你設計的電路板能在海拔3000m的地方工作嗎？

硬件筆記本

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( X) g$ S) P9 v' `1 d6 D& \' W概述設計電子產(chǎn)品時有很多個指標需要考慮，需要檢驗，而海拔高度很少被提及或者關心，這是一個很少被人提及的設備性能參數(shù)。真正應用在高海拔地區(qū)的電子產(chǎn)品可能會存在一系列特有的問題。
海拔高度是某地與海平面的高度差，是表示地面某個地點高出海平面的垂直距離。我國地廣物博，地理條件和氣候條件十分復雜，西北部地區(qū)多數(shù)是高原，我國海拔2000M以上的地區(qū)約占33%，海拔3000M以上的地區(qū)約占16%。不少城市都處在海拔2000M以上的地區(qū)，比如：拉薩3658.0M，西寧2261.2M等等。隨著國家西部開發(fā)政策的實施，電子設備在高海拔地區(qū)的應用越來越多，故設計師們要引起重視。
海拔越高的地區(qū)，空氣密度就越小，大氣壓降低，使得空氣粘性系數(shù)增加，空氣分子數(shù)就會減少，從而導致傳遞的熱量減少，這是由于空氣對流傳熱是通過分子碰撞傳遞能量得來的。這樣熱傳遞效率就會降低，電子部件的散熱性能變得更差。在5000M的高度上，放熱系數(shù)比海平面上的值要下降21%，對流散熱傳遞的熱量也將下降21%。在10000M的高度上將達到40%。對流散熱傳遞的熱量減少將導致產(chǎn)品溫升的增加。因此處于高海拔地區(qū)的設備散熱性降低。數(shù)據(jù)中心的設備在運行中都會產(chǎn)生熱量，由于局部區(qū)域的分子數(shù)量減少，使發(fā)熱元件的溫度不容易散掉，造成設備局部溫升過高，如果散熱不及時就會造成部分器件燒壞。
海波越高的地區(qū)，空氣越稀薄，絕緣介質(zhì)強度就會降低，這樣使設備容易放電，致使通常的絕緣距離變得不足。海拔高的地區(qū)容易發(fā)生凝露，降低電子設備的爬電距離。數(shù)據(jù)中心電子設備的絕緣器件性能也會下降。出于安全考慮，一般總希望絕緣材料的絕緣電阻盡可能大，絕緣材料主要包括氣體絕緣材料、液體絕緣材料、固體絕緣材料三種。在電子信息產(chǎn)品廣泛采用氣體介質(zhì)和固體介質(zhì)達到絕緣的目的，因此絕緣介質(zhì)的好壞直接影響產(chǎn)品的安全性能。如果設備的絕緣材料在電場中由于超過其絕緣強度被破壞而失去應有的絕緣性能，這時就會出現(xiàn)絕緣擊穿現(xiàn)象，設備將無法繼續(xù)正常工作。
表1列出了不同海拔高度時的大氣壓力：

高海拔還會使在大氣中滅弧的高低壓電器的分斷能力降低。當分斷能力不合格時，應選用額定容量高一級的產(chǎn)品。直流電機在低濕度和低氣壓的高原環(huán)境中使用，容易產(chǎn)生較大的換向火花，如果換向火花不合格，應選用換向性能好的電機或采取措施減小換向火花等級，甚至降低容量使用。
9 Q/ e( I6 O# c+ X$ @4 W" q- D一般海拔超過1000M的地區(qū)就必須要開始考慮對電子設備的影響。當然絕大多數(shù)的設備都可以滿足在3000M的海拔高度下可以正常工作，但我國海拔3000M以上的地區(qū)約占16%，設計或選擇電子產(chǎn)品時一定要注意。
3 k" n6 I. O& P$ y1 d4 O所有的電子設備都有工作海拔高度范圍，那么其工作海拔的高度范圍是如何得出的呢，不可能將產(chǎn)品拿到不同海拔的地區(qū)都跑一遍去測試�？梢圆捎脤ｉT用于測量海拔高度的壓力傳感器進行模擬測試，通過對設備施加不同的氣壓值，得出設備能承受的工作海拔數(shù)值。
可見，處于高海波地區(qū)的引入電子產(chǎn)品時，要充分考量電子設備或在高海拔的地區(qū)能夠正常工作。
細述電源或電子設備在高海拔時引起的問題及對策隨著海拔高度的增加，其特征為：
: I  n& L' o  j1 x& `a、空氣壓力或空氣密度較低；
b、空氣溫度較低，溫度變化較大；
c、空氣絕對濕度較小；
d、大陽輻射照度較高；
" S3 \3 f1 L, z: ?$ k( me、降水量較少；
9 \% D+ i, u5 b/ ?" ?5 ^* Tf、年大風日多；
8 p2 H# x* K2 L- ?0 Yg、土壤溫度較低，且凍結期長。
這些特征性能有下面四大影響規(guī)律，列出如下：
一、空氣壓力或空氣密度降低的影響
7 A" r/ _. `, o1、對絕緣介質(zhì)強度的影響 空氣壓力或空氣密度的降低，引起外絕緣強度的降低。在海拔至5000m范圍內(nèi)，每升高1000m，即平均氣壓每降低7.7~10.5kPa,外絕緣強度降低8%~13%.
+ d! i  z. n7 X( a- L) w% e2、對電氣間隙擊穿電壓的影響對于設計定型的產(chǎn)品,由于其電氣間隙已經(jīng)固定,隨空氣壓力的降低,其擊穿電壓也下降.為了保證產(chǎn)品在高原環(huán)境使用時有足夠的耐擊穿能力,必須增大電氣間隙.
3、對電暈及放電電壓的影響
& E3 O% Y, C3 `" ]a、高海拔低氣壓使高壓電機的局部放電起始電壓降低，電暈起始電壓降低，電暈腐蝕嚴重；
b、高海拔低氣壓使電力電容器內(nèi)部氣壓下降，導致局部放電起始電壓降低；
; s9 u9 O7 o0 @* m: c+ Fc、高海拔低氣壓使避雷器內(nèi)腔電壓降低，導致工頻放電電壓降低。
6 V4 {3 ]+ V" s1 t& h- i: A0 m4、對開關電器滅弧性能的影響
7 a! k# w0 d( w1 ?6 v- w& C空氣壓力或空氣密度的降低使空氣介質(zhì)滅弧的開關電器滅弧性能降低，通斷能力下降和電壽命縮短。
: d( S* X' t( e& V4 n' }a）、直流電弧的燃弧時間隨海拔升高或氣壓降低而延長；
b）、直流與交流電弧的飛弧距離隨海拔升高或氣壓降低而增加。
2 {# Y2 N4 d! C+ A; P8 }; z5、對介質(zhì)冷卻效應，即產(chǎn)品溫升的影響
空氣壓力或空氣密度的降低引起空氣介質(zhì)冷卻效應的降低。對于以自然對流、強迫通風或空氣散熱器為主要散熱方式的電工產(chǎn)品，由于散熱能力的下降，溫升增加。在海拔至5000m范圍內(nèi)，每升高1000m，即平均氣壓每降低7.7~10.5kPa,溫升增加3%~10%.
. N) T6 Q# {$ X1 J3 Sa、 靜止電器的溫升隨海拔升高的增高率，每100m一般在0.4K以內(nèi),但對高發(fā)熱電器,如電爐、電阻器、電焊機等電器，溫升隨海拔升高的增高率，每100m達到2K以上。
b、 電力變壓器溫升隨海拔的增高與冷卻方式有關，其增加率每100m為：油浸自冷，額定溫升的0.4%；干式自冷,額定溫升的0.5%；油浸強迫風冷，額定溫升的0.6%；干式強迫風冷,額定溫升的1.0%；
c、 電機的溫升隨海拔升高的增高率每100m為額定溫升的1%。
* s# A( l+ K/ m  b+ n% Z6、對產(chǎn)品機械結構和密封的影響
' P# F5 U; J$ `" g' J5 }+ ba、引起低密度、低濃度、多孔性材料（例如：電工絕緣材料、隔熱材料等）的物理和化學性質(zhì)的變化；
b、潤滑劑的蒸發(fā)及塑料制品中增塑劑的揮發(fā)加速；
c、由于內(nèi)外壓力差的增大，氣體或液體易從密封容器中泄漏或泄露率增大，有密封要求的電工產(chǎn)品，間接影響到電氣性能；
d、引起受壓容器所承受壓力的變化，導致受壓容器容易破裂。
8 ^/ z7 D: ~: f. W二、空氣溫度降低及溫度變化（包括日溫差）增大的影響
1、高原環(huán)境空氣溫度對產(chǎn)品溫升的補償平均空氣溫度和最高空氣溫度均隨海拔升高而降低，電工絕緣材料的熱老化壽命決定于平均空氣溫度。高原環(huán)境空氣溫度的降低可以部分或全部補償因氣壓降低而引起電工產(chǎn)品運行中溫升的增加。環(huán)境空氣溫度的補償值為0.5K/hm。
2、日溫差或溫度變化對產(chǎn)品結構的影響高原空氣溫度的日溫差大。較大的溫度變化使產(chǎn)品外殼容易變形、龜裂，密封結構容易破裂。
4 Z% u2 ^4 l' v( s* T三、空氣絕對濕度減小的影響
5 X% A8 D% @) z" p& m9 b. c1、絕對濕度對外絕緣強度的影響
$ f0 _7 V8 Q/ r; W! f; Q平均絕對濕度隨海拔升高而降低。絕對濕度降低時，電工產(chǎn)品的外絕緣強度降低，因此要考慮工頻放電電壓與沖擊閃絡電壓的濕度修正。濕度修正以零海拔時的平均絕對濕度：11g/m3為基準，具體修正按GB311.2中有關規(guī)定。
6 H/ H* O  E8 d2、絕對濕度對電機換向及炭刷磨損的影響
絕對濕度的降低使換向器電機的換向火花增大，同時使電機炭刷的磨損率增加。
9 m* X0 Y, N- M" K4 _5 A( L四、太陽輻射照度，包括紫外線輻射照度增加的影響
1、高原熱輻射增加的影響
海拔5000m時最大太陽輻射度為低海拔時相應值的1.25倍，熱輻射對物體起加熱作用。對于戶外用電工產(chǎn)品，太陽熱輻射的增加引起較大的表面附加溫升，降低有機絕緣材料的材質(zhì)性能，使材料變形，產(chǎn)生機械熱應力等影響。
4 A% _$ q, H8 g( r/ r% B2、高原紫外線輻射增加的影響
紫外線輻射照度隨海拔升高的增加率比太陽總輻射照度的增加率大得多，海拔3000m時已達低海拔時相應值的2倍。紫外線引起有機絕緣材料的加速老化，使空氣容易電離而導致外絕緣強度和電暈起始電壓降低。
從上述四大影響看出，電子產(chǎn)品在高原環(huán)境上的設計應該減低這些影響，提高絕緣配合，同時增大電氣間隙，在選擇材料上和器件上綜合考慮，從結構設計和選擇高原型器件入手，解決相關技術問題，其主要實現(xiàn)手段就是要從產(chǎn)品設計層面考慮。
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