孙立军，蔡汝山

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610）

1 引言

高原在我国陆地面积中占有相当的比重，海拔1000 m以上的土地面积约占全国陆地总面积的60%左右，2000 m以上的面积约占33%，3000 m以上的面积占16%。随着我国大力开发西部地区战略的实施，以及维护国家统一的形势的需要，开展高原环境对电工电子产品环境适应性调查研究有着非常重要的意义。

在全国气候的划分中，青藏高原被单独划分出来，称为 “青藏高原气候区域”，气候的基本特点是太阳辐射强烈，气温低，日夜温差大，干湿季节分明等；同时，随着地势和海拔的不同，气候变化呈一定的规律性，大体上，每上升100 m，气温降低0.6℃。另外，由于高原有不同的地貌，其局部气候也有显著的不同，甚至有 “十里不同天”的现象[1]。

2 高原环境的影响

本文主要阐述低气压、低温、日夜温差、太阳辐射、雷击与静电等环境因素对电工电子产品的影响。

2.1 低气压的影响

首先，低气压会降低发动机的功率；同时，因为整机匹配性能和动力性能发生变化，造成整机动力性、速度性、经济性及生产效率均下降严重[2-5]。对于电工电子产品而言，有以下几种影响：

a）对绝缘介质强度的影响

随着海拔的增加，外绝缘放电电压会相应地降低。主要是因为海拔变化，大气参数发生改变，受空气密度和湿度的影响，外绝缘随着空气密度减小和湿度的降低而降低。在海拔5000 m范围内，每升高 1000 m， 即平均气压每降低 （7.7～10.5）kPa，外绝缘强度降低8%～13%[6-7]。

b）对电气间隙击穿电压的影响

对于设计定型的产品，由于电气间隙已固定，随着空气压力的降低，其击穿电压也下降，为了保证产品在高原使用时有足够的耐击穿能力，必须增加电气间隙，其修正系数参见参考文献 [6]。

c）对电晕及放电电压的影响

高海拔、低气压使高压电机的局部放电起始电压降低、电晕起始电压降低、电晕腐蚀严重，主要原因是空气稀薄，分子间的距离加大，离子的自由行程加大，因而起晕电压降低。例如，处于高海拔地区的桥头电厂5＃发电机组 （2.5×104kW，6.3×103V），当电压升到1.7×103V时开始听到放电声音，升到2.5×103V时开始见到电晕火花，升到3.6×103V就能看到严重的电晕现象，在6.3×103V的额定电压下，电晕更严重并有臭氧气味[2]。另外，低气压使电力电容器的内部气压下降，导致局部放电起始电压降低，使避雷器内腔气压降低，导致工频放电电压降低。

d）对开关电器灭弧性能的影响

空气压力或空气密度的降低使空气介质灭弧的开关电器灭弧性能降低，通断能力下降和电寿命缩短。直流电弧的燃弧时间随海拔升高而延长，直流与交流电弧的飞弧距离随海拔升高而增加[6]。

e）对介质冷却的影响

空气压力降低引起空气介质冷却效应降低。对于自然对流、强迫通风或空气散热器为主要散热方式的电工产品，由于散热能力下降，温升增加。在海拔5000 m范围内，每升高1000 m，即平均气压每降低 （7.7～10.5）kPa， 温升增加 3%～10%。静止电器的温升随海拔升高的增加率，每100 m一般在0.4 K以内，但对于高发热电器，如电炉、电阻器、电焊机，其温升随海拔升高的增加率2 K以上。

电力变压器温升与海拔与冷却方式有关，其增加率为每100 m，油浸自冷为额定温升的0.4%，干式自冷为额定温升的0.5%，油浸强迫风冷为额定温升的为0.6%，干式强迫风冷为额定温升的1.0%。电机温升随海拔的增加而增加，每升高100 m为额定温升为0.4%[6]。

f）对密封等结构的影响

空气压力的降低，会引起低密度、低浓度和多孔性材料 （如电工绝缘材料、隔热材料等）的物理和化学性质发生变化；润滑剂的蒸发及塑料制品中的增塑剂挥发加速；气体或液体容易从密封容器中泄漏或泄漏率增大；对密封有要求的电工产品，也会间接影响到其电气性能；引起受压容器所承受的压力发生变化，容易导致受压容器破裂[2，6]。

2.2 低温的影响

高原低温对内燃机而言，会导致冷起动困难，低温加上高原缺氧和低气压，使得内燃机的着火起动性能较差。

低温会影响蓄电池的工作性能，低温使得硫酸电解液的粘度增大，负极活性物质早期钝化，影响电解液在极板内的扩散速度，使铅蓄电池的基本化学反应在缺乏电解液的情况下，只能在极板的表面不完全地进行。影响电机的起动性能。低温对电机散热有利，但对小型电机的起动有一定的影响。由于气温低，使得润滑脂稠度增大或者凝固冻结，引起静态力矩增加，起动变得困难，同时加速轴承磨损，影响油料流动性。现有的低凝液压油的粘度指数尚偏低，虽然其凝点在－40℃以下，但作为液压系统传递扭矩的介质来说，在凝点以上十几度时已无良好的流动性，不能适应于低温工作区工作的要求[2， 7]。

在低温下，沥青绝缘胶有开裂现象，到潮湿时会影响绝缘性能，绝缘材料的机械性能有所下降，明显地变硬、变脆。橡胶密封件经低温试验表明，随着温度的下降，其机械性能呈下降趋势。以丁苯基天然橡胶电缆护套为例，-30℃下易折、易剥裂[2，7]。

另外，高原环境空气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工产品运行中的温升增加。同时，其它设备因气压降低而散热困难导致温度升高，低温也能起到部分或者全部补偿的作用[6]。

2.3 日温差的影响

在高原气候的特点中，日温差大是一个显著的特点，容易引起材料的热胀冷缩变化剧烈，使得产品密封不易保持，密封材料老化快，产生渗漏。昼夜温差大，加上低温，使得仪表中线性元件特性发生线性变化，测试仪表 （包括压力表、液压表、流量计等）普遍存在精度降低、重复性差，零点漂移严重等。温差大，温度变化快，产品外绝缘表面容易产生凝露，在低气压、污秽等综合作用下，绝缘强度下降，易产生运行电压的绝缘闪络事故[4，8]。

2.4 太阳辐射的影响

到达地面的太阳辐射对高分子材料性能有着较为密切的关系，尽管到达地球表面、波长小于0.30 μm的辐射量是很小的，但它的光能量却很大，对许多高分子材料的破坏性很大，能够切断很多有机材料的化学键，对有机材料的老化效应可能很显著。不同分子结构的有机材料，对于紫外线的吸收是有选择性的，表1中列举部分高分子材料敏感波长。紫外线对有机高分子材料性能影响很大，是引起材料老化的主要因素。太阳光中的红外线产生热效应，温度上升，加速了有机材料的老化。

表1 部分高分子材料敏感波长

实际情况下，太阳辐射对有机材料的损害大小，除与其化学键能大小等因素有关外，与其分子键密度也有关。热固性塑料分子键呈网状结构，密度相对较大，光老化裂解作用对其性能影响较小，而对热塑性的性能影响较大。

太阳辐射强烈，温差变化大的综合作用，会加速油漆涂层的老化和龟裂。据分析，油漆涂层的光老化属于光氧老化，其速度不仅和太阳光的辐射强度和辐射总量有关，也和大气中的水分、氧气、温度、湿度都有关系。虽然高原地区的太阳辐射强度和总量比较大，但气候干燥，空气稀薄，温度低，大气中的水分和含氧量等没有湿热带高，所以高原气候对油漆涂层的影响没有湿热带强烈[2]。从我们开展的试验结果来看，这证明了金属防腐涂层老化在西沙湿热环境下比高原环境下老化明显，但高原环境条件下，油漆涂层变色现象更为明显。

另外，按照一些推理认为[2]，高原地区户外用的电机，由于运行时发热，加之太阳的直接照射，按理会超过温升限度，但从调查中反映，电机过热的现象并不明显，这是由于高原地区低温的补偿作用。

2.5 空气湿度的影响

平均相对湿度随海拔升高而降低，绝对湿度降低时，电工产品的外绝缘强度降低，干弧放电电压降低[2，6]。有研究表明，海拔每增加100 m，产品的工频电晕、干弧、湿弧、冲击放电电压一般较标准状况降低1%[8]。

2.6 雷击与静电的影响

高原地区雷暴天气较多，且气候干燥，容易产生静电。对拉萨市某单位2004年至2009年室内电子设备的使用情况进行调研，电子设备发生故障共9次，故障分类统计如图1所示：

图1 某单位室内电子设备故障分类统计

从图中可以看出，雷击 （或可能为雷击）导致设备损坏共5次，占总故障数的55.6%；静电导致设备损坏共2次，占22.2%；其它故障（故障原因不明）共2次，雷击与静电对电子产品影响较为明显。拉萨市的海拔为3650 m左右，该单位使用的设备电子设备在空调室内使用，天线与电源线路均在室外，由于设备研制过程中已考虑部分高原环境的特点，因此未出现与低气压、温度等环境因素相关的明显的故障现象。

关于雷击方式有直击雷和间接雷两种。直击雷对设备的破坏极大，但在避雷针防护下很少发生；间接雷电对电子设备影响较大的3种危害分别有：闪电电流产生的高电压、静电感应效应和电磁场效应，可能导致产品不能正常工作，甚至烧毁设备或其中元器件。对于直击雷的防护，主要采用避雷针防护，需要注意的是高原在旱季地下水位较低，土壤较为干燥，需注意避雷针的接地效果；针对间接雷的防护，可采用对关键部位加装防雷器件以及系统接地等方式。

3 结束语

通过文献资料的综述与调研，可以看出高原地区，对电工电子产品影响较大的环境因素为：低气压、低温、日夜温差、太阳辐射、雷击与静电等。高原地区使用的电工电子产品，在研制阶段，有针对性地提出防护措施，例如：采用灌封措施、密封设计、温度调节设计、功率组件降额与优化设计、防雷设计，在材料与元器件的选用方面，尽可能地选用耐低温、防紫外线的材料。然后通过环境试验（高温、低温、低气压、太阳辐射等等）进行验证与考核，发现并消除设计中存在的隐患，从而提高电工电子产品环境适应性能力。同时，在使用过程中，需着重考虑以上几种环境因素的影响，加强防护措施，例如改善设备使用环境，安装避雷装置等，减少环境对产品的危害。

[1] 郭长建.中国西藏基本情况丛书－西藏地理 [M].北京：五洲传播出版社，2002：1-39.

[2] 刘奎芳.高原环境条件及其对机电产品的影响 [J].环境技术， 1999， （5）： 18-22.

[3] 靳生盛.高原环境对工程机械运行可靠性的影响 [J].青海交通科技，2004， （6）：43-44.

[4] 申智杰.青藏高原环境对施工机械的影响及设备选型[J].建筑机械化，2001， （6）：23-25.

[5] 叶有义.高原环境对军用油料装备柴油动力性能影响分析 [J].后勤工程学院学报，2004， （1）：79-81.

[6] JB/T 7573－1994，高原环境条件下电工产品通用技术条件[S].

[7] 文华，蒋石林.高原环境条件及其对输配电设备的影响[J].云南电力技术，2001，29（21）：5-7.

[8] 王立治.青藏高原铁路供配电设备选用的构想 [J].铁路标准设计，2001， （5）：45-47.