海拔3000米时，设计开关电源该到底该考虑哪些因素？

涂8564

概述
设计开关电源或者其他电子设备时有很多个指标需要考虑，需要检验，而海拔高度很少被提及或者关心，这是一个很少被人提及的设备性能参数。真正应用在高海拔地区的开关电源或电子设备可能会存在一系列特有的问题。
海拔高度是某地与海平面的高度差，是表示地面某个地点高出海平面的垂直距离。我国地广物博，地理条件和气候条件十分复杂，西北部地区多数是高原，我国海拔2000M以上的地区约占33%，海拔3000M以上的地区约占16%。不少城市都处在海拔2000M以上的地区，比如：拉萨3658.0M，西宁2261.2M等等。随着国家西部开发政策的实施，电子设备在高海拔地区的应用越来越多，故设计师们要引起重视。
海拔越高的地区，空气密度就越小，大气压降低，使得空气粘性系数增加，空气分子数就会减少，从而导致传递的热量减少，这是由于空气对流传热是通过分子碰撞传递能量得来的。这样热传递效率就会降低，电子部件的散热性能变得更差。在5000M的高度上，放热系数比海平面上的值要下降21%，对流散热传递的热量也将下降21%。在10000M的高度上将达到40%。对流散热传递的热量减少将导致产品温升的增加。因此处于高海拔地区的设备散热性降低。数据中心的设备在运行中都会产生热量，由于局部区域的分子数量减少，使发热元件的温度不容易散掉，造成设备局部温升过高，如果散热不及时就会造成部分器件烧坏。
海波越高的地区，空气越稀薄，绝缘介质强度就会降低，这样使设备容易放电，致使通常的绝缘距离变得不足。海拔高的地区容易发生凝露，降低电子设备的爬电距离。数据中心电子设备的绝缘器件性能也会下降。出于安全考虑，一般总希望绝缘材料的绝缘电阻尽可能大，绝缘材料主要包括气体绝缘材料、液体绝缘材料、固体绝缘材料三种。在电子信息产品广泛采用气体介质和固体介质达到绝缘的目的，因此绝缘介质的好坏直接影响产品的安全性能。如果设备的绝缘材料在电场中由于超过其绝缘强度被破坏而失去应有的绝缘性能，这时就会出现绝缘击穿现象，设备将无法继续正常工作。
表1列出了不同海拔高度时的大气压力：

高海拔还会使在大气中灭弧的高低压电器的分断能力降低。当分断能力不合格时，应选用额定容量高一级的产品。直流电机在低湿度和低气压的高原环境中使用，容易产生较大的换向火花，如果换向火花不合格，应选用换向性能好的电机或采取措施减小换向火花等级，甚至降低容量使用。
一般海拔超过1000M的地区就必须要开始考虑对电子设备的影响。当然绝大多数的设备都可以满足在3000M的海拔高度下可以正常工作，但我国海拔3000M以上的地区约占16%，设计或选择开关电源或电子设备时一定要注意。
所有的电子设备都有工作海拔高度范围，那么其工作海拔的高度范围是如何得出的呢，不可能将产品拿到不同海拔的地区都跑一遍去测试。可以采用专门用于测量海拔高度的压力传感器进行模拟测试，通过对设备施加不同的气压值，得出设备能承受的工作海拔数值。
可见，处于高海波地区的引入开关电源或其他电子设备时，要充分考量电子设备或在高海拔的地区能够正常工作。  

细述电源或电子设备在高海拔时引起的问题及对策
随着海拔高度的增加，其特征为：
a、空气压力或空气密度较低；
b、空气温度较低，温度变化较大；
c、空气绝对湿度较小；
d、大阳辐射照度较高；
e、降水量较少；
f、年大风日多；
g、土壤温度较低，且冻结期长。
这些特征性能有下面四大影响规律，列出如下：
一、空气压力或空气密度降低的影响
1、对绝缘介质强度的影响 空气压力或空气密度的降低，引起外绝缘强度的降低。在海拔至5000m范围内，每升高1000m，即平均气压每降低7.7~10.5kPa,外绝缘强度降低8%~13%.
2、对电气间隙击穿电压的影响对于设计定型的产品,由于其电气间隙已经固定,随空气压力的降低,其击穿电压也下降.为了保证产品在高原环境使用时有足够的耐击穿能力,必须增大电气间隙.
3、对电晕及放电电压的影响
a、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；
b、高海拔低气压使电力电容器内部气压下降，导致局部放电起始电压降低；
c、高海拔低气压使避雷器内腔电压降低，导致工频放电电压降低。
4、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。
a）、直流电弧的燃弧时间随海拔升高或气压降低而延长；
b）、直流与交流电弧的飞弧距离随海拔升高或气压降低而增加。
5、对介质冷却效应，即产品温升的影响
空气压力或空气密度的降低引起空气介质冷却效应的降低。对于以自然对流、强迫通风或空气散热器为主要散热方式的电工产品，由于散热能力的下降，温升增加。在海拔至5000m范围内，每升高1000m，即平均气压每降低7.7~10.5kPa,温升增加3%~10%.
a、 静止电器的温升随海拔升高的增高率，每100m一般在0.4K以内,但对高发热电器,如电炉、电阻器、电焊机等电器，温升随海拔升高的增高率，每100m达到2K以上。
b、 电力变压器温升随海拔的增高与冷却方式有关，其增加率每100m为：油浸自冷，额定温升的0.4%；干式自冷,额定温升的0.5%；油浸强迫风冷，额定温升的0.6%；干式强迫风冷,额定温升的1.0%；
c、 电机的温升随海拔升高的增高率每100m为额定温升的1%。
6、对产品机械结构和密封的影响
a、引起低密度、低浓度、多孔性材料（例如：电工绝缘材料、隔热材料等）的物理和化学性质的变化；
b、润滑剂的蒸发及塑料制品中增塑剂的挥发加速；
c、由于内外压力差的增大，气体或液体易从密封容器中泄漏或泄露率增大，有密封要求的电工产品，间接影响到电气性能；
d、引起受压容器所承受压力的变化，导致受压容器容易破裂。
二、空气温度降低及温度变化（包括日温差）增大的影响
1、高原环境空气温度对产品温升的补偿平均空气温度和最高空气温度均随海拔升高而降低，电工绝缘材料的热老化寿命决定于平均空气温度。高原环境空气温度的降低可以部分或全部补偿因气压降低而引起电工产品运行中温升的增加。环境空气温度的补偿值为0.5K/hm。
2、日温差或温度变化对产品结构的影响高原空气温度的日温差大。较大的温度变化使产品外壳容易变形、龟裂，密封结构容易破裂。
三、空气绝对湿度减小的影响
1、绝对湿度对外绝缘强度的影响
平均绝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，因此要考虑工频放电电压与冲击闪络电压的湿度修正。湿度修正以零海拔时的平均绝对湿度：11g/m3为基准，具体修正按GB311.2中有关规定。
2、绝对湿度对电机换向及炭刷磨损的影响
绝对湿度的降低使换向器电机的换向火花增大，同时使电机炭刷的磨损率增加。
四、太阳辐射照度，包括紫外线辐射照度增加的影响
1、高原热辐射增加的影响
海拔5000m时最大太阳辐射度为低海拔时相应值的1.25倍，热辐射对物体起加热作用。对于户外用电工产品，太阳热辐射的增加引起较大的表面附加温升，降低有机绝缘材料的材质性能，使材料变形，产生机械热应力等影响。
2、高原紫外线辐射增加的影响
紫外线辐射照度随海拔升高的增加率比太阳总辐射照度的增加率大得多，海拔3000m时已达低海拔时相应值的2倍。紫外线引起有机绝缘材料的加速老化，使空气容易电离而导致外绝缘强度和电晕起始电压降低。
从上述四大影响看出，开关电源或电子设备在高原环境上的设计应该减低这些影响，提高绝缘配合，同时增大电气间隙，在选择材料上和器件上综合考虑，从结构设计和选择高原型器件入手，解决相关技术问题，其主要实现手段就是要从产品设计层面考虑。