鑿巖臺車電氣系統(tǒng)高海拔適應(yīng)性設(shè)計

牛勇，王偉，馬建樂，劉濤

（徐州徐工基礎(chǔ)工程機械有限公司，江蘇 徐州221000）

1 前言

隨著國家對西部地區(qū)交通開發(fā)建設(shè)的投入不斷加大，新建公路、鐵路線路逐年增多，但西部地區(qū)，尤其是西南部地區(qū)，屬于高海拔地區(qū)，山高谷深，地形地質(zhì)情況及氣候條件復(fù)雜，新建公路鐵路的隧道占比大，特長隧道及隧道群密集，作為隧道鉆爆法施工的理想裝備，鑿巖臺車具有轉(zhuǎn)場靈活、施工多樣化、作業(yè)效率高等特點，市場需求量越來越大。

2 高海拔環(huán)境對鑿巖臺車電氣系統(tǒng)的影響

海拔超過2000 m 的地區(qū)稱為高海拔地區(qū)[1]。高海拔地區(qū)，因空氣稀薄，會使電氣元件的散熱效率降低，因氣壓降低和大氣密度的減少，會使空氣的絕緣強度降低；同時，海拔的升高還會帶來環(huán)境溫度的下降，晝夜溫差過大，使電氣設(shè)備內(nèi)部更易產(chǎn)生凝露，影響電氣系統(tǒng)的性能。

常規(guī)型鑿巖臺車的電氣系統(tǒng)是按常規(guī)使用環(huán)境進行設(shè)計和制造的，一般使用條件［2］不超過海拔2000 m，周圍空氣溫度上限為+40℃，下限為-5℃。因此，在高海拔地區(qū)使用的鑿巖臺車，電氣系統(tǒng)需要進行針對性的改進。

3 高海拔鑿巖臺車電氣系統(tǒng)設(shè)計

鑿巖臺車電氣系統(tǒng)主要分為交流系統(tǒng)和直流系統(tǒng)，其中交流系統(tǒng)電壓等級一般為380～1000 V，主要是通過電纜卷盤將施工現(xiàn)場的交流電源引到臺車交流控制系統(tǒng)，通過交流控制系統(tǒng)控制主泵電機、 空壓機電機和水泵電機運行，為施工提供液壓動力、氣和水，同時為電機提供啟?？刂坪捅Ｗo；直流系統(tǒng)電壓等級一般為12～24 V，主要進行發(fā)動機啟?？刂坪瓦\行狀態(tài)監(jiān)控，并實現(xiàn)整車輔助動作的控制。本文以380 V 交流系統(tǒng)和24 V 直流系統(tǒng)為例，研究高海拔環(huán)境下鑿巖臺車電氣系統(tǒng)的設(shè)計方法。

3.1 380 V 交流控制系統(tǒng)

鑿巖臺車380V 交流回路主要用于給液壓系統(tǒng)主泵電機、以及空壓機、水泵電機供電，啟動并提供保護，其中液壓泵電機一般采用星三角啟動方式，進行降壓啟動，減少對電網(wǎng)的沖擊，整個回路涉及的電氣元件主要有塑殼斷路器、接觸器、熱繼電器、熱磁斷路器、微型斷路器和變壓器等。

本文以海拔4000 米為例，對相關(guān)電氣元件重新校核選型：

（1）電氣系統(tǒng)總的供電控制和保護，采用施耐德NSX 系列塑殼斷路器，根據(jù)樣本參數(shù)，按照額定電流降容系數(shù)0.93，額定電壓520 V 進行校核選型，并在進出線位置增加隔板和護套。

（2）接觸器采用施耐德LC1D 系列，根據(jù)樣本參數(shù)，按照額定電流降容系數(shù)0.9，額定電壓降容系數(shù)0.8 進行校核選型。

（3）熱繼電器采用施耐德LRD 系列，通過咨詢廠家，按照額定電壓降容系數(shù)0.8 進行校核選型；同時增加熱敏電阻保護繼電器，結(jié)合電機繞組中預(yù)埋的PTC 熱敏電阻，實現(xiàn)對電機繞組溫度的監(jiān)控，進行雙重保護，避免電機繞組溫度過高導(dǎo)致絕緣快速老化，提高電機使用壽命。

（4）熱磁斷路器采用施耐德GV2 系列，通過咨詢廠家，按照額定電流降容系數(shù)0.86，額定電壓降容系數(shù)0.6 進行校核選型。

（5）微型斷路器采用施耐德Acti9 系列，根據(jù)樣本參數(shù)，按照額定電流降容系數(shù)0.93，額定電壓380V 進行校核選型。

（6）變壓器特殊定制，通過調(diào)整線圈纏繞方式和鐵芯布置形式等工藝方法，增加變壓器的散熱能力和絕緣強度，滿足高海拔環(huán)境的要求[3]。

（7）在高濕度環(huán)境下在電控柜中增加電加熱裝置及干燥劑，以避免溫差過大產(chǎn)生的凝露影響380 V 控制元件的絕緣。

3.2 交流三相異步電動機

高海拔地區(qū)空氣氣壓小，空氣密度減小，散熱能力減弱，電動機在同負(fù)載下的溫升提高，因此電動機必須降額使用。

主電機、空壓機電機和水泵主電機均需重新選型校核。

以55 kW 主泵電機為例：

（1）根據(jù)西門子SIMOTICS GP 1LE0001 低壓交流異步電動機樣本中對于不同高度和不同環(huán)境溫度的功率換算系數(shù)（見表1），按照海拔4000 m，環(huán)境溫度40℃進行校核：75 kW×0.77=57.75 kW≥55 kW。主泵電機更換為75 kW 電機可滿足使用要求。

表1 西門子1LE00001 電動機不同海拔高度和環(huán)境溫度下電機功率換算系數(shù)

（2）在電機繞組中預(yù)埋PTC 熱敏電阻，結(jié)合前文選用的熱敏電阻保護繼電器，實現(xiàn)對電機繞組溫度的監(jiān)控；

（3）在高濕度環(huán)境下，配置電動機繞組防潮加熱帶，當(dāng)電動機處于非工作狀態(tài)時，控制加熱帶工作，對電機繞組進行加熱，以避免由于溫差過大出現(xiàn)繞組凝露，進而導(dǎo)致電機損壞。

3.3 電纜卷盤

電纜卷盤的集電環(huán)組件需要根據(jù)高海拔環(huán)境參數(shù)重新進行校核：

（1） 安裝集電環(huán)組件的腔體寬度由454 mm增加到530 mm，增加各滑環(huán)之間以及滑環(huán)與腔體內(nèi)壁之間的間隙，防止出現(xiàn)擊穿；

（2）重新校核集電環(huán)組件的載流量，加大滑環(huán)和碳刷的規(guī)格，并降容使用，滿足散熱要求；

（3） 在安裝集電環(huán)組件的腔體內(nèi)壁以及中間支撐軸上增加絕緣材料，防止出現(xiàn)異常接地情況；

（4） 在集電環(huán)組件的固定螺栓上增加橡膠帽，進出線連接位置增加橡膠護套，進一步提高電氣安全性；

（5）在高濕度環(huán)境下增加電加熱裝置，以避免溫差過大產(chǎn)生的凝露影響集電環(huán)組件電氣絕緣。

3.4 24 V 直流系統(tǒng)（發(fā)動機控制）

高海拔和低溫環(huán)境會使柴油發(fā)動機輸出功率下降、啟動困難，因此需要對發(fā)動機控制系統(tǒng)重新進行設(shè)計：

（1）針對設(shè)備在不同海拔的應(yīng)用，由發(fā)動機廠家調(diào)整ECU 控制程序，對發(fā)動機運行參數(shù)進行重新標(biāo)定，以適應(yīng)不同海拔的使用要求；

（2）增加發(fā)動機進氣預(yù)熱系統(tǒng)，通過在啟動前控制預(yù)熱塞對發(fā)動機進氣進行加熱，以提高發(fā)動機低溫啟動性能；

（3）針對低溫環(huán)境特征，選用專用的低溫蓄電池，提高蓄電池在低溫環(huán)境下冷啟動電流參數(shù)；

（4）當(dāng)環(huán)境溫度低于-20℃時，需增加一套專用加熱系統(tǒng)，通過燃燒柴油，加熱發(fā)動機冷卻液，并通過循環(huán)泵讓加熱后的冷卻液循環(huán)，從而實現(xiàn)發(fā)動機機體的加熱；同時，為低溫蓄電池設(shè)計保溫箱，利用燃油加熱系統(tǒng)產(chǎn)生的熱風(fēng)，對蓄電池進行加熱，減少過低的環(huán)境溫度對蓄電池性能的影響。

4 結(jié)論

海拔4000 m 的地區(qū)，氣壓低，空氣稀薄，電氣設(shè)備絕緣能力、散熱能力均大幅度下降，在電氣系統(tǒng)設(shè)計過程中需考慮這些因素的影響，在選用元器件時按照廠家要求進行必要的修正，同時針對高濕度、低溫等不同工況，增加專用功能以消除其對電氣系統(tǒng)或設(shè)備的影響。

目前，采用本方案設(shè)計的電氣系統(tǒng)已在多款鑿巖臺車上應(yīng)用，并在西藏昌都和拉薩的多個工地進行了試驗驗證，使用效果良好，完全滿足現(xiàn)場使用要求。