高原环境下矿用挖掘机的特殊设计

职 彦

（太原重工技术中心矿山所，山西 太原030024）

1 西藏驱龙铜矿高原环境概况

西藏高原地处北半球中纬度地带，位于亚洲大陆的西南部，面积100多万平方公里。东临四川，西连克什米尔高原，北靠昆仑山—唐古拉山脉，南部横亘着平均海拔6 000 m以上的喜马拉雅山脉。其平均海拔超过4 500 m，最高海拔8 800 m。西藏高原被众多巨大的山脉所怀抱，奔流着无数湍急的江河，拥有众多大小湖泊，复杂的地形造就了各区域独特的气候类型。

西藏驱龙铜多金属矿铜，资源量达1 036万t，是目前国内已探明的第一大铜矿，储藏量达到世界第三、亚洲第一。当地选场的海拔达到4 600 m，采场海拔高达5 500 m，属高原温带半干旱季风气候区，特点是高寒干燥，空气稀薄，冬春多大风，年温差小而昼夜温差大。年平均气温5.1～9.1℃，极端最高气温在30℃左右，出现在6月，年平均最高气温14～16.1℃，夏季平均最高气温在20～24℃；冬季极端最低气温在-16～-23℃（出现在1月），年无霜期约90 d左右，年日照时数为2 813.5 h。年降水量515.9 mm，降水集中在每年的6—9月份。

2 高原环境对电气系统的影响

一般而言，对于低压配电系统（电压1 000 V以内）海拔在2 000 m以上，高压配电系统（电压1 000 V以上）海拔在1 000 m以上的地区统称为高海拔地区。高海拔地区具有的自然气候条件较恶劣，其特征为：空气密度及气压较低；空气温度较低，温差大；空气绝对湿度低；太阳辐射强度高；降水量较少；风力等级高。表1列出了海拔和气压、空气密度及相对湿度的关系。

表1 海拔和气压、空气密度及相对湿度的关系

在上述因素中，空气密度和气压降低会引起电气间隙和外绝缘强度降低，其下降曲线可用公式（1）表示：

式中：Uh为海拔高度h处的击穿电压，V；U0为零海拔处的击穿电压，V；h为海拔高度，km；b为修正系数。

空气压力或空气密度的降低会引起固体绝缘材料沿表面放电能力降低，其下降程度与电场均匀程度有关：电场不均匀程度越大，放电能力降低越大（b值越大），且放电能力与固体绝缘材料介电常数ε有关，ε越大，沿表面放电电压也显得低一些。根据以往的实验结果，在海拔5 000 m以内，每升高1 000 m，外绝缘强度降低8%～13%。

同时，空气密度的降低会引起空气冷却效果的降低。据文献可查的资料验证：在海拔5 000 m以内，每升高1 000 m，温升增加3%～10%；对于自然冷却的电气设备，其温升增加相对会小一些。

在露天使用环境中，紫外线辐射和昼夜温差的叠加作用会加速绝缘材料的老化，加之机械设备使用中的振动和应力因素，电气设备的使用寿命会随之大大减少。

3 矿用挖掘机的电气特殊设计

3.1 高压供电

西藏驱龙铜矿现场供电电压10 kV，通过挖掘机尾部高压开关柜直接供电。相比于普通海拔产品，为保证设备有足够的耐压能力，可以通过增大导体绝缘间距和选用较高电压等级的元器件来实现。

3.1.1 绝缘间距

在不同海拔高度，不同电压等级以空气作为绝缘介质时，柜内各相导体间及对地净距如表2所示。

表2 相间导体对地净距

受安装空间限制，在可选取的高压隔离开关范围内，相间距有210 mm、230 mm、250 mm、275 mm四种规格。

3.1.2 电压等级

根据IEC出版物694对工频和试验电压做适当校正，校正公式为：

式中：U为应选用的电压；Ue为额定耐压试验电压，取10 kV；α为校正系数，见图1。

图1 海拔和电压校正系数关系

根据表格延伸趋势，α取0.5，计算U=18 kV，即耐压增加80%。

综合上述数据，高压隔离开关选用12 kV、相间距275 mm的型号。

3.1.3 工艺考虑

高压开关柜的整体尺寸依据最小带电间距的要求适当增加。柜内加工装配时，在工况允许的条件下，相间加装绝缘隔板。柜内铜排的尖角进行磨圆并打磨光滑，防止设备运行时因粉尘或空气潮湿引起的放电现象。对电缆连接处的固定螺栓，选用合适的长度。

高压设备的稳定运行除了带电间距的要求外，灭弧性能也是一项重要指标。在紧急情况下，挖掘机需要高压负荷开关进行安全有效的切断电源。在条件允许的情况下，高原用电气设备应尽量选用密封（充氮或六氟化硫）电器或真空电器等不受海拔影响的电器设备。考虑挖掘机的使用工况，高压主回路采用负荷开关+真空接触器的方式。真空接触器的真空灭弧室可以在负载情况下有效灭弧，负荷开关有两种灭弧方式：产气灭弧和压气灭弧。其中压气灭弧性能与负荷电流大小无关，产气灭弧性能随负荷电流增大而提高，上述两种方式在正常的分断过程中效果叠加，共同产生灭弧效果[1]。

3.2 驱动系统

挖掘机的工作核心系统为变频调速柜驱动的各机构电机。通常变频调速柜采用整流回馈供电的多传系统，本案例延续该传动架构。考虑到大载荷工况对直流母线电压的冲击可能造成的危害，加装了一组电容柜，用于抑制du/dt的增长。

在电机输出侧，给功率最大的提升机构加装输出电抗器，用于抵消频繁调速过程中对电缆和电机绝缘绕组的冲击。

为了最大程度保证传动系统的绝缘可靠性，主机构电机较普通海拔地区采取降压运行方式。通过特殊的电机参数设计，降压运行的同时保证整机工作效率不变。考虑空气密度降低导致强迫风冷效果的降低，在设计选型中，主机构电机采用通风量更高的散热风机，保证驱动系统的可靠运行[2]。

3.3 绝缘监测

每个供电柜均加装绝缘监测仪，该绝缘监测仪基于配电网络对地阻值进行信息预警，监控信息实时传输至整机控制网络：阻值低于30 kΩ发出报警，低于10 kΩ设备报警停机。

在设备长期运行过程中，如果出现绝缘老化等不可避免的情况，绝缘监控系统将及时预警，便于现场人员进行预防性维护，有效避免绝缘击穿引发的大范围元器件损坏，降低运行成本的同时提高了设备的安全等级。

3.4 人性化设计

挖掘机司机在现场低压缺氧的条件下长时间工作，容易精神疲劳、注意力不集中；苛刻的自然条件对工作人员的身体健康也造成极大的危害，比如高原反应、心肺肿大等。因此，司机室配备具有增压制氧功能的空调系统，体现了以人为本的设计理念。

4 结论

迄今为止，太重共有近10台挖掘机在西藏高海拔地区投运，运行效果良好，得到了用户的高度认可和评价。