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环境与温度对控制电路、供配电开关设备等实际电路有什么影响?

2021-07-05 Patrick Zhang 阅读:
无论是手机电路、电视机电路,数据交换以及控制电路,还有供配电开关设备和控制设备内部的电路,温度和环境条件对这些实际电路的影响都很大。

知乎上知名的电气工程师,高校电气专业教师@Patrick Zhang 表示,从实用的角度看,探讨“环境与温度对电路有什么影响”还是很有意义的。21bednc

一、温度对电路的影响

温度影响主要体现在几个方面:21bednc

1、温度对电子元器件的影响

由于半导体材料对温度十分敏感,所以温度对电子元器件的影响很大。例如当温度升高时,二极管的正向特性左移,反向特性下移。一般地,在室温附近温度每升高1℃二极管正向压降会减少2到2.5mV;而温度每升高10℃,反向电流增大一倍。21bednc

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图1:二极管的正向和反向特性曲线21bednc

不但二极管是这样的,三极管、运算放大器等等都有类似的问题。21bednc

对于普通的元器件,例如电阻、电容和电感,温度变化同样会影响到它们的工作特性。事实上,我们由 就能看出,电阻元件的阻值与温度θ的关系。21bednc

电容器对温度十分敏感。温度升高后,电容器内部的电介质更容易击穿。21bednc

下图是最普通的收音机电路:21bednc

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图2:收音机电路21bednc

图2中的收音机电路,它由半导体元器件和各种电阻、电容和电感等元件构成。为了抵御温度的影响,电路设计中采取了许多温度补偿措施。这些措施在哪里?21bednc

这些措施贯穿了模拟电子技术的学习和应用。限于篇幅,此处忽略。如果知友们感兴趣,可参阅任何一本《模拟电子技术》教材。21bednc

2、对线路产生影响

温度增高,线路电阻会增大,绝缘材料的绝缘能力会下降。这将引起线路发热,以及线路的介电能力。事实上,任何电路的线路,都有它们的额定电流和额定电压参数。额定电流与运行温度密切相关,而额定电压则与介电能力密切相关。21bednc

3、对电接触产生影响

电接触在电气中比比皆是。例如USB插口,各种插座,继电器的触点和断路器的触头,还有各种母线的搭接面等等都是。它们的电接触效果都与温度有关。21bednc

4、浅谈温升

温升指的是电器表面温度与环境温度之差,用希腊字母τ来表示。温升的单位可以是℃,也可以是K,且两者的数值相同。在实用中,大多以K来作为温升的单位。21bednc

我们看下图:21bednc

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图3:电接触系统简图21bednc

(1)图3中导电杆的温升21bednc

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式1中,ρ0是导电杆材料在0℃时的电阻率;α是导电杆材料的电阻温度系数;θ是导电杆材料的表面温度;Kt是导电杆的综合散热系数,它与导电杆的热辐射、热传导和热对流有关;S是导电杆材料的截面积,M是导电杆材料的截面周长。21bednc

我们看到,导电杆温升与温度的关系非常密切,温度会影响到导电杆材料的电阻值,影响到它的散热。21bednc

(2)图3中的触点接触处的温升21bednc

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式2中的Uj是接触电压;L是洛伦兹系数,T是导电杆的温度(开尔文温标K)。21bednc

所以,当环境温度是θ0时,图1所示动静触点接触处的最高运行温度是:21bednc

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我们由式3看到,温度不但会影响到导电材料的温升,也会影响到电接触的温升。由于τ1的占比可达70%到92%,故在国家标准中以电器的导电杆接线端子处的温升替代电器的温升。21bednc

温升这个名词,在电器(包括开关设备和控制设备)的制造和使用中意义重大,出现的频率非常高。事实上,只要我们进入到与电器有关的行业,不管是电子电路也好,是供配电电路也好,温升就时时刻刻地挂在我们的耳边。大家谈到电路运行时,温升和动热稳定性是最重要也是最常见的3个基本参数。21bednc

我们从温升的表达式(式1)可以猜测出,每一种电器,不管它内部电路有多复杂,哪怕是一台工业控制计算机,它在使用时也存在温升的影响。21bednc

我们设电器的稳定温升是τw,则电器(包括它内部的电路在内)的温升为:21bednc

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式4中的T叫做热时间常数。它的单位如下:21bednc

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对于不同的电路元器件,不管是电阻还是二极管,不管是运放还是总体电路板,也包括电器整机在内,都有各自的热时间常数,以及对应的稳定温升。21bednc

我们令t=4T,代入到式4中,得到:21bednc

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式5告诉我们,当元器件或者电器通电4T的时间后,元器件或者电器就达到了稳定温升。如果输入的电压是额定值,则此时的电流就是额定电流。21bednc

我们看下图:21bednc

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图4:电器的温升曲线(也包括电路元器件在内)21bednc

图4中显示的是长期工作制下的曲线,此时元器件、电路板、线路和外围控制元器件都处于稳定运行状态。注意到长期工作制下进入稳定温升的时间必须大于4T,而断电后的降温也要经历4T的时间。21bednc

对于短时工作制下的电器,例如破壁机或者头发吹风机等等,它们的工作通电时间小于4T,电器表面的温升到达不了稳定温升,而断电散热的时间则长于4T,所以短时工作制下的电器可以适当加大功率,只要电器表面温升不超过稳定温升即可。21bednc

二、环境对电路乃至于电器的影响

环境对电路和电器的影响主要是两方面,其一是污染等级和湿度,当然还有平均温度,其二是海拔高度和气压。21bednc

污染和湿度的影响很容易理解。如果污染尘埃大量地落在电路板上,或者落在导电结构上,在水汽的参与下会发生电化学反应,腐蚀导电体,腐蚀元器件。严重时会发生短路甚至电气火灾。21bednc

也因此,往往要求电路板和元器件的安装要有防护能力,这里的防护指的是对手指、尘埃和水汽的隔离防护。防护等级在国际电工委员标准和国家标准中有规定,叫做IP防护等级,如下:21bednc

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图5:防护等级IP的编码意义21bednc

防护等级并非越高越好。防护等级越高,开关设备和控制设备内部的电路板散热越困难,导线和开关设备同样也散热困难,于是温度的问题跟着就出现了。21bednc

我们都知道,电路上存在许多导电结构,它们要么被绝缘材料与外壳隔离,要么被空间中的空气隔离。在图1中,导电结构之间,导电结构与金属外壳之间,还有继电器的动静触点之间(触点或者触头的开距),都存在电气间隙问题。21bednc

电气间隙的本质是空气的击穿电压。我们看下图:21bednc

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图6:击穿电压的巴申曲线21bednc

注意看图6的横坐标,它的单位是pd,也即压强p与电气间隙d的乘积。我们注意到曲线有最小值存在。从最小值往左和往右,空气的击穿电压曲线都在上升。这就告诉我们,从最小值点越往左,真空度越高,电气间隙就越大,灭弧效果也越好;从最小值点往右,气体压强越来越大,电气间隙也越大,灭弧效果也越好。可见,利用真空或者高压都是加大电气间隙和灭弧的好办法。21bednc

我们知道,高海拔地区的大气压强相对低海拔地区的大气压强要低很多,但又不是真空,所以高海拔地区的空气击穿电压曲线位于图6的右侧。根据图6得知,高海拔地区的空气击穿电压会降低。因此,国家标准中设定了一个坎,就是海拔2000米。小于海拔2000米,开关设备和控制设备中的电气间隙以及元器件无需降容。海拔超过2000米后,必须降容。21bednc

对于图1的电路,图中既有导线之间以及导线与金属外壳(相当于接地导体)的电气间隙,也有继电器动、静触点之间的开距,这些电路参数都与海拔高度关联起来了。21bednc

那么击穿电压Uc与pd有何关系?我们看下式:21bednc

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式6中,A和B是气体性质的系数;T是气体的温度,当然是按开尔文温标标定的;γ是气体的电离度。对于空气来说,海拔越高,宇宙射线越强,空气中的电离度也越高;pd就是空气压强与电气间隙的乘积。21bednc

我们再次看到温度。发现没有,到处都有温度的影子。可见,题主说温度对电路有何影响,这里也是一个例子。其实很容易理解:温度越高,空气分子的热运动就越剧烈,击穿电压当然就降低了。21bednc

我们来看一个实例:某次我设计了一套用在秘鲁某铜矿的成套开关设备,使用环境的海拔高度是4500米。我认真计算了设备内部的电气间隙,并用MATLAB做了仿真,却忽略了继电器的开距问题。到了现场使用时一切都正常,但工作了十几天后,发现继电器的触点会粘连。信息回馈给我后,我突然想到忽略了继电器在高海拔地区使用时要用同类触点串联这个规则。赶紧通知驻在当地的售后服务采取触点串联措施,解决了这个问题。在之后的若干高海拔变电站继电保护方案设计中,我采取了触点串联措施,系统都运行正常。21bednc

所以电气设备工作的环境条件,是我们从事于电气设计时必须考虑到的重点因素。这里有海拔高度、环境粉尘和污染程度、湿度以及平均温度等参数,都必须关注。21bednc

另外,对于系统中的工业控制计算机(工控机)、继电保护装置、仪器仪表、晶闸管调功器等半导体电路的工程项目,它们对环境和温度的要求较高,要特别加以关注。PLC在设计时它的外壳做了特殊外壳处理,温度适应性很强,低于电磁干扰的性能也很好,对工作环境的适应性极强。PLC能得到广泛的应用,能适用于各种工作环境也是重要因素之一。21bednc

(本文作者:Patrick Zhang,电气工程师,高校电气专业教师;微博@老帕聊电气授权转载自知乎,转载请联系作者本人)21bednc

责编:Demi21bednc

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