電動(dòng)挖掘機(jī)在高原環(huán)境下的電氣特性及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岳海峰，吉孟蘭

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

電動(dòng)挖掘機(jī)在高原環(huán)境下的電氣特性及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岳海峰，吉孟蘭

（太原重工股份有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030024）

首先介紹了青藏高原特殊環(huán)境下電氣元件的特性，然后針對(duì)電動(dòng)挖掘機(jī)重點(diǎn)論述了海拔5 500 m高原電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)和原則。所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐檢驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目的，實(shí)現(xiàn)了5 000 m以上超高原挖掘機(jī)的應(yīng)用，為高原電控產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了可靠的參考依據(jù)。

高原；電氣特性；挖掘機(jī)；電控系統(tǒng)

從2012年開(kāi)始，太原重工與驅(qū)龍、甲瑪用戶(hù)開(kāi)展合作，研發(fā)制造適用于海拔5 500 m環(huán)境的機(jī)械式正鏟電驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)。本文以西藏驅(qū)龍、甲瑪挖掘機(jī)項(xiàng)目產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)為例，重點(diǎn)闡述了高原電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的方法。此產(chǎn)品的成功開(kāi)發(fā)與投產(chǎn)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)同類(lèi)產(chǎn)品無(wú)超高原應(yīng)用的空白。

1 高原環(huán)境對(duì)產(chǎn)品的影響

高原地區(qū)自然氣候條件惡劣，主要特征為: 1）空氣稀薄，紫外線輻射強(qiáng)；2）晝夜溫差變化大，年降雨量極少；3）常年多風(fēng)，土壤凍結(jié)期長(zhǎng)。

在這些苛刻的條件下，對(duì)電氣元件會(huì)產(chǎn)生重要的不利影響:1）絕緣性能變差?？諝庀”∫约暗兔芏鹊目諝饨橘|(zhì)造成絕緣性變?nèi)酰?）散熱變差，溫升加快；3）紫外線強(qiáng)烈，使空氣容易電離而導(dǎo)致外絕緣強(qiáng)度和電暈起始電壓降低；

特定條件下，對(duì)施工材料的影響主要有:太陽(yáng)輻射度高；日夜溫差大，濕氣冷凝。

2 高原電控產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2.1 高壓開(kāi)關(guān)元件

挖掘機(jī)運(yùn)行海拔超出了規(guī)定的高度，產(chǎn)品性能的主要影響表現(xiàn)在2個(gè)方面:介電性能和開(kāi)關(guān)元件的溫升。其中介電性能又包括外絕緣電氣間隙和工頻耐壓試驗(yàn)值修正，設(shè)計(jì)中參考如下公式修正:

外絕緣電氣間隙修正系數(shù)為

工頻耐壓試驗(yàn)值修正系數(shù)為

式中:H為海拔高度。

開(kāi)關(guān)元件的溫升隨海拔的升高而遞增，然而環(huán)境溫度隨海拔的升高卻降低。雖然這對(duì)產(chǎn)品的溫升有一定的補(bǔ)償作用，但若在戶(hù)內(nèi)使用時(shí)，當(dāng)補(bǔ)償作用不大時(shí)仍然需要溫升修正，設(shè)計(jì)中參考如下公式:

戶(hù)內(nèi)使用溫升修正系數(shù)為

式中:τH為高海拔溫升；τ1000為海拔1 000 m溫升值。

西藏項(xiàng)目電壓等級(jí)10 kV，海拔5 500 m，根據(jù)上述修正公式（以1 000 m海拔為基準(zhǔn)）可得:KHa=1.736 9,KHb=1.818 18,τH=1.144 5×τ1000。

挖掘機(jī)高壓回路主要元器件包括負(fù)荷開(kāi)關(guān)、真空接觸器、高低壓集電環(huán)及元件間連接電纜。

2.1.1 高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)

按照GB或IEC標(biāo)準(zhǔn)，12 kV高壓負(fù)荷開(kāi)關(guān)（海拔1 000 m以下）的相間中心距不小于150 mm，考慮修正系數(shù)KHa=1.736 9,那么外絕緣電氣間隙至少大于260 mm。設(shè)計(jì)中考慮選用高一檔電壓等級(jí)負(fù)荷開(kāi)關(guān)NALF24（24 kV，極間距275 mm），并進(jìn)行修正系數(shù)核算，修正系數(shù)可達(dá)到1.83。而24 kV電壓等級(jí)亦滿足工頻耐壓修正系數(shù)值大于KHb=1.818 18要求，達(dá)到相間及對(duì)地65 kV。另外，為了彌補(bǔ)其他電氣元件空間距離增大造成整個(gè)高壓柜尺寸變大，負(fù)荷開(kāi)關(guān)組合安裝方式由原來(lái)的正面安裝改為側(cè)面安裝以節(jié)省空間。

2.1.2 真空接觸器

真空接觸器內(nèi)絕緣為真空無(wú)需增大絕緣距離，但需要對(duì)外絕緣采取措施。限于空間尺寸限制，真空接觸器采用高原專(zhuān)利產(chǎn)品。主電路采用環(huán)氧自動(dòng)壓力凝膠一次成型的筒形絕緣結(jié)構(gòu)，剛性好，絕緣強(qiáng)度高。另外在接線柱間增加樹(shù)脂絕緣隔板將相間隔開(kāi)，工頻耐受電壓可以達(dá)到65 kV。

2.1.3 高低壓集電環(huán)

由于要求的電氣間隙增加，而集電環(huán)高度受限，因此高海拔項(xiàng)目的集電環(huán)取消控制信號(hào)環(huán)，轉(zhuǎn)而采用無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行信號(hào)的傳輸，將空間留給高壓環(huán)以增加絕緣間距。

為保證高原5 500 m集電環(huán)的電氣性能滿足要求，參照GB/T—20635—2006特殊環(huán)境條件高原用高壓電器的技術(shù)要求調(diào)整如下:1）集電環(huán)高壓室內(nèi)腔加大，原集電環(huán)高壓室內(nèi)腔為700 mm，現(xiàn)加大為800 mm；2）高壓室高度增加，原高壓室高度為622 mm，現(xiàn)高壓室高度為782 mm；3）增強(qiáng)高壓室滑環(huán)與中間中軸之間的絕緣，中軸纏繞多層黃金薄膜以防接地；4）在刷架骨架的螺栓上用絕緣橡膠帽黏接用來(lái)保證電氣性能；5）更新上線結(jié)構(gòu)（低壓室線通過(guò)高壓室中軸進(jìn)入低壓室），增加高壓室滑環(huán)的爬電距離。

2.1.4 變壓器

高海拔變壓器重新設(shè)計(jì)制造:采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行澆鑄，并增加銅材、銅箔；在工藝上，通過(guò)改變變壓器的主空道來(lái)改變低壓到軛鐵距離等方面對(duì)耐壓以及溫升進(jìn)行修正；最后增加自動(dòng)加熱除濕系統(tǒng)。

絕緣耐壓水平的修正:根據(jù)GB1094.11規(guī)定，當(dāng)海拔高度超過(guò)1 000 m時(shí)，高度每升高100 m為一級(jí)，短時(shí)工頻耐壓值增加1%。10 kV變壓器的額定工頻耐壓為35 kV，按海拔5 500 m考慮，設(shè)計(jì)時(shí)工頻耐壓為35×（1+45×1%）=50.75 kV。

溫升設(shè)計(jì)的修正:根據(jù)GB1094.11規(guī)定，海拔高度超過(guò)1 000 m時(shí)，高度每升高500 m為一級(jí)，溫升要增加2.5%（自冷式變壓器）。對(duì)于溫升限值為100 K的變壓器，在海拔5 500 m的情況下，溫升將增加22.5 K（100×9×2.5%=22.5 K）。即溫升設(shè)計(jì)時(shí)至少大于122.5 K。

修正后的實(shí)際電壓等級(jí)已相當(dāng)于25 kV的變壓器，熱絕緣等級(jí)180℃以上。平均溫升125 K以上（普通海拔為F級(jí)155℃，平均溫升100 K），從而很好地滿足了變壓器高海拔運(yùn)行溫升和工頻耐壓的要求。

2.2 主回路驅(qū)動(dòng)裝置

2.2.1 變頻驅(qū)動(dòng)裝置

高原產(chǎn)品選用SIEMENS S120高性能交流變頻裝置。較之前的6SE70產(chǎn)品，S120并非原有產(chǎn)品的升級(jí)，而是立足于高原應(yīng)用，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以及絕緣材質(zhì)等都有本質(zhì)提升。在此基礎(chǔ)上高原應(yīng)用電流降容見(jiàn)表1。

表1 西門(mén)子S120單元電流降容系數(shù)Tab.1 Current derating ratio of compact unit S120 series（made in SIEMENS）

按照表1電流降容系數(shù)參數(shù)表，海拔大于2 000～5 000 m電流降容取決于環(huán)境溫度與海拔高度，在海拔4 500～5 000 m，環(huán)境溫度25℃，電流降容系數(shù)為97.5%。

根據(jù)SIEMENS S120產(chǎn)品手冊(cè)（英文版），挖掘機(jī)滿足以下條件電壓無(wú)需降容:1）隔離變壓器低壓或中壓供電；2）變壓器與變頻器進(jìn)線間電纜非高架線。

2.2.2 交流變頻電機(jī)

為進(jìn)一步確保高原變頻電動(dòng)機(jī)的性能和質(zhì)量，太重與某電機(jī)廠聯(lián)合開(kāi)發(fā)了特種礦用變頻電動(dòng)機(jī)并采取了如下措施:1）與西門(mén)子礦山部聯(lián)合確定電機(jī)參數(shù)以及設(shè)計(jì)思路，并充分利用該電機(jī)廠與美國(guó)GE電機(jī)合作制造技術(shù)；2）留有充足的轉(zhuǎn)矩與溫升裕度，并將電機(jī)冷卻風(fēng)機(jī)功率及出風(fēng)口風(fēng)壓提高到原來(lái)的2倍，以確保電機(jī)轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行可靠性；3）非傳動(dòng)端采用進(jìn)口絕緣軸承，以避免軸電流形成，并采用C級(jí)絕緣材料，提高電機(jī)溫升裕度；4）轉(zhuǎn)子籠條采用銅合金材料，端部焊接采用感應(yīng)焊一次成型，確保籠條的焊接質(zhì)量，設(shè)置軸接地滑環(huán)，為軸電流提供接地通道。

交流變頻電機(jī)C級(jí)絕緣（220℃）溫升200 K，有足夠余量，以某型號(hào)高原提升電機(jī)為代表做了以下2個(gè)電機(jī)試驗(yàn):

1）溫升試驗(yàn)。依據(jù)高原機(jī)車(chē)車(chē)輛電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)條件TB/T 3213—2009，電機(jī)安裝海拔每升高100 m，溫升限值增加0.8 K，進(jìn)行了修訂。提升電機(jī)試驗(yàn)溫升值為125 K（試驗(yàn)地海拔300 m），按照海拔5 500 m修訂，修訂值為169 K，低于電機(jī)運(yùn)行溫升200 K。在外部風(fēng)冷條件下該型號(hào)提升電機(jī)在南非現(xiàn)場(chǎng)（最高運(yùn)行溫度低于90℃，環(huán)境溫度接近30℃）實(shí)際工作時(shí)溫升低于160 K。

2）絕緣試驗(yàn)。根據(jù)特殊環(huán)境條件，按照高原電工電子產(chǎn)品GB/T20626.1—2006對(duì)電機(jī)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。海拔5 500 m對(duì)地耐壓值為原電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算值的2倍即6 000 V。對(duì)提升電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了耐壓試驗(yàn)。

2.3 低壓元件的選型

對(duì)普通低壓電氣元器件的設(shè)計(jì)，由于海拔升高造成的溫升增加值與因海拔升高所引起大氣溫度的降低值互相抵消，因此無(wú)需額外考慮降容使用即可滿足工況要求。

海拔5 500 m對(duì)于220 V/380 V電壓等級(jí)的低壓開(kāi)關(guān)電氣元件影響并不大，只需要考慮空氣冷卻和介電特性，再參照樣本在分?jǐn)嗄芰Ρ３植蛔兊那闆r下對(duì)電流修正后進(jìn)行選型即可。微斷路器、塑殼斷路器等器件的絕緣電壓均能滿足要求，為確保斷路器可靠工作，額定工作電流按（80%～90%）In降容使用［7］。

2.4 輔材的特殊處理

氣路系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)軟管均采用抗紫外線的專(zhuān)用軟管，連接螺栓采用鍍鋅螺栓。司機(jī)室增設(shè)增壓、增氧系統(tǒng)，提高承壓能力和密封性。玻璃增加抗紫外線貼膜。

3 結(jié)論

海拔5 500 m的超高原只有0.57個(gè)大氣壓，空氣稀薄氣壓低導(dǎo)致電氣設(shè)備絕緣能力、散熱性能大大降低。在設(shè)計(jì)過(guò)程中為了克服這些不利影響，采取相應(yīng)措施解決了設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)難題: 1）提高絕緣配合。增大電氣間隙，對(duì)絕緣參數(shù)按照國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚?）從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和高原型電氣關(guān)鍵件選擇出發(fā)，優(yōu)先選用可靠型產(chǎn)品；3）針對(duì)電氣材料的絕緣水平，選用更高電壓等級(jí)產(chǎn)品；4）散熱方面，增加通風(fēng)量并對(duì)輔助設(shè)備增容使用。

從長(zhǎng)達(dá)3 a實(shí)際投運(yùn)的電動(dòng)挖掘機(jī)（青海木里2臺(tái)103（海拔:4 100 m）、西藏甲瑪2臺(tái)103（海拔5 360 m）、西藏巨龍1臺(tái)123（海拔:5 600 m），共計(jì)5臺(tái)）的使用情況看，按照上述設(shè)計(jì)思路和方法生產(chǎn)的挖掘機(jī)完全滿足現(xiàn)場(chǎng)使用工況要求。

［1］JB/T 7573—1994高原環(huán)境條件下電工產(chǎn)品通用技術(shù)條件［S］.

［2］GB/T 2900.20—1994電工術(shù)語(yǔ)_高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備［S］.

［3］GB/T 20635—2006特殊環(huán)境條件高原用高壓電器的技術(shù)要求［S］.

［4］GB 1094.11—2007電力變壓器第11部分:干式變壓器［S］.

［5］TB/T 3213—2009高原機(jī)車(chē)車(chē)輛電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)條件［S］.

［6］GB/T 20626.1—2006特殊環(huán)境條件高原電工電子產(chǎn)品第一部分:通用技術(shù)要求［S］.

［7］GB 16935.1—1997低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合，原理、要求和試驗(yàn)［S］.

［8］IEC 60947—1—2004 Low Voltage Switchgear and Controlgear-general-rules［S］.

Electrical Properties and System Design of Electric Excavator in the Plateau Environment

YUE Haifeng，JI Menglan
（Technology Center of Taiyuan Heavy Industry Co.，Ltd.，Taiyuan 030024，Shanxi，China）

The characteristics of electrical components were described in the special circumstances of tibetan plateau，it focused on the design basis and principles of the plateau 5 500 meters above sea of electric excavator electrical system.Product field-proven operation achieved a plateauultra-excavator applications above 5 000 meters，it provide a reliable reference for plateau electronic control products designed.

plateau；electrical characteristics；excavator；electronic control system

TP23

A

10.19457/j.1001-2095.20170517

2016-04-25

修改稿日期：2016-09-29

礦山采掘裝備智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（2015DQ630408）

岳海峰（1982-），男，碩士研究生，工程師，Email:jszxksyhf@tz.com.cn