高原環(huán)境下礦用挖掘機(jī)的特殊設(shè)計(jì)

職 彥

（太原重工技術(shù)中心礦山所，山西 太原030024）

1 西藏驅(qū)龍銅礦高原環(huán)境概況

西藏高原地處北半球中緯度地帶，位于亞洲大陸的西南部，面積100多萬平方公里。東臨四川，西連克什米爾高原，北靠昆侖山—唐古拉山脈，南部橫亙著平均海拔6 000 m以上的喜馬拉雅山脈。其平均海拔超過4 500 m，最高海拔8 800 m。西藏高原被眾多巨大的山脈所懷抱，奔流著無數(shù)湍急的江河，擁有眾多大小湖泊，復(fù)雜的地形造就了各區(qū)域獨(dú)特的氣候類型。

西藏驅(qū)龍銅多金屬礦銅，資源量達(dá)1 036萬t，是目前國(guó)內(nèi)已探明的第一大銅礦，儲(chǔ)藏量達(dá)到世界第三、亞洲第一。當(dāng)?shù)剡x場(chǎng)的海拔達(dá)到4 600 m，采場(chǎng)海拔高達(dá)5 500 m，屬高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，特點(diǎn)是高寒干燥，空氣稀薄，冬春多大風(fēng)，年溫差小而晝夜溫差大。年平均氣溫5.1～9.1℃，極端最高氣溫在30℃左右，出現(xiàn)在6月，年平均最高氣溫14～16.1℃，夏季平均最高氣溫在20～24℃；冬季極端最低氣溫在-16～-23℃（出現(xiàn)在1月），年無霜期約90 d左右，年日照時(shí)數(shù)為2 813.5 h。年降水量515.9 mm，降水集中在每年的6—9月份。

2 高原環(huán)境對(duì)電氣系統(tǒng)的影響

一般而言，對(duì)于低壓配電系統(tǒng)（電壓1 000 V以內(nèi)）海拔在2 000 m以上，高壓配電系統(tǒng)（電壓1 000 V以上）海拔在1 000 m以上的地區(qū)統(tǒng)稱為高海拔地區(qū)。高海拔地區(qū)具有的自然氣候條件較惡劣，其特征為：空氣密度及氣壓較低；空氣溫度較低，溫差大；空氣絕對(duì)濕度低；太陽(yáng)輻射強(qiáng)度高；降水量較少；風(fēng)力等級(jí)高。表1列出了海拔和氣壓、空氣密度及相對(duì)濕度的關(guān)系。

表1 海拔和氣壓、空氣密度及相對(duì)濕度的關(guān)系

在上述因素中，空氣密度和氣壓降低會(huì)引起電氣間隙和外絕緣強(qiáng)度降低，其下降曲線可用公式（1）表示：

式中：Uh為海拔高度h處的擊穿電壓，V；U0為零海拔處的擊穿電壓，V；h為海拔高度，km；b為修正系數(shù)。

空氣壓力或空氣密度的降低會(huì)引起固體絕緣材料沿表面放電能力降低，其下降程度與電場(chǎng)均勻程度有關(guān)：電場(chǎng)不均勻程度越大，放電能力降低越大（b值越大），且放電能力與固體絕緣材料介電常數(shù)ε有關(guān)，ε越大，沿表面放電電壓也顯得低一些。根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在海拔5 000 m以內(nèi)，每升高1 000 m，外絕緣強(qiáng)度降低8%～13%。

同時(shí)，空氣密度的降低會(huì)引起空氣冷卻效果的降低。據(jù)文獻(xiàn)可查的資料驗(yàn)證：在海拔5 000 m以內(nèi)，每升高1 000 m，溫升增加3%～10%；對(duì)于自然冷卻的電氣設(shè)備，其溫升增加相對(duì)會(huì)小一些。

在露天使用環(huán)境中，紫外線輻射和晝夜溫差的疊加作用會(huì)加速絕緣材料的老化，加之機(jī)械設(shè)備使用中的振動(dòng)和應(yīng)力因素，電氣設(shè)備的使用壽命會(huì)隨之大大減少。

3 礦用挖掘機(jī)的電氣特殊設(shè)計(jì)

3.1 高壓供電

西藏驅(qū)龍銅礦現(xiàn)場(chǎng)供電電壓10 kV，通過挖掘機(jī)尾部高壓開關(guān)柜直接供電。相比于普通海拔產(chǎn)品，為保證設(shè)備有足夠的耐壓能力，可以通過增大導(dǎo)體絕緣間距和選用較高電壓等級(jí)的元器件來實(shí)現(xiàn)。

3.1.1 絕緣間距

在不同海拔高度，不同電壓等級(jí)以空氣作為絕緣介質(zhì)時(shí)，柜內(nèi)各相導(dǎo)體間及對(duì)地凈距如表2所示。

表2 相間導(dǎo)體對(duì)地凈距

受安裝空間限制，在可選取的高壓隔離開關(guān)范圍內(nèi)，相間距有210 mm、230 mm、250 mm、275 mm四種規(guī)格。

3.1.2 電壓等級(jí)

根據(jù)IEC出版物694對(duì)工頻和試驗(yàn)電壓做適當(dāng)校正，校正公式為：

式中：U為應(yīng)選用的電壓；Ue為額定耐壓試驗(yàn)電壓，取10 kV；α為校正系數(shù)，見圖1。

圖1 海拔和電壓校正系數(shù)關(guān)系

根據(jù)表格延伸趨勢(shì)，α取0.5，計(jì)算U=18 kV，即耐壓增加80%。

綜合上述數(shù)據(jù)，高壓隔離開關(guān)選用12 kV、相間距275 mm的型號(hào)。

3.1.3 工藝考慮

高壓開關(guān)柜的整體尺寸依據(jù)最小帶電間距的要求適當(dāng)增加。柜內(nèi)加工裝配時(shí)，在工況允許的條件下，相間加裝絕緣隔板。柜內(nèi)銅排的尖角進(jìn)行磨圓并打磨光滑，防止設(shè)備運(yùn)行時(shí)因粉塵或空氣潮濕引起的放電現(xiàn)象。對(duì)電纜連接處的固定螺栓，選用合適的長(zhǎng)度。

高壓設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行除了帶電間距的要求外，滅弧性能也是一項(xiàng)重要指標(biāo)。在緊急情況下，挖掘機(jī)需要高壓負(fù)荷開關(guān)進(jìn)行安全有效的切斷電源。在條件允許的情況下，高原用電氣設(shè)備應(yīng)盡量選用密封（充氮或六氟化硫）電器或真空電器等不受海拔影響的電器設(shè)備?？紤]挖掘機(jī)的使用工況，高壓主回路采用負(fù)荷開關(guān)+真空接觸器的方式。真空接觸器的真空滅弧室可以在負(fù)載情況下有效滅弧，負(fù)荷開關(guān)有兩種滅弧方式：產(chǎn)氣滅弧和壓氣滅弧。其中壓氣滅弧性能與負(fù)荷電流大小無關(guān)，產(chǎn)氣滅弧性能隨負(fù)荷電流增大而提高，上述兩種方式在正常的分?jǐn)噙^程中效果疊加，共同產(chǎn)生滅弧效果[1]。

3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

挖掘機(jī)的工作核心系統(tǒng)為變頻調(diào)速柜驅(qū)動(dòng)的各機(jī)構(gòu)電機(jī)。通常變頻調(diào)速柜采用整流回饋供電的多傳系統(tǒng)，本案例延續(xù)該傳動(dòng)架構(gòu)。考慮到大載荷工況對(duì)直流母線電壓的沖擊可能造成的危害，加裝了一組電容柜，用于抑制du/dt的增長(zhǎng)。

在電機(jī)輸出側(cè)，給功率最大的提升機(jī)構(gòu)加裝輸出電抗器，用于抵消頻繁調(diào)速過程中對(duì)電纜和電機(jī)絕緣繞組的沖擊。

為了最大程度保證傳動(dòng)系統(tǒng)的絕緣可靠性，主機(jī)構(gòu)電機(jī)較普通海拔地區(qū)采取降壓運(yùn)行方式。通過特殊的電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)，降壓運(yùn)行的同時(shí)保證整機(jī)工作效率不變?？紤]空氣密度降低導(dǎo)致強(qiáng)迫風(fēng)冷效果的降低，在設(shè)計(jì)選型中，主機(jī)構(gòu)電機(jī)采用通風(fēng)量更高的散熱風(fēng)機(jī)，保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[2]。

3.3 絕緣監(jiān)測(cè)

每個(gè)供電柜均加裝絕緣監(jiān)測(cè)儀，該絕緣監(jiān)測(cè)儀基于配電網(wǎng)絡(luò)對(duì)地阻值進(jìn)行信息預(yù)警，監(jiān)控信息實(shí)時(shí)傳輸至整機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)：阻值低于30 kΩ發(fā)出報(bào)警，低于10 kΩ設(shè)備報(bào)警停機(jī)。

在設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，如果出現(xiàn)絕緣老化等不可避免的情況，絕緣監(jiān)控系統(tǒng)將及時(shí)預(yù)警，便于現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)，有效避免絕緣擊穿引發(fā)的大范圍元器件損壞，降低運(yùn)行成本的同時(shí)提高了設(shè)備的安全等級(jí)。

3.4 人性化設(shè)計(jì)

挖掘機(jī)司機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)低壓缺氧的條件下長(zhǎng)時(shí)間工作，容易精神疲勞、注意力不集中；苛刻的自然條件對(duì)工作人員的身體健康也造成極大的危害，比如高原反應(yīng)、心肺腫大等。因此，司機(jī)室配備具有增壓制氧功能的空調(diào)系統(tǒng)，體現(xiàn)了以人為本的設(shè)計(jì)理念。

4 結(jié)論

迄今為止，太重共有近10臺(tái)挖掘機(jī)在西藏高海拔地區(qū)投運(yùn)，運(yùn)行效果良好，得到了用戶的高度認(rèn)可和評(píng)價(jià)。