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高原地區(qū)的低氣壓、低溫差、強(qiáng)輻射等特性，會(huì)對(duì)電工電子產(chǎn)品的絕緣性能、散熱性能等造成顯著影響。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20626.1規(guī)定，使用海拔超過(guò)1000米的高低壓電工電子產(chǎn)品，或超過(guò)2000米的低壓電器及低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，定義為高原型電工電子產(chǎn)品。本文將結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，解析高原環(huán)境對(duì)電工電子產(chǎn)品的絕緣性能和散熱性能的影響，提出相應(yīng)解決方案。 

 

一、原因分析

 

高原環(huán)境對(duì)電工電子產(chǎn)品絕緣和散熱性能產(chǎn)生影響的原因分析：

 

1．絕緣性能

 

高原環(huán)境由于氣壓低，空氣密度低，氣體分子間距增大，電子在電場(chǎng)作用下更容易加速并引發(fā)電離，使得空氣的絕緣能力下降，導(dǎo)致以空氣為絕緣介質(zhì)的電工電子產(chǎn)品的絕緣強(qiáng)度降低。

 

2．散熱性能

 

高原環(huán)境空氣密度低，空氣密度較低，空氣分子間距大，熱傳導(dǎo)和對(duì)流過(guò)程中可用于傳遞熱量的介質(zhì)減少，導(dǎo)致熱傳導(dǎo)和對(duì)流散熱效率下降，使得空氣為散熱介質(zhì)的電工電子產(chǎn)品散熱困難，溫升升高。

 

二、驗(yàn)證

 

1.高原環(huán)境對(duì)絕緣性能產(chǎn)生影響的驗(yàn)證

 

研究對(duì)象：采用球頭棒電極（φ10mm）-板工裝。

 

試驗(yàn)條件：利用國(guó)內(nèi)首家可模擬海拔0米~7000米的高海拔人工氣候室，分別模擬海拔2000m、3200m和4000米的氣壓環(huán)境，保持溫度20℃、相對(duì)濕度50%的溫濕度條件。

 

試驗(yàn)方法：采用GB/T 16927.1《高電壓試驗(yàn)技術(shù) 第1部分：一般定義及試驗(yàn)要求》中規(guī)定的升降法，在空氣間隙300mm、400mm、500mm、600mm下進(jìn)行U50工頻放電試驗(yàn)，分別在每個(gè)海拔點(diǎn)每個(gè)間隙下進(jìn)行30次放電試驗(yàn)，驗(yàn)證球頭棒電極（φ10mm）-板空氣間隙U50放電特性，詳見(jiàn)圖1。

 

試驗(yàn)結(jié)果：根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)，在模擬海拔2000米、模擬海拔3200米和模擬海拔4000米的環(huán)境下，擊穿電壓值都出現(xiàn)了下降，這說(shuō)明空氣的絕緣性能隨著海拔的上升而下降。

圖1 不同海拔下球頭棒電極（φ10mm）-板空氣間隙U50放電特性

 

圖2展示了對(duì)于不同的電氣間隙，隨著海拔升高而擊穿電壓值的下降幅度?？梢钥吹?，隨著電氣間隙的增大，下降幅度也在增大，這說(shuō)明隨著電壓等級(jí)越高，海拔對(duì)其影響越大。

 

圖2 不同的電氣間隙隨著海拔升高而擊穿電壓值的下降幅度

 

2.高原環(huán)境對(duì)散熱性能產(chǎn)生影響的驗(yàn)證

 

研究對(duì)象：試驗(yàn)室采用型號(hào)為GCS2500A的低壓成套開(kāi)關(guān)設(shè)備。

 

試驗(yàn)條件：分別模擬海拔2000m、3000m、4000m、5000m的環(huán)境。

 

試驗(yàn)方法：使用GB/T 7251.1-2023、GB/T 7251.2-2023中規(guī)定的溫升試驗(yàn)方法。在眾多測(cè)試點(diǎn)中共選取96個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，測(cè)試點(diǎn)主要分布在斷路器進(jìn)出線端、母排連接處、熱繼電器進(jìn)出線端、抽屜功能單元出線端、絕緣手柄和金屬外殼上，代表了不同的發(fā)熱量和溫度區(qū)間，詳見(jiàn)圖3。

圖3 低壓成套柜的溫升測(cè)試點(diǎn)示意圖

 

圖4 低壓成套柜不同海拔下各測(cè)試點(diǎn)溫升值

試驗(yàn)結(jié)果：由圖4可知，各測(cè)量點(diǎn)溫升隨海拔升高而遞增，且溫升絕對(duì)值越大，海拔變化對(duì)其影響越顯著。

 

如果以每20K作為分界，以最高溫升值來(lái)看，隨著海拔逐級(jí)升高，在溫升值處于0~20K和20K～40K區(qū)間，海拔每升高1000m溫升值增加在2K以內(nèi)；在溫升值處于40K～60K區(qū)間，海拔每升高1000m溫升值增加在3K以內(nèi)；在溫升值大于60K區(qū)間時(shí)，海拔每升高1000m溫升值增加都在6K以內(nèi)；4000m比3000m平均增加99.3%，5000m比4000m平均增加130.6%。可以得出，海拔對(duì)溫升的影響呈現(xiàn)加速效應(yīng)，每千米影響強(qiáng)度隨基礎(chǔ)溫升值提高而增大（詳見(jiàn)圖5）。

 

圖5 低壓成套柜不同溫升區(qū)間的溫升增加值

 

三、解決方案

 

為減少高海拔對(duì)電工電子產(chǎn)品絕緣性能和散熱性能的影響，針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出以下解決方案：

 

1. 絕緣性能提升方案

 

增加電氣間隙和爬電距離

 

增加輔助絕緣材料，如在不同的極間或者極對(duì)地間增加絕緣隔板

 

風(fēng)險(xiǎn)警示：

 

未達(dá)標(biāo)設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致：

發(fā)生絕緣擊穿現(xiàn)象

引發(fā)短路事故

 

2、散熱系統(tǒng)優(yōu)化方案

增加載流導(dǎo)體尺寸來(lái)增強(qiáng)散熱性能

采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式來(lái)彌補(bǔ)散熱性能的下降

按制造廠定的海拔降容系數(shù)來(lái)降低容量使用

 

風(fēng)險(xiǎn)警示：

散熱不足將導(dǎo)致：

絕緣材料和內(nèi)部元件加速老化，電氣連接失效，使用壽命縮短，引發(fā)安全事故