高原地区的低气压、低温差、强辐射等特性，会对电工电子产品的绝缘性能、散热性能等造成显著影响。根据国家标准GB/T 20626.1规定，使用海拔超过1000米的高低压电工电子产品，或超过2000米的低压电器及低压成套开关设备和控制设备，定义为高原型电工电子产品。本文将结合试验数据，解析高原环境对电工电子产品的绝缘性能和散热性能的影响，提出相应解决方案。 

 

一、原因分析

 

高原环境对电工电子产品绝缘和散热性能产生影响的原因分析：

 

1．绝缘性能

 

高原环境由于气压低，空气密度低，气体分子间距增大，电子在电场作用下更容易加速并引发电离，使得空气的绝缘能力下降，导致以空气为绝缘介质的电工电子产品的绝缘强度降低。

 

2．散热性能

 

高原环境空气密度低，空气密度较低，空气分子间距大，热传导和对流过程中可用于传递热量的介质减少，导致热传导和对流散热效率下降，使得空气为散热介质的电工电子产品散热困难，温升升高。

 

二、验证

 

1.高原环境对绝缘性能产生影响的验证

 

研究对象：采用球头棒电极（φ10mm）-板工装。

 

试验条件：利用国内首家可模拟海拔0米~7000米的高海拔人工气候室，分别模拟海拔2000m、3200m和4000米的气压环境，保持温度20℃、相对湿度50%的温湿度条件。

 

试验方法：采用GB/T 16927.1《高电压试验技术 第1部分：一般定义及试验要求》中规定的升降法，在空气间隙300mm、400mm、500mm、600mm下进行U50工频放电试验，分别在每个海拔点每个间隙下进行30次放电试验，验证球头棒电极（φ10mm）-板空气间隙U50放电特性，详见图1。

 

试验结果：根据图1的数据，在模拟海拔2000米、模拟海拔3200米和模拟海拔4000米的环境下，击穿电压值都出现了下降，这说明空气的绝缘性能随着海拔的上升而下降。

图1 不同海拔下球头棒电极（φ10mm）-板空气间隙U50放电特性

 

图2展示了对于不同的电气间隙，随着海拔升高而击穿电压值的下降幅度。可以看到，随着电气间隙的增大，下降幅度也在增大，这说明随着电压等级越高，海拔对其影响越大。

 

图2 不同的电气间隙随着海拔升高而击穿电压值的下降幅度

 

2.高原环境对散热性能产生影响的验证

 

研究对象：试验室采用型号为GCS2500A的低压成套开关设备。

 

试验条件：分别模拟海拔2000m、3000m、4000m、5000m的环境。

 

试验方法：使用GB/T 7251.1-2023、GB/T 7251.2-2023中规定的温升试验方法。在众多测试点中共选取96个测试点进行数据分析，测试点主要分布在断路器进出线端、母排连接处、热继电器进出线端、抽屉功能单元出线端、绝缘手柄和金属外壳上，代表了不同的发热量和温度区间，详见图3。

图3 低压成套柜的温升测试点示意图

 

图4 低压成套柜不同海拔下各测试点温升值

试验结果：由图4可知，各测量点温升随海拔升高而递增，且温升绝对值越大，海拔变化对其影响越显著。

 

如果以每20K作为分界，以最高温升值来看，随着海拔逐级升高，在温升值处于0~20K和20K～40K区间，海拔每升高1000m温升值增加在2K以内；在温升值处于40K～60K区间，海拔每升高1000m温升值增加在3K以内；在温升值大于60K区间时，海拔每升高1000m温升值增加都在6K以内；4000m比3000m平均增加99.3%，5000m比4000m平均增加130.6%。可以得出，海拔对温升的影响呈现加速效应，每千米影响强度随基础温升值提高而增大（详见图5）。

 

图5 低压成套柜不同温升区间的温升增加值

 

三、解决方案

 

为减少高海拔对电工电子产品绝缘性能和散热性能的影响，针对产品设计提出以下解决方案：

 

1. 绝缘性能提升方案

 

增加电气间隙和爬电距离

 

增加辅助绝缘材料，如在不同的极间或者极对地间增加绝缘隔板

 

风险警示：

 

未达标设计可能导致：

发生绝缘击穿现象

引发短路事故

 

2、散热系统优化方案

增加载流导体尺寸来增强散热性能

采用强迫风冷的方式来弥补散热性能的下降

按制造厂定的海拔降容系数来降低容量使用

 

风险警示：

散热不足将导致：

绝缘材料和内部元件加速老化，电气连接失效，使用寿命缩短，引发安全事故

来源：质量观研社

关键词： 电工电子产品