电动挖掘机在高原环境下的电气特性及系统设计

岳海峰，吉孟兰

（太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原 030024）

电动挖掘机在高原环境下的电气特性及系统设计

岳海峰，吉孟兰

（太原重工股份有限公司技术中心，山西 太原 030024）

首先介绍了青藏高原特殊环境下电气元件的特性，然后针对电动挖掘机重点论述了海拔5 500 m高原电气系统的设计依据和原则。所设计的产品经过现场运行实践检验达到了预期设计目的，实现了5 000 m以上超高原挖掘机的应用，为高原电控产品的设计提供了可靠的参考依据。

高原；电气特性；挖掘机；电控系统

从2012年开始，太原重工与驱龙、甲玛用户开展合作，研发制造适用于海拔5 500 m环境的机械式正铲电驱动挖掘机。本文以西藏驱龙、甲玛挖掘机项目产品设计开发为例，重点阐述了高原电控系统设计过程中的方法。此产品的成功开发与投产填补了国内和国际市场同类产品无超高原应用的空白。

1 高原环境对产品的影响

高原地区自然气候条件恶劣，主要特征为: 1）空气稀薄，紫外线辐射强；2）昼夜温差变化大，年降雨量极少；3）常年多风，土壤冻结期长。

在这些苛刻的条件下，对电气元件会产生重要的不利影响:1）绝缘性能变差。空气稀薄以及低密度的空气介质造成绝缘性变弱；2）散热变差，温升加快；3）紫外线强烈，使空气容易电离而导致外绝缘强度和电晕起始电压降低；

特定条件下，对施工材料的影响主要有:太阳辐射度高；日夜温差大，湿气冷凝。

2 高原电控产品设计

2.1 高压开关元件

挖掘机运行海拔超出了规定的高度，产品性能的主要影响表现在2个方面:介电性能和开关元件的温升。其中介电性能又包括外绝缘电气间隙和工频耐压试验值修正，设计中参考如下公式修正:

外绝缘电气间隙修正系数为

工频耐压试验值修正系数为

式中:H为海拔高度。

开关元件的温升随海拔的升高而递增，然而环境温度随海拔的升高却降低。虽然这对产品的温升有一定的补偿作用，但若在户内使用时，当补偿作用不大时仍然需要温升修正，设计中参考如下公式:

户内使用温升修正系数为

式中:τH为高海拔温升；τ1000为海拔1 000 m温升值。

西藏项目电压等级10 kV，海拔5 500 m，根据上述修正公式（以1 000 m海拔为基准）可得:KHa=1.736 9,KHb=1.818 18,τH=1.144 5×τ1000。

挖掘机高压回路主要元器件包括负荷开关、真空接触器、高低压集电环及元件间连接电缆。

2.1.1 高压负荷开关

按照GB或IEC标准，12 kV高压负荷开关（海拔1 000 m以下）的相间中心距不小于150 mm，考虑修正系数KHa=1.736 9,那么外绝缘电气间隙至少大于260 mm。设计中考虑选用高一档电压等级负荷开关NALF24（24 kV，极间距275 mm），并进行修正系数核算，修正系数可达到1.83。而24 kV电压等级亦满足工频耐压修正系数值大于KHb=1.818 18要求，达到相间及对地65 kV。另外，为了弥补其他电气元件空间距离增大造成整个高压柜尺寸变大，负荷开关组合安装方式由原来的正面安装改为侧面安装以节省空间。

2.1.2 真空接触器

真空接触器内绝缘为真空无需增大绝缘距离，但需要对外绝缘采取措施。限于空间尺寸限制，真空接触器采用高原专利产品。主电路采用环氧自动压力凝胶一次成型的筒形绝缘结构，刚性好，绝缘强度高。另外在接线柱间增加树脂绝缘隔板将相间隔开，工频耐受电压可以达到65 kV。

2.1.3 高低压集电环

由于要求的电气间隙增加，而集电环高度受限，因此高海拔项目的集电环取消控制信号环，转而采用无线传输技术进行信号的传输，将空间留给高压环以增加绝缘间距。

为保证高原5 500 m集电环的电气性能满足要求，参照GB/T—20635—2006特殊环境条件高原用高压电器的技术要求调整如下:1）集电环高压室内腔加大，原集电环高压室内腔为700 mm，现加大为800 mm；2）高压室高度增加，原高压室高度为622 mm，现高压室高度为782 mm；3）增强高压室滑环与中间中轴之间的绝缘，中轴缠绕多层黄金薄膜以防接地；4）在刷架骨架的螺栓上用绝缘橡胶帽黏接用来保证电气性能；5）更新上线结构（低压室线通过高压室中轴进入低压室），增加高压室滑环的爬电距离。

2.1.4 变压器

高海拔变压器重新设计制造:采用环氧树脂进行浇铸，并增加铜材、铜箔；在工艺上，通过改变变压器的主空道来改变低压到轭铁距离等方面对耐压以及温升进行修正；最后增加自动加热除湿系统。

绝缘耐压水平的修正:根据GB1094.11规定，当海拔高度超过1 000 m时，高度每升高100 m为一级，短时工频耐压值增加1%。10 kV变压器的额定工频耐压为35 kV，按海拔5 500 m考虑，设计时工频耐压为35×（1+45×1%）=50.75 kV。

温升设计的修正:根据GB1094.11规定，海拔高度超过1 000 m时，高度每升高500 m为一级，温升要增加2.5%（自冷式变压器）。对于温升限值为100 K的变压器，在海拔5 500 m的情况下，温升将增加22.5 K（100×9×2.5%=22.5 K）。即温升设计时至少大于122.5 K。

修正后的实际电压等级已相当于25 kV的变压器，热绝缘等级180℃以上。平均温升125 K以上（普通海拔为F级155℃，平均温升100 K），从而很好地满足了变压器高海拔运行温升和工频耐压的要求。

2.2 主回路驱动装置

2.2.1 变频驱动装置

高原产品选用SIEMENS S120高性能交流变频装置。较之前的6SE70产品，S120并非原有产品的升级，而是立足于高原应用，设计结构以及绝缘材质等都有本质提升。在此基础上高原应用电流降容见表1。

表1 西门子S120单元电流降容系数Tab.1 Current derating ratio of compact unit S120 series（made in SIEMENS）

按照表1电流降容系数参数表，海拔大于2 000～5 000 m电流降容取决于环境温度与海拔高度，在海拔4 500～5 000 m，环境温度25℃，电流降容系数为97.5%。

根据SIEMENS S120产品手册（英文版），挖掘机满足以下条件电压无需降容:1）隔离变压器低压或中压供电；2）变压器与变频器进线间电缆非高架线。

2.2.2 交流变频电机

为进一步确保高原变频电动机的性能和质量，太重与某电机厂联合开发了特种矿用变频电动机并采取了如下措施:1）与西门子矿山部联合确定电机参数以及设计思路，并充分利用该电机厂与美国GE电机合作制造技术；2）留有充足的转矩与温升裕度，并将电机冷却风机功率及出风口风压提高到原来的2倍，以确保电机转矩与运行可靠性；3）非传动端采用进口绝缘轴承，以避免轴电流形成，并采用C级绝缘材料，提高电机温升裕度；4）转子笼条采用铜合金材料，端部焊接采用感应焊一次成型，确保笼条的焊接质量，设置轴接地滑环，为轴电流提供接地通道。

交流变频电机C级绝缘（220℃）温升200 K，有足够余量，以某型号高原提升电机为代表做了以下2个电机试验:

1）温升试验。依据高原机车车辆电工电子产品通用技术条件TB/T 3213—2009，电机安装海拔每升高100 m，温升限值增加0.8 K，进行了修订。提升电机试验温升值为125 K（试验地海拔300 m），按照海拔5 500 m修订，修订值为169 K，低于电机运行温升200 K。在外部风冷条件下该型号提升电机在南非现场（最高运行温度低于90℃，环境温度接近30℃）实际工作时温升低于160 K。

2）绝缘试验。根据特殊环境条件，按照高原电工电子产品GB/T20626.1—2006对电机进行耐压试验。海拔5 500 m对地耐压值为原电机标准规定计算值的2倍即6 000 V。对提升电机的绝缘结构进行了耐压试验。

2.3 低压元件的选型

对普通低压电气元器件的设计，由于海拔升高造成的温升增加值与因海拔升高所引起大气温度的降低值互相抵消，因此无需额外考虑降容使用即可满足工况要求。

海拔5 500 m对于220 V/380 V电压等级的低压开关电气元件影响并不大，只需要考虑空气冷却和介电特性，再参照样本在分断能力保持不变的情况下对电流修正后进行选型即可。微断路器、塑壳断路器等器件的绝缘电压均能满足要求，为确保断路器可靠工作，额定工作电流按（80%～90%）In降容使用［7］。

2.4 辅材的特殊处理

气路系统和润滑系统软管均采用抗紫外线的专用软管，连接螺栓采用镀锌螺栓。司机室增设增压、增氧系统，提高承压能力和密封性。玻璃增加抗紫外线贴膜。

3 结论

海拔5 500 m的超高原只有0.57个大气压，空气稀薄气压低导致电气设备绝缘能力、散热性能大大降低。在设计过程中为了克服这些不利影响，采取相应措施解决了设计中的关键技术难题: 1）提高绝缘配合。增大电气间隙，对绝缘参数按照国家相关标准进行适当的修正；2）从结构设计和高原型电气关键件选择出发，优先选用可靠型产品；3）针对电气材料的绝缘水平，选用更高电压等级产品；4）散热方面，增加通风量并对辅助设备增容使用。

从长达3 a实际投运的电动挖掘机（青海木里2台103（海拔:4 100 m）、西藏甲玛2台103（海拔5 360 m）、西藏巨龙1台123（海拔:5 600 m），共计5台）的使用情况看，按照上述设计思路和方法生产的挖掘机完全满足现场使用工况要求。

［1］JB/T 7573—1994高原环境条件下电工产品通用技术条件［S］.

［2］GB/T 2900.20—1994电工术语_高压开关设备［S］.

［3］GB/T 20635—2006特殊环境条件高原用高压电器的技术要求［S］.

［4］GB 1094.11—2007电力变压器第11部分:干式变压器［S］.

［5］TB/T 3213—2009高原机车车辆电工电子产品通用技术条件［S］.

［6］GB/T 20626.1—2006特殊环境条件高原电工电子产品第一部分:通用技术要求［S］.

［7］GB 16935.1—1997低压系统内设备的绝缘配合，原理、要求和试验［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

矿山采掘装备智能制造国家重点实验室项目（2015DQ630408）

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