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为什么 iPhone 的包装说明「电源适配器仅限海拔2000m以下安全使用」?

2016-08-11 张白帆 机械工业出版社E视界


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这是一个所有开关电器都必须遵守的规则。

1.关于空气击穿电压

由于开关电器,包括家用电器和低压电器在内,导电材料和触头之间的绝缘介质一般都是空气,因此,空气的绝缘能力和空气的击穿电压成为一个极为重要的问题。

早在1889年,著名科学家巴申(Paschen)就从实验中总结出多种气体的击穿特性。

我们来看下图:(摘自《低压开关电器手册》)

图中,纵坐标是击穿电压,横坐标是压强与电极间隙的乘积。

我们发现,对于特定气体而言,它的击穿电压与pd有很密切的关系,并且存在最小值。

当pd大于或者小于它的最小值时,击穿电压降随之升高。

由此可见:

如果加大电极间隙的气压,或者将间隙抽成真空,都能提高气体的击穿电压。

2.关于散热能力

海拔越高,空气越稀薄,电器的散热能力也越差。

3.关于宇宙射线

海拔越高,宇宙射线越强,紫外线当然也越强,空气也越容易出现非自持性放电。

看下图:

这是我绘制的有关气体放电的曲线,蓝色的区域就是非自持放电区域,C点的电压就是击穿电压。

结论:

由于以上三个原因,国家标准中把海拔2000米定为限制值。一般的电器在2000米以下使用不会有任何问题,之上使用就要降容。

提一个问题:

家用电器,例如微波炉、电冰箱、空调器和照明灯,在海拔2000米之上使用时,需要降容吗?

回答:

是否降容由绝缘能力、能力,散热能力和灭弧能力决定。

1.凡带有电机的家用电器,在高海拔地区散热困难,因此需要降容。这是因为电机有线圈,线圈需要散热。高原地区散热困难,因此电机类电器需要降容。

2.凡带有控制触点的开关电器,例如断路器、继电器和接触器,由于触头灭弧困难,因此需要降容。特别是继电器,其触头本来就不具备灭弧能力,在高海拔地区灭弧就更加困难,因此要用两个同类触头去串联,以期提高电弧长度,以此实现电弧的降温和熄灭。

不管是洗衣机也好,电饭煲也好,微波炉也好,都存在控制系统更新问题。生产厂家一般会有使用在高原地区的产品。

3.对于照明灯,由于灯具的发光器件一般都是密封在玻璃管内,与气压无关,因此照明灯具无需降容。不过,由于控制电器(例如微断)需要降容,所以控制电器所带的灯具数量需要减少。

4.金属材料的温度越高,它的机械强度就越低。

上图是《低压电器手册》中的附图。我们从左图的曲线1中可以看到铜材料的机械强度σ与温度θ的关系曲线。

右图曲线3是铝,5是钢。这是两种和常见的材料。我们看到它们也是如此。
对于绝缘材料,例如陶瓷,情况也类似。温度越高,它的击穿电压越低,机械强度也越低。

5.最后就是电缆。因为高原地区散热困难,电缆也需要降容。

至此,相信大家都能对此问题作出判定了。

此外,许多朋友说小电器似乎对海拔高度不敏感,其中特指手机充电器。我来解释一下。

电器在使用上存在工作制的问题。电器的工作制,包括长期工作制、8小时工作制、短时工作制和短时周期工作制等等。

长期工作制下,电器长期工作下,电器的温升达到稳态值并长期运行,一旦停用降温又能降到环境温度;短时工作制下,电器短暂地使用,它的温度不会升高到长期使用温度,而停用时间又很长,使得温度降低到环境温度;反复短时工作制下,电器工作周期时间较短,虽然首次工作周期下温度并未升高到稳定温升就停机降温,但温度还高于环境温度时又开始下一周期的工作升温,就这样反反复复,使得电器的温度越来越高。

对于短时工作制,理论上讲,电器的使用功率可以加大。

在高原条件下,按长期工作制工作的电器,例如电冰箱必须降容,否则要使用高原产品;按短时工作制工作的电器,在高原地区使用时,只要能确保它停机时温度能够降低到环境温度,则可以继续使用而无需降容;按反复短时工作制工作的电器,则必须降容。

所以许多小电器,特别是手机充电器,满足短时工作制的工作条件,因此电器的“高原反应”不是很明显。

提个醒:电器的工作制所涉及的问题被称为开关电器的温升。

(-END-)

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