海拔如何影响电气绝缘性能？

lihu35

日常生活中我们经常看到很多电器的使用说明书里都有提示海拔高度限制，假如产品设计的时候是按照海拔3500m考虑的，那如果去到5000m或者更高的地方使用产品会出现什么问题么？今天我们就来探讨一下这个问题。

首先，从常识的角度看，随着海拔升高，地球引力减小，空气变得稀薄，气压降低。同时温度、湿度也会跟着变化。我们容易联想到，如果是风冷系统，空气稀薄，风机不变，高海拔使得风流量减小，那么散热效果就会变差，影响系统的输出能力，造成系统降额，但这似乎没和绝缘联系起来。那么这些因素的变化是怎样影响电气设备的绝缘性能的呢？怎样影响爬电距离和电气间隙的呢？

我们接着从标准（GB/T 16935.1 或 IEC 60664-1）的角度看。高海拔空气稀薄，气压低是如何导致电气间隙不变的前提下击穿电压降低的呢？

仔细看上述截图中备注的一句话，根据帕邢定律，空气中电气间隙的击穿电压正比于电极间距离和大气压的乘积。假设电极间距离不变，海拔升高→大气压强降低→电极间距*大气压乘积减小→击穿电压降低。

通过上面一顿分析，我们知道了在设计电气间隙的时候，要参考下表，根据海拔高度，乘以一个修正系数。



分析到这里，我们似乎已经搞清楚怎么根据不同海拔高度去设计电气绝缘间隙了。这里有一个小小的问题，标准里似乎没有3500m，4500m，5500m等这些海拔高度下的修正系数，我想这里用线性插值的方法去获取系数应该问题不大。

接着，我们再看看这个帕邢定律。英文Paschen's Law，1889年提出，同时还有根叫巴申曲线的东东，英文Paschen Curve，为啥一个是帕邢一个是巴申捏？音译过来的，无所谓啦。

这根曲线传递了哪些信息呢？首先横坐标就是前面标准里提到的气压和气隙的乘积，纵坐标是击穿电压。另外，它有一个最小值，这个最小值把这根曲线分为左右两个部分。左半边是随着乘积增大，击穿电压降低，右边是乘积增大，击穿电压随之升高。

其实，巴申曲线的左侧只适用于低气压和高真空的气体。若在大气条件下或接近大气条件下，因左侧部分对应的间隙Gap已在微米或微米以下的数量级上，这样间隙中电极间的电场强度极高会产生高电场发射，使击穿电压大大降低。

另外，巴申曲线只给出了均匀电场下的击穿电压。实际电器产品中电场都不是完全均匀的，这时的击穿电压一般均低于巴申曲线上的数值。海拔较高处，大气压力较低，在同样的电极距离时，Pressure*Gap值较小，所以击穿电压比低海拔地区小。
下图是不同的气体介质下对应的击穿电压巴申曲线：我们再回到开头提出的问题，设备使用超过设计值会出现什么问题？设计高度3500m，我把车开到了5500m的珠峰大本营不会有什么问题吧？



其实高海拔使用汽车或者设备可以通过降额降容使用。当电气间隙距离无法调整时（按低海拔设计的系统用于高海拔时），降低系统额定电压, 直流母线电压,交流电压等都是权宜之计。但如果是长期使用，最好还是重新设计产品，通过提高绝缘等级的方法来保证低气压下工作的要求。

另外，海拔高度增加，宇宙射线粒子也会增加，宇宙射线由宇宙星体产生、并在辐射过程中衍生出的高能粒子，辐射过程中衍生出的核子（质子、中子）、介子和电磁辐射，射线可直达地面并覆盖广大区域，而且宇宙射线很难防护，会破坏功率器件的空间电荷区电场，造成失效。


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