气压环境变化对电子产品安全性能的影响

1. 电子产品安全标准研究的现状及发展趋势

改革开放以来，前人在国内的电子产品的安全标准研究、安全试验以及认证方面进行了大量的工作，在安全基础理论研究方面取得了一定的进展，同时不断跟踪国际上发达国家的标准和技术信息，先后制定了GB4943（信息技术设备的安全）、GB8898（音视频设备的安全要求）以及GB4793（测量、控制和试验室用电气设备的安全）等国家标准，但这些标准大多适应的是海拔2000m以下的环境条件，而我国地域广阔，地理条件和气候条件十分复杂，西北部地区多数是高原，同时有着大量的人口居住和生活。我国海拔1000m以上的地区约占国土面积的60%，海拔2000m以上的地区约占33%，海拔3000m以上的地区约占16%。其中海拔2000m以上的地区主要集中在西藏、青海、云南、四川、秦岭地区和新疆西部山区，包括可昆明、西宁、拉萨等人口集中的省会级城市，这些地区有丰富的物产资源急待开发，随着国家西部开发政策的实施，将有大量的人才和投资进入这些地区，信息技术设备和音视频设备也将大量被使用。

另外，在我国加入WTO之际，通过技术手段而不是行政手段来保障我国消费者的权益就显得尤为重要，许多发达国家在进口电子产品时都根据具体情况提出了符合本国利益的特殊要求，这样，在保护本国消费者的同时也保护了本国的经济。综上所述，了解高海拔地区的环境条件对电子产品的影响，特别是对安全性能的影响有着至关重要的现实意义。

2. 低气压对电子产品安全性能的影响

本文讨论的低气压范围只涉及陆地气压条件，不涉及航空、航天、机载及海拔6000m以上的环境条件，由于海拔6000m以上的地区少有人员居住活动，因此讨论范围界定在海拔6000m以下的环境条件对电子产品安全的影响，比较海拔2000m以上和海拔2000m以下不同大气压对电子产品安全性能的影响。根据国际权威机构和目前的研究成果，气压的降低对电子产品的安全性能的影响主要体现在以下几点：

（1）密封的壳体内漏出气体或液体

（2）密封容器破裂或爆炸

（3）低气压对空气绝缘（电气间隙）的影响

（4）低气压对热传递效能（温升）的影响

本文着重针对低气压对空气绝缘和热传递效能的影响进行讨论，因低气压环境条件对固体绝缘没有影响，故不做考虑。

低气压对电气间隙击穿电压的影响

用来隔离危险电压或不同电位的导体主要依靠绝缘材料实现，绝缘材料是用于绝缘的电介质，它们的导电能力低，但并不是绝对的不导电，它的电阻率很高，导电率很低。绝缘电阻率是绝缘材料所在电场强度除以通过绝缘材料的电流密度，电导率为电阻率的倒数。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，而在电子信息类产品和音视频产品中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。

绝缘材料在电场中也会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。

标准GB4943、GB8898根据已有的研究成果规定了电气间隙和爬电距离以及绝缘穿透距离，但由于这些介质受环境条件影响，如：温度、湿度、气压、污染等级等，将使绝缘强度降低或失效，其中气压对电气间隙的影响最为明显。

气体产生带电粒子有两种方式：一是碰撞电离，即气体中的原子与气体粒子碰撞而获得能量，从低能级跃迁到高能级，当这种能量超过一定量值时，原子被电离为自由电子和正离子。二是表面电离，电子或离子作用在固体表面上，从而把足够的能量传给固体表面的电子，使这些电子获得足够的能量，从而使它超过表面势能壁垒而脱离表面。

在一定电场力的作用下，一个电子由阴极飞向阳极，在路经上将发生碰撞电离。和气体电子发生第一次碰撞引起电离后，就多了一个自由电子。这两个电子在飞向阳极的过程中又由于碰撞引起电离，于是第二次碰撞后就产生了四个自由电子。这四个电子又重复以上的碰撞，这样发展下去将产生更多的电子，从而产生电子雪崩。

由气压理论可知，当温度一定时，气压与电子的平均自由行程和气体的体积成反比，当高度增加、气压下降，带电粒子的平均自由行程增加，将加速气体的电离，因此气体的击穿电压下降。

电压与气压的关系为：

U p =U

（P/P

）n

其中：P—运行处的气压

P

—标准大气压

U

p

—在运行处的外绝缘放电电压

U

—在标准大气压下的外绝缘放电电压

n—外绝缘放电电压随气压降低而下降的特性指数

表2 不同气压条件下电气间隙的修正值

低气压对产品温升的影响

电子产品在正常工作时都会产生一定的热量，所产生的热量与环境温度的差值称为温升。温升过高会造成烫伤、着火等危险，因此在GB4943、GB8898等安全标准中都规定了相应的限值，目的在于防止温升过高所带来的潜在危险。

发热产品温升的高低受海拔高度的影响，温升随海拔高度的变化大致呈现线形变化，其变化的斜率取决于产品本身的结构、散热情况、环境温度等因素。

发热产品的热量耗散可分为三种形式：导热、对流散热和热辐射。大量发热产品的散热主要依靠对流交换热量，即发热产品的热量依靠产品本身发热产生的温度场行程产品周围空气的温度梯度，由此使空气发生流动，强迫通风对流散热

是产品本身或采用其他装置产生空气流，流过产品时带走产品产生的热量。例如：计算机内的开关电源就是采用通风风扇使空气对流来带走热量。

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。

当高度增加时，大气压降低，使得空气粘性系数增加，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；当高度增加时，大气压降低，空气密度降低，造成空气分子数减少，导致传递的热量减少。

此外，对于强迫流动的对流散热来说，还存在着另一个影响因素，即高度增加大气压降低将伴随空气密度的降低。空气密度减小直接影响强迫流动对流散热的热量耗散，强迫流动对流散热是依靠空气流动带走热量的，一般电机用的冷却风扇是保持流过电机气流体积流量保持不变，当高度增加时，由于空气密度下降，即使气流体积保持不变，气流的质量流量也会减少。由于在一般实际问题中所涉及的温度范围内空气的比热可以认为是一个常数，则气流升高相同的温度，因质量流量的较少而吸收的热量也将减少，发热产品受到积累的不利影响，产品的温升将随大气压降低而升高。

通过对显示器和适配器在不同温度不同气压条件下的比较试验确立了气压对样品温升的影响，尤其是对发热元件的影响，根据前面所述的气压对温度影响的理论，在低气压条件下，由于控区的分子数量减少，使发热元件的温度不容易散掉，造成局部温升过高。这一情况对非自身发热元件的影响不大，由于非自身发热元件的热量是从发热元件传递过来的，因此在低气压时的温升比在常温时要低。

3. 结论

通过研究和试验，文本主要得出以下结论。首先，借助巴申定律通过试验总结出了不同气压下击穿电压的修正值以及不同气压条件下电气间隙的修正值，两者互为依据，相对统一；其次，根据对适配器和显示器在不同气压条件下产品温升的测量，温升与气压呈线性关系，并经统计计算可求出不同部位的温升和气压的线性方程，以适配器为例，温升与气压按统计学的方法计算，相关系数为，属于高度负相关，温升的变化率为海拔高度每增加1000m其温升增加5~8%，由于温升试验的重现性较差。所以本试验数据仅供参考，属于定性分析，在具体检测时需进行实际测量来考核产品的特性。