境因素的影響，加強(qiáng)防護(hù)措施，例如改善設(shè)備使用環(huán)境，安裝避雷裝置等，減少環(huán)境對(duì)產(chǎn)品的危害。

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