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摘 要：高原环境由于其特殊性，使装备电气控制部分的电气特性受到了影响，本文针对这个问题结合有关资料总结了高原电源车的电气设计要点。
关键词：高原电源车；电气控制部分；电气设计要点
Abstract：Because of the particularity of plateau environment， the electrical control sector of plateau power supply car is under the influence. To address this problem， this paper summarize the key point of the design of plateau power supply car electrical control sector combine with related material.
Keywords： aerial power supply car； plateau environment； adaptability
1. 前言
随着信息化战争节奏的加快和我国主要高原地区战略地位的提升，主战飞机在高原飞行向着常态化发展，然而传统电源车已经不适应高原地区航空电源保障需求。其电气系统在高原环境因子的作用下可靠性降低、保障性能下降。
电机和电气控制部分的有机结合组成了航空地面电源车的电气系统，电气控制系统按照一定的规律将种类繁多的低压电器和电子元器件连接起来来实现既定的控制目的。电气控制系统的好坏直接影响着高原型电源车保障性能的高低，因此需要将研究高原电源车电气控制部分的设计要点作为高原电源车设计与研制的基础性工作。
2. 高原环境特点
按GB/T14597《电工产品不同海拔的气候环境条件》规定，将高原环境条件参数归纳如表1。
通过表中数据可以看出当超过海拔2km时，高原环境气候主要表现出气压低、空气密度低、气温低、气温日变化大、绝对湿度低、风沙污染严重以及紫外线辐射强度大等特点，而且，随着海拔的升高，这些气候特点的表现越加明显。
3. 高原环境对电气控制部分影响
3.1 对温升的影响
随海拔升高，空气密度降低，使以空气介质为散热方式的电气元件散热困难。在海拔5 000 m以内，每升高1 000 m，温升增加3%～10%。对于自然对流冷却的电气设备，其温升增加可能会小一些；对于强迫通风冷却的电气设备，其温升增加可能会大一些。一般，海拔每升高100 m，产品温升增加约0.4 K。对电阻之类的高发热器件，海拔每升高100 m，温升增加2 K。
3.2 对电气间隙与爬电距离的影响
海拔升高，空气压力和空气密度降低，低密度的空气在电场中更容易发生电离，使击穿电压也下降，为保证电气产品在高原使用时电气间隙有足够的耐受电压击穿的能力，必须加大电气间隙。
空气压力、温度和湿度都对绝缘性能有影响，但空气压力降低对外绝缘性能影响较大，为保证电气产品在高原使用时有足够的沿固体绝缘材料表面放电的能力，必须加大爬电距离。
3.3 对绝缘性能的影响
随海拔的增加，大气压力降低，空气介电强度、空气冷却效应及弧隙空气介质恢复强度降低，导致产品空气绝缘耐压降低，其下降曲线可用下式表示：
在海拔5 000 m范围内，海拔每升高1 000 m，绝缘强度将降低8 %～13%。同时气压的降低使绝缘材料内的气泡扩张，绝缘材料局部放电加大，进一步降低绝缘性能，并加快老化。
3.4 易生静电
空气干燥会加剧静电电荷的产生，静电积累后的放电导致电气设备内电路板元器件击穿进而失效，同时会影响控制信号稳定和开关器件误动作。特别是，静电荷的增加将会对电机的调压和调速电子控制设备造成影响，这势必会对电机输出电压的稳压和稳频时间、电压和频率波动率产生不良的影响。
3.5 对力学性能的影响
蓄电池的最佳工作温度20～40℃，而高原地区环境最低温度在-30～-40 ℃之间。电解液的粘度在低温环境下变大，使蓄电池输出能力下降，易造成电源车在高原发车启动不成功，损伤机械部件。过低的温度会使电子元器件内绝缘材料、橡胶密封材料机械性能降低，在紫外线的共同作用下硬化、变脆、易损坏。
过大的温差变化会导致传感器内部平衡发生变化，使仪器仪表的零点漂移，致使测量时产生过的的误差甚至于失效报废；此外，产品的密封结构容易受温度变化剧烈的影响而失去密封效果甚至于变形、破裂。
3.6 对灭弧性能的影响
四站装备中运用大量继电器、接触器、逆变器。高海拔低密度的空气容易电离，使击穿电压下降，导致以空气为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。交、直流电弧的燃弧时间随海拔升高或气压降低而延长，同时飞弧距离也随海拔升高或气压降低而增加；海拔高度每升高1km，燃弧时间约延长5%，海拔在4000～5100m时可能灭弧时间不合格或分不断。
4. 高原环境电气设计要点
4.1 应对温升的措施
GB/T20626.1-2006标准提出，在高原环境条件下，温升限值不应超过常规型相应产品标准规定的值。对电器产品来说，可以不对温升座海拔修正，但是应该视产品的温升裕度适当减负荷应用。
变流装置在海拔高于1200 m的地区使用时，每升高100 m，电流容量约降0.4%，进行设计时应考虑电流容量的补偿。按此要求，应选择电流容量较大的整流管与晶闸管，或在常规型产品电流容量的基础上加上海拔修正值，对常规型变流装置的容量进行海拔修正，如表2。
4.2 电气间隙和爬电距离修正 在海拔变高时，大气的压力、温度、湿度都会影响空气的密度、电子自由行程、碰撞电离及吸附效应使同等的电压等级其击穿距离减小；爬电距离与压差、环境的污秽程度和绝缘材料耐泄痕指数有关，爬电距离不能小于电气间隙。
因此，要满足高原的抗击穿安全距离，必须对耐压等级进行降级或增大电气间隙。一般情况下，电气间隙不变情况下，其耐压水平随海拔高度每升100m，降低1%，因此，一般可以按海拔每升高100m，由气间隙和爬电距离增大1%来修正，修正系数见表3。
4.3 绝缘耐压修正
高原环境下，电气设备的工频耐受电压和冲击耐受电压值应符合产品标准规定，需要对产品的耐压标准进行修正。一般，以考核内绝缘质量为主的例行试验，试验电压取海拔1km或2km时产品的耐压值不做修正，按照标准GB/T 20626.1-2006《特殊环境条件高原电工电子产品通用技术要求》提供的修正系数，修正如表4。
4.4 抗静电设计
高原环境天气干燥易产生静电，必须采用抗静电设计来改善静电的影响以保护电子设备能正常使用，可使用抗静电材料，或采用屏蔽，改善屏蔽层接地的效果。可采取以下措施：
4.4.1 工艺控制法
对工艺流程中材料的选择、设备安装等过程应采取预防措施，控制静电的产生和电荷的聚集，从源头上抑制静电电位和放电能量，以降低危害，但是高原环境下，防静电涂层易老化脱落，放静电材料需要有专门的高原适应性设计。
4.4.2 泄露法
通常利用物体电导，采用静电接地的方法，使电荷向地面泄露，通过放电消除静电的不良影响，同时这种方法还具有结构简单、可靠高效的优点，能够很好地适应电源车这种小型装备的静电消除。
4.4.3 复合中和法
利用静电消除器产生的异性离子来中和带电体的电荷，但这种消除方法具有成本高、可靠性低的缺点。
4.5 元器件、结构和材料选用及设计要点
4.5.1 密封处理
变流器机柜做密封处理、防凝露设计；采用较高的防护等级，如IP54等；变流器机柜门采用防雨槽结构，避免脏污和液体沉积在密封件上，防止凝露渗入机柜；进出线采用分级套管防护。
4.5.2 温度适应性材料选用
由于高原地区气温低、寒冷期偏长，同时使用过程中线缆表面温差大，普通材质的电缆填充层及保护套容易老化断裂，使用寿命短。在导线的选择上，应选用耐寒、软质（填充层、保护套等）电源线、控制线，解决易老化、断裂等问题；增大电源线、控制线截面积，解决因高原散热效率低，电缆温升过高的问题。
4.5.3 器件选用
模拟电路在低温下容易产生特性漂移，应尽量采用数字电路。
保护电器方面，热保护电器产品由于散热环境的变化会造成保护曲线的变化，应该尽量选用电磁保护产品。
保障装备所使用的仪表应选用精度高、耐低气压、密封性好的产品，且具有一定的高原防护功能。应选用耐低温的元器件，仪表要选用C组，即适应低温组别的仪表。
4.6 电器分断性能
高原环境对电器的接触和分断能力有一定的影响，应该尽量选用密封充惰性气体或者真空电器等不受海拔高度影响的电器，但是由于电源车工作振动较为频繁、强烈，密封电器容易因外力而密封失效，在选用该种电器的时候应该验证其抗振性能。无法采用密封或真空电器的设备，应验证其灭弧性能是否符合技术要求。
5. 结语
文章在掌握高原环境特点的基础上，分析了高原环境对电源车电气控制部分的影响，并结合有关标准总结出了高原环境电气设计要点。对高原装备设计中的电气控制系统设计具有一定参考意义。
参考文献
[1]赵徐成，蒋超. 航空地面电源 [M].徐州：徐州空军学院，2010.
[2]王忠华.高原型内燃机电站的设计特点 [J].移动电源与车辆，2006，（3）：7-12.
[3]旺久，李坚.高原电气绝缘性能修正[J].低碳世界，2014，（8）：100-101.
[4]王肃清.高原电工电子产品标准及应用[J].电子工艺技术，2011，32（3）：181-184.
关键词：高原电源车；电气控制部分；电气设计要点
Abstract：Because of the particularity of plateau environment， the electrical control sector of plateau power supply car is under the influence. To address this problem， this paper summarize the key point of the design of plateau power supply car electrical control sector combine with related material.
Keywords： aerial power supply car； plateau environment； adaptability
1. 前言
随着信息化战争节奏的加快和我国主要高原地区战略地位的提升，主战飞机在高原飞行向着常态化发展，然而传统电源车已经不适应高原地区航空电源保障需求。其电气系统在高原环境因子的作用下可靠性降低、保障性能下降。
电机和电气控制部分的有机结合组成了航空地面电源车的电气系统，电气控制系统按照一定的规律将种类繁多的低压电器和电子元器件连接起来来实现既定的控制目的。电气控制系统的好坏直接影响着高原型电源车保障性能的高低，因此需要将研究高原电源车电气控制部分的设计要点作为高原电源车设计与研制的基础性工作。
2. 高原环境特点
按GB/T14597《电工产品不同海拔的气候环境条件》规定，将高原环境条件参数归纳如表1。
通过表中数据可以看出当超过海拔2km时，高原环境气候主要表现出气压低、空气密度低、气温低、气温日变化大、绝对湿度低、风沙污染严重以及紫外线辐射强度大等特点，而且，随着海拔的升高，这些气候特点的表现越加明显。
3. 高原环境对电气控制部分影响
3.1 对温升的影响
随海拔升高，空气密度降低，使以空气介质为散热方式的电气元件散热困难。在海拔5 000 m以内，每升高1 000 m，温升增加3%～10%。对于自然对流冷却的电气设备，其温升增加可能会小一些；对于强迫通风冷却的电气设备，其温升增加可能会大一些。一般，海拔每升高100 m，产品温升增加约0.4 K。对电阻之类的高发热器件，海拔每升高100 m，温升增加2 K。
3.2 对电气间隙与爬电距离的影响
海拔升高，空气压力和空气密度降低，低密度的空气在电场中更容易发生电离，使击穿电压也下降，为保证电气产品在高原使用时电气间隙有足够的耐受电压击穿的能力，必须加大电气间隙。
空气压力、温度和湿度都对绝缘性能有影响，但空气压力降低对外绝缘性能影响较大，为保证电气产品在高原使用时有足够的沿固体绝缘材料表面放电的能力，必须加大爬电距离。
3.3 对绝缘性能的影响
随海拔的增加，大气压力降低，空气介电强度、空气冷却效应及弧隙空气介质恢复强度降低，导致产品空气绝缘耐压降低，其下降曲线可用下式表示：
在海拔5 000 m范围内，海拔每升高1 000 m，绝缘强度将降低8 %～13%。同时气压的降低使绝缘材料内的气泡扩张，绝缘材料局部放电加大，进一步降低绝缘性能，并加快老化。
3.4 易生静电
空气干燥会加剧静电电荷的产生，静电积累后的放电导致电气设备内电路板元器件击穿进而失效，同时会影响控制信号稳定和开关器件误动作。特别是，静电荷的增加将会对电机的调压和调速电子控制设备造成影响，这势必会对电机输出电压的稳压和稳频时间、电压和频率波动率产生不良的影响。
3.5 对力学性能的影响
蓄电池的最佳工作温度20～40℃，而高原地区环境最低温度在-30～-40 ℃之间。电解液的粘度在低温环境下变大，使蓄电池输出能力下降，易造成电源车在高原发车启动不成功，损伤机械部件。过低的温度会使电子元器件内绝缘材料、橡胶密封材料机械性能降低，在紫外线的共同作用下硬化、变脆、易损坏。
过大的温差变化会导致传感器内部平衡发生变化，使仪器仪表的零点漂移，致使测量时产生过的的误差甚至于失效报废；此外，产品的密封结构容易受温度变化剧烈的影响而失去密封效果甚至于变形、破裂。
3.6 对灭弧性能的影响
四站装备中运用大量继电器、接触器、逆变器。高海拔低密度的空气容易电离，使击穿电压下降，导致以空气为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。交、直流电弧的燃弧时间随海拔升高或气压降低而延长，同时飞弧距离也随海拔升高或气压降低而增加；海拔高度每升高1km，燃弧时间约延长5%，海拔在4000～5100m时可能灭弧时间不合格或分不断。
4. 高原环境电气设计要点
4.1 应对温升的措施
GB/T20626.1-2006标准提出，在高原环境条件下，温升限值不应超过常规型相应产品标准规定的值。对电器产品来说，可以不对温升座海拔修正，但是应该视产品的温升裕度适当减负荷应用。
变流装置在海拔高于1200 m的地区使用时，每升高100 m，电流容量约降0.4%，进行设计时应考虑电流容量的补偿。按此要求，应选择电流容量较大的整流管与晶闸管，或在常规型产品电流容量的基础上加上海拔修正值，对常规型变流装置的容量进行海拔修正，如表2。
4.2 电气间隙和爬电距离修正 在海拔变高时，大气的压力、温度、湿度都会影响空气的密度、电子自由行程、碰撞电离及吸附效应使同等的电压等级其击穿距离减小；爬电距离与压差、环境的污秽程度和绝缘材料耐泄痕指数有关，爬电距离不能小于电气间隙。
因此，要满足高原的抗击穿安全距离，必须对耐压等级进行降级或增大电气间隙。一般情况下，电气间隙不变情况下，其耐压水平随海拔高度每升100m，降低1%，因此，一般可以按海拔每升高100m，由气间隙和爬电距离增大1%来修正，修正系数见表3。
4.3 绝缘耐压修正
高原环境下，电气设备的工频耐受电压和冲击耐受电压值应符合产品标准规定，需要对产品的耐压标准进行修正。一般，以考核内绝缘质量为主的例行试验，试验电压取海拔1km或2km时产品的耐压值不做修正，按照标准GB/T 20626.1-2006《特殊环境条件高原电工电子产品通用技术要求》提供的修正系数，修正如表4。
4.4 抗静电设计
高原环境天气干燥易产生静电，必须采用抗静电设计来改善静电的影响以保护电子设备能正常使用，可使用抗静电材料，或采用屏蔽，改善屏蔽层接地的效果。可采取以下措施：
4.4.1 工艺控制法
对工艺流程中材料的选择、设备安装等过程应采取预防措施，控制静电的产生和电荷的聚集，从源头上抑制静电电位和放电能量，以降低危害，但是高原环境下，防静电涂层易老化脱落，放静电材料需要有专门的高原适应性设计。
4.4.2 泄露法
通常利用物体电导，采用静电接地的方法，使电荷向地面泄露，通过放电消除静电的不良影响，同时这种方法还具有结构简单、可靠高效的优点，能够很好地适应电源车这种小型装备的静电消除。
4.4.3 复合中和法
利用静电消除器产生的异性离子来中和带电体的电荷，但这种消除方法具有成本高、可靠性低的缺点。
4.5 元器件、结构和材料选用及设计要点
4.5.1 密封处理
变流器机柜做密封处理、防凝露设计；采用较高的防护等级，如IP54等；变流器机柜门采用防雨槽结构，避免脏污和液体沉积在密封件上，防止凝露渗入机柜；进出线采用分级套管防护。
4.5.2 温度适应性材料选用
由于高原地区气温低、寒冷期偏长，同时使用过程中线缆表面温差大，普通材质的电缆填充层及保护套容易老化断裂，使用寿命短。在导线的选择上，应选用耐寒、软质（填充层、保护套等）电源线、控制线，解决易老化、断裂等问题；增大电源线、控制线截面积，解决因高原散热效率低，电缆温升过高的问题。
4.5.3 器件选用
模拟电路在低温下容易产生特性漂移，应尽量采用数字电路。
保护电器方面，热保护电器产品由于散热环境的变化会造成保护曲线的变化，应该尽量选用电磁保护产品。
保障装备所使用的仪表应选用精度高、耐低气压、密封性好的产品，且具有一定的高原防护功能。应选用耐低温的元器件，仪表要选用C组，即适应低温组别的仪表。
4.6 电器分断性能
高原环境对电器的接触和分断能力有一定的影响，应该尽量选用密封充惰性气体或者真空电器等不受海拔高度影响的电器，但是由于电源车工作振动较为频繁、强烈，密封电器容易因外力而密封失效，在选用该种电器的时候应该验证其抗振性能。无法采用密封或真空电器的设备，应验证其灭弧性能是否符合技术要求。
5. 结语
文章在掌握高原环境特点的基础上，分析了高原环境对电源车电气控制部分的影响，并结合有关标准总结出了高原环境电气设计要点。对高原装备设计中的电气控制系统设计具有一定参考意义。
参考文献
[1]赵徐成，蒋超. 航空地面电源 [M].徐州：徐州空军学院，2010.
[2]王忠华.高原型内燃机电站的设计特点 [J].移动电源与车辆，2006，（3）：7-12.
[3]旺久，李坚.高原电气绝缘性能修正[J].低碳世界，2014，（8）：100-101.
[4]王肃清.高原电工电子产品标准及应用[J].电子工艺技术，2011，32（3）：181-184.