4.2.5 GB/T4797.5 环境条件分类 自然环境条件 降水和风
本部分标准规定了与电工电子产品相关的降水和风环境条件的基础特性、定量描述以及分类。
本部分的目的是为产品选择适当的降水和风相关参数的严酷度提供背景材料。
当为产品应用选择适当的降水和风相关参数的严酷度时，宜选用IEC60721-1给出的数值。
1、概述
1.1）一般说明
地球上的大气层在不断运动中，局部会受热、受冷和变湿。由此在密度上会出现梯度，产生高压区和低压区。由于地球自转的科里奥利力的作用，风并不会由高压区直接吹向低压区。
空气的连续水平运动，促使在广大地区产生缓慢的上升运动，或者地表增热，引起热空气局部上升。空气的上升运动使气压和温度下降，当两者降低得足够多就会形成降水。例如，在20℃时，空气的最大水蒸气含量为17.3g/m3，如果降至0℃，空气中的最大水蒸气含量仅为4.8g/m3。
1.2）降水
具体的降水类型有雨、冰雹或者雪，都是云层发生复杂变化的结果。
形成雨滴还是冰晶取决于各种条件，例如，垂直气流、温度分布以及水滴或冰晶在云层内的合成过程。
1.3）风
风是指地球大气由高压区向低压区的横向运动。
风常是根据强度和风吹来的方向来表示。阵风是短时间的高速风。持续长时间的风根据他们的强度有不同的名称，例如，微风、大风、风暴、飓风、台风。风的形成规模也有很大差异：持续几十分钟的雷暴，到由地表增热引起的持续数小时的微风，以及由气候带之间太阳吸收能量差造成的全球风。大气环流的两个主要原因是从赤道到两极间的热量差别，以及地球的自转。
2、特征参数
2.1）降雨
降雨一般通过以下参数描述：
——降雨强度（水平表面上累积的降雨高度），单位为毫米每小时（mm/h）；
——雨滴尺寸分布：典型数值是直径1mm~2mm，在雷暴中，雨滴尺寸可能到5mm~8mm；
——降落速度分布：典型数值为2m/s~12m/s；
——雨滴温度。
在这里不考虑如由于空气污染溶解的杂质、海盐等的其他参数，尽管这些参数可能对产品有较大的影响。
表1给出了不同类型雨的参数。
表1 雨的特征（长期的平均值）
降水类型 | 最大降雨强度（mm/h） |
细雨 | 0.25 |
小雨 | 1.0 |
中雨 | 4.0 |
大雨 | 16 |
暴雨 | 50 |
大暴雨 | >50 |
一般情况下，雨滴温度与通风于湿表的湿球温度相同，但也有可能发生偏差，例如在以冰晶形态构成的雨或者在降雨的初级阶段。
2.2）冰雹
冰雹一般通过以下参数描述：
——直径：典型数值5mm~15mm；
——密度：典型大冰雹会大于800kg/m3，而小冰雹会小于此数值；
——降落速度；
——冲击能量；
——典型阻尼系数（Cd）为0.6，但是冰雹的尺寸、形状的不规则和表面粗糙度会影响其数值。
本部分仅考虑直径较大的冰雹，因为他们具有破坏作用，但是最经常发生的还是直径较小的冰雹。
冰雹的降落速度由式（1）计算：
v=
。。。。。。。。。（1）
式中：
v——降落速度，单位为米每秒（m/s）；
W——重量（质量乘以重力加速度），单位为牛顿（N）；
Cd——阻尼系数；
ρ0——大气密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；
A——截面积，单位为平方米（m2）。
海平面上15℃时，干空气的标准大气密度ρ0=1.225 kg/m3。
冲击能量，通过质量（直径，密度）和降落速度计算。
冲击能量由式（2）计算。
E= 。。。。。。。。。（2）
式中：
E——冲击能量，单位为焦耳（J）；
m——冰雹的质量，单位为千克（kg）；
v——降落速度，单位为米每秒（m/s）。
表2给出了直径20mm及以上冰雹的特性。
表2 冰雹特性
直径mm | 质量g | 降落速度m/s | 冲击能量J |
20 | 4 | 18 | 1 |
50 | 59 | 28 | 24 |
60 | 102 | 31 | 49 |
70 | 162 | 34 | 91 |
80 | 241 | 36 | 155 |
90 | 344 | 38 | 248 |
100 | 471 | 40 | 378 |
注：表中的数值是经过圆整以后的数据。 |
下列数值应用于表2：Cd =0.6；ρ=900 kg/m3（冰雹）。
2.3）雪
雪是由水滴以雪晶形式冻结形成的。如果被强风吹，雪晶会破碎成小颗粒。新降落的雪的密度范围为70 kg/m3~150 kg/m3，陈雪的密度一般为400 kg/m3~500 kg/m3，甚至高达910 kg/m3。如果雪的密度超过910 kg/m3，则视为冰。实雪的密度通常为600 kg/m3。风破坏雪花的形状导致雪的密度增加，温度也会增加雪的密度。由于沉积作用，雪的密度也会增加。
2.4）风
风速受地面以上局部地貌和海拔的影响很大。地表越不平坦，靠近地面的风速被降低的程度越大，因此，地面附近的风速和远离地面的风速通常差别较大。
3、分类
3.1）概述
雨雪、冰雹和风对产品产生不同影响，单独影响，综合影响，或者跟其他环境因素综合影响。
下面给出了单个以及综合参数的例子。
3.2）正常降雨
降雨强度随纬度、气候和季节的变化差别较大。一般来说，最大的降雨强度出现在热带的暴风雨以及飓风类的暴风雨中。
一般降雨包括不同尺寸和速度的雨滴。雨滴的特性主要取决于大气的温度和水分含量，这些特性会使得降落中的雨滴部分或者全部汽化，一般来讲，在较高的地面温度和较高的相对湿度下，雨滴的直径中值较大。因此，热带地区雨滴的直径一般比例如北欧地区的要大。
3.3）大风雨
大风雨是风和雨的组合。风使雨滴在降落速度上又增加了一个水平的速度，还可能会给封装件造成负压。由于雨水低温的冷却作用，降雨本身也会形成负压。
3.4）结冰
3.4.1）概述
雨水降落到0℃以下的表面上（例如，由于向晴夜天空的辐射），或者过冷雨滴的碰撞，会形成结冰。
3.4.2）霜
当湿润空气接触到0℃以下的表面并凝华时会形成霜，当风速比较低的时候往往会形成霜。霜由针状结晶体组成，表面的附着力比较低。
3.4.3）雾凇
雾凇是通过风携带的过冷水滴反复的跟物体碰撞和结冰形成的，由于附着在物体上的点非常小而且迎风生长，非常典型的外观特征呈现“虾尾”状，呈白色，粒状结构。雾凇可能会与雪同时发生，导致物体大面积被雪覆盖。
3.4.4）纯洁冰
当过冷水滴在某表面上结冰时会形成纯洁冰，坚硬透明或不透明，它可以形成中间有小气孔的层状结构。纯洁冰一般没有特定的结构，纯洁冰结构紧凑，密度较大，附着力较强。当温度较低风速较高时，会形成纯洁冰。
3.4.5）雨凇
由过冷却雨降落到物体表面，在结冰之前形成水膜，则会产生雨凇。雨凇的密度和附着力都比较大，没有气泡。
3.4.6）结冰过程
结冰类型主要取决于：
——空气温度；
——风速；
——过冷水滴的直径；
——液体水含量。
圆柱表面的结冰取决于：
——圆柱半径；
——风速；
——水滴尺寸。
3.5）冰雹
在世界大部分地区都会发生直径在20mm以下的冰雹，直径超过50mm的冰雹发生概率较小。
3.6）雪载
最大雪载一般出现在冬季比较寒冷时的南方地区（对于北半球而言，南半球正好相反），特别是海洋性气候区域。这些地区的雪载强度一般为2kPa，相当于高度为2m的新降雪或者0.7m的陈雪。在山区雪载强度可能达到10倍之多。
注：此上所列的气候条件是世界范围，不适合我国国情。
3.7）吹雪
吹雪是风和雪的综合作用。此条件下的雪可能含有非常细的颗粒，足以侵入到产品的狭缝和接口。雪的水平流量随着离地面高度的增加而降低。吹雪会在物体的背风面形成。消除吹雪的一种方式，是建立一个防雪栅栏。防雪栅栏的效力决定于栅栏的高度以及与保护对象的距离。
3.8）风力
作用在物体上的风力取决于平均风速、物体的尺寸和形状。风力可以通过式（3）计算：
F= 。。。。。。。。。（3）
式中：
F——风力，单位为牛顿（N）；
Cd——阻尼系数；
ρ0——大气密度，单位为千克每立方米（kg/m3）；
v——平均风速，单位为米每秒（m/s）；
A——物体面积，单位为平方米（m2）。
Cd由物体的形状和表面决定。例如，对于立方体来说，Cd值约为1.05，但对于电线电缆，则为1.0~1.3。
空气的密度ρ0，在标准大气压，温度为20℃时，为1.204 kg/m3。
阵风会产生短时力的冲击，在某些情况下，可能是周期性的，当与物体固有响应频率相同时，会引起大的振幅。这类阵风的频率一般低于1Hz。
一个特殊的现象是，迎风的圆柱体，由于风力的作用，后方释放出双排漩涡，它作为一种周期性的力反作用在垂直风向的圆柱上，这种现象通过Strouhal数（斯特鲁哈尔数）描述。Strouhal数是一个无量纲数，用于描述振荡流机制，是雷诺数的函数。该力的频率通过式（4）计算：
f= 。。。。。。。。。（4）
式中：
f——频率，单位为赫兹（Hz）；
St——Strouhal数，对广泛雷诺数约为0.2；
v——风速，单位为米每秒（m/s）；
d——圆柱体直径，单位为米（m）。
4.2.6 GB/T4797.6 环境条件分类 自然环境条件 尘、沙、盐雾
本部分阐明自然界中出现的尘、沙、盐雾的特性，以及这些环境因素对在储存、运输和使用期间暴露其中的的影响。虽然这些环境因素的影响经成和风有密切的联系，但本部分不涉及风的环境因素，相关内容参加GB/T4797.5。
1、尘、沙、盐雾对产品的影响
1.1）尘、沙、盐雾以及相关联的风，能在各个方面对产品产生影响，最主要的是：
a）尘进入密封容器或密封体中；
b）使电气性能劣化，例如接触失效、接触电阻改变、电位器的轨道电阻变化；
c）引起轴承、轴、旋钮和其他运动部件的磨损或故障；
d）表面剥蚀（侵蚀、腐蚀）；
e）导致光学表面模糊；
f）使润滑剂受污染；
g）热传导率降低；
h）导致工作的通风孔、轴衬、导管、过滤器、孔等阻塞；
i）高速运动（如沙暴）时产生静电，影响通讯系统。
1.2）尘、沙与其他环境因素（如水蒸气）的结合出现，会对产品产生严重的影响，例如发生腐蚀和长霉。湿热大气与具有化学腐蚀性的尘结合，会引起腐蚀。在大气中，盐雾也会产生类似的效果。
1.3）考虑离子传导和腐蚀性尘（例如消冰盐等）的影响。
2、自然尘与沙环境
2.1）尘和沙的分类
根据不同的空气动力学特性，尘和沙的区分如下：
——尘：可定义为无规定来源或组成的物质粒子，大小在1μm~150μm之间，由于自然的空气湍流，直径小于75μm的粒子，可在大气中旋流很长时间；
——沙：是由碎岩屑沉积物的凝离的非压实的堆积物来表示的，其基本构成为园状的石英颗粒，大小在150μm~1000μm之间。在沉积岩石学中应用本术语时，则是针对100μm~1000μm之间大小的粒子。除非是在不断地受到强的自然或诱发气流或湍流情况下，直径大于150μm的粒子是不可能停留在空中传播的。
2.2）沙尘的类型与特征
2.2.1）沙尘的类型
自然界中的大多数沙尘，主要成分是石英。在沙漠和类似的多尘地区，沙尘会使产品遭受损伤。石英的主要特点是硬度大，它能对产品，特别是运动部件，导致快速磨损或损伤。但是材料的磨蚀通常是在沙尘与高速气流或沙尘与较长作用时间周期相结合时才会发生。
2.2.2）沙尘的特性
2.2.2.1）自然尘的重要特性，是其非吸收性和化学惰性，但当大气中含有湿气或其他气体时，则可能对金属产生腐蚀作用。
2.2.2.2）细粒尘的最显著特点，通常是其非磨损性和吸湿性。
2.2.3）沙尘特征
2.2.3.1）颗粒大小
尘与沙颗粒大小的近似范围是：
——细粒尘 75μm以下；
——粗粒尘 75μm~150μm；
——沙 150μm~1000μm。
尘和沙大小的近似分布如图1所示。
2.2.3.2）粒子硬度
单个粒子的硬度，可用来确定它对所接触物品的刮伤能力。由结晶石英微小碎渣或其他矿物质构成的沙，通常比大多数熔融硅石玻璃稍硬些。因此，沙能刮伤多数光学玻璃装置表面，在捕集的沙的粒子上施加压力可使之发生破裂。几种普通物质的硬度等级（莫氏硬度）见表1。具有较高硬度等级的物质能刮伤任何较低硬度等级的物质。
表1 几种普通物质的硬度等级
莫氏硬度等级 | 代表物质 | 典型物质 |
1 | 滑石 | 石墨 雪花石膏、硅藻土 |
2 | 石膏 | 高岭石 方铅矿石、云母，（指甲） |
3 | 方解石 | 花岗石、大理石、蛇纹石 霰石、白云石 |
4 | 氟石 | 萤石 |
5 | 磷灰石 | 石棉、蛋白石 |
6 | 正长石 | 磁铁矿石、长石 玛瑙、紫磷酸铁锰矿石、（刀具钢） |
7 | 石英 | 燧石、石英玻璃、橄榄石 红柱石、电石 |
8 | 黄晶 | 金刚砂 |
9 | 刚玉 | 蓝宝石 |
10 | 金刚石 | 钻石 |
2.2.4）浓度
2.2.4.1）根据质量可测算出浓度，即单位体积空气中粒子的质量。大气中沙尘的浓度，随着地理位置，地区气候类型与条件及人类活动程度而有较大的差异。在某些条件下，大量的沙尘是从表面的浮尘局部地和暂时地发分离出而随风飘逸。
2.2.4.2）在温和地区内，各种区域所遇到沙尘的典型浓度如表2所示。
表2 典型的沙尘浓度
地区 | 沙尘浓度mg/m3 |
乡村和市郊 | 0.04~0.11 |
城市 | 0.10~0.45 |
工业区 | 0.50~2.00 |
2.2.4.3）较高的沙尘浓度出现在诱发条件下，例如直升机和履带式车辆引起的的情况。附录A说明由直升机和车辆诱发的沙尘浓度的近似值。
2.2.4.4）沙漠上不同高度处的典型沙尘浓度，如表3所示。沙漠中近地层的沙尘在气流中的运动形式见附录B。
表3 沙漠上沙尘浓度随高度增加的变化情况
能见度条件 | 高度m | 沙尘浓度mg/m3 |
晴天，能见度130km | 150 300 600 1200 1800 | 0.21 0.22 0.17 0.14 0.055 |
沙尘暴，能见度300m 风速10m/s~15m/s | 150 300 600 900 1200 | 2.00 17.40 7.00 1.80 0.64 |
2.2.4.5）沙尘浓度及大颗粒出现的机率，随风速的增大而增加。图2说明了这种关系的一般情况，但它随诸如温度、湿度、粒子构成等因素而异。大于150μm的粒子，一般被限制在近地面1m的空气层内。在这层内约有半数沙粒（以质量计）是在地面上10mm内运动的，而另一半，大多数是在近地面上100mm内运动。
图2 沙尘最大颗粒尺寸与风速的关系图
注：本图为对最大粒子尺寸有影响的近地面条件（小于1m）的曲线
我国西北地区空气中沙尘含量（个/cm3）与风速关系的实测结果，见图3：
图3 户外大气中含沙量与风速的关系
注：本图为新疆火焰山戈壁滩，距地面1m高度，空气中含沙量与风速关系数据。
2.3）影响沙尘环境的因素
2.3.1）沙尘环境受诸如地形、风、温度、湿度和降水因素的影响和控制。这些因素中的任一个都不能独立的支配某地区是有尘或无尘问题，通常要有两个或更多个因素的互相结合才起作用。自然界中发生最严酷的情况，如在沙漠地区，通常所有因素对沙尘的高浓度有重要影响。地形的结构特征能够引起高速的强风，引起沙尘暴。例如，当空气强劲地通过山坳类型的地貌结构时，会显著地增大风速。
2.3.2）沙，广泛分布于地球陆地表面。表4列出了世界上主要沙漠，是自然界风吹沙尘的主要来源。世界上主要沙漠构成的面积约占陆地总面积的五分之一。所有的大陆都接壤宽度不同的沙滩，在很多内陆地区表面或接近表面有大片沙地，这些地区以前是被水覆盖。
表4 世界主要沙漠
沙漠名称 | 地理位置 | 面积 x105km2 |
撒哈拉沙漠 | 北非 | 7.8 |
澳大利亚沙漠 | 澳大利亚 | 3.4 |
阿拉伯沙漠 | 阿拉伯东南岸 | 2.6 |
土耳其斯坦沙漠 | 前苏联西南部 | 1.9 |
北美沙漠 | 美国与墨西哥 | 1.3 |
巴塔哥尼亚寒漠 | 阿根廷 | 0.7 |
塔尔沙漠 | 印度和巴基斯坦 | 0.6 |
卡拉哈利沙漠 | 南非 | 0.6 |
伊朗沙漠 | 伊朗 | 0.4 |
阿塔卡马-秘鲁沙漠 | 智利和秘鲁 | 0.4 |
塔克拉玛干沙漠 | 中国 | 0.3 |
我国主要沙漠数据见表5。我国沙漠（包括戈壁及沙漠化土地）总面积有130.8x104km2，约占我国土地总面积的13.6%。
表5 我国主要沙漠及其地理位置和面积
沙漠名称 | 地理位置 | 海拔 m | 面积 x103km2 |
塔克拉玛干沙漠 | 新疆塔里木盆地 | 840~1200 | 337.6 |
吉尔班通古特沙漠 | 新疆准噶尔盆地 | 300~600 | 48.8 |
库姆塔格沙漠 | 新疆东部、甘肃西部；罗布泊低地南部，阿尔金山北部 | 1000~1200 | 22.8 |
柴达木盆地沙漠（包括沙蚀地） | 青海柴达木盆地 | 2600~3400 | 34.9 |
巴丹吉林沙漠 | 内蒙古阿拉善高原西部 | 1300~1800 | 44.3 |
腾格里沙漠 | 内蒙古阿拉善高原东南部 | 1400~1600 | 42.7 |
乌兰布和沙漠 | 内蒙古阿拉善高原东北部，黄河河套平原西南部 | 1000 | 9.9 |
库布齐沙漠 | 内蒙古鄂尔多斯高原北部，黄河河套平原西南部 | 1000~1200 | 12.1 |
毛乌素沙地 | 内蒙古鄂尔多斯高原中南部和陕西北部 | 1300~1600 | 32.1 |
浑善达克（小腾格里）沙地 | 内蒙古高原东部的锡林郭勒盟南部和昭乌达盟西北部 | 1200 | 21.4 |
科尔沁沙地 | 东北平原西部的西辽河下游 | 100~300 | 42.3 |
呼伦贝尔沙地 | 内蒙古东北部的呼伦贝尔高平原 | 600 | 7.2 |
2.3.3）与沙相比，尘粒子有极低的沉降速度，能在空气中长久维持悬浮状态，并可停留于任何所处的表面。在干燥条件下，含尘量（以质量计）9%以上的土壤会变成至少中等粉末状，含尘量大于14%以上的土壤可能完全灰尘状。除南极外，世界陆地面积的40%为干旱地区，而另有40%是属于季节性干燥地区，因此，一年中大部分时间，世界陆地表面的大部分地区，预期会出现尘。
甚至在有大雨的区域，如果那里的保护覆被被破坏，尘也会产生。许多潮湿地区有很好的排水，以致大部分无保护的土壤在大雨后非常短的时间内会变成尘。
2.3.4）图4描述了在中等强度内陆风地区，风的出现情况。图5描述了我国西北地区起沙风（风速≥5m/s）的出现次数与风速频率的关系。
图4 在中等强度风的内陆地区风的出现情况
图5 起沙风的出现次数与风速频率的关系
注：本图为新疆塔克拉玛干地区起沙风与风速的关系。
2.3.5）图6描述了不同大小粒子的沉降速度。从该图可估计沉降时间，对小粒子应考虑热变化和其他气流对沉降时间的影响。
图6 静态空气中粒子的沉降速度
注：曲线为温度0℃，大气压力为101.3kPa时，浓度为1g/cm3的粒子的情况。
3、百叶箱和封闭场中的沙尘
3.1）沙尘特征
3.1.1）尘的特征
在百叶箱和封闭场所，可发现各种物质的尘，如石英、水泥、粉状物、有机纤维等。
3.1.2）颗粒大小的分布
颗粒大小的分布，按是否户外、装卸车辆或百叶箱场所来考虑而有显著的差异。由于掩护物的过滤作用，在百叶箱和封闭场所中的最大粒子尺寸，要比无气候防护场所的小些。在百叶箱和封闭场所中最大粒子尺寸约为100μm。
3.1.3）尘的沉积密度
在不同地区沙尘沉积密度的典型值见表6。沙尘沉积量值是从户外大气流入测量器中沙尘的样品，不可拿它们来考虑封闭场所中的局部尘，例如，在矿山、水泥厂、锯木厂和类似场所中，在那里沉积的发生遍及整个生产过程。
表6 典型的沙尘沉降密度
地区 | 沙尘沉积量 mg/m2*h |
乡村和郊区 | 0.4~15 |
城市 | 15~40 |
工业区 | 40~80 |
3.2）影响沙尘环境的因素
3.2.1）地区和场所
3.2.1.1）在百叶箱或封闭场所中，沙尘产生的影响与户外场所，例如在沙漠地区出现的尘暴，尘土路上行驶车辆周围的局部环境等，有显著的差异。
3.2.1.2）在百叶箱和封闭场所出现的沙尘，是由多种来源引起的，沙尘可能是石英、消冰盐、肥料等，它们可通过通风孔或损坏的窗户侵入这样的场所。
3.2.1.3）尘也可能是天然的小纤维或人造材料组成的，例如，从起居室或办公室日常使用的衣服或地毯产生的。
3.2.1.4）其他的尘缘（例如种子）会在仓库里或面粉作坊里出现。
3.2.1.5）物质颗粒大小的分布，随不同类型的尘而异。唯一共同点是，它们具有的最大粒子尺寸是近似一致的。
3.2.2）尘的影响
在百叶箱或封闭场所，也有微小的空气运动，识别这种气流作用的依据是：
a）沉积：产品上沙尘的沉积，可能由四种不同的机理引起：
1）在停滞空气中的沉积；
2）在被保护表面上的沉积；
3）静电力的吸引；
4）用狭孔通道捕集，例如在有强迫空气循环的过滤器中。
空气运动有延缓或阻碍沙尘沉积的倾向。
b）侵入：沙尘侵入产品内的过程可能是这样发生的：
1）由强迫空气循环带入内部；
2）由空气的热运动带入内部；
3）由空气的热膨胀和凝缩或大气压力的变化，进入内部。