凿岩台车电气系统高海拔适应性设计

牛勇，王伟，马建乐，刘涛

（徐州徐工基础工程机械有限公司，江苏 徐州221000）

1 前言

随着国家对西部地区交通开发建设的投入不断加大，新建公路、铁路线路逐年增多，但西部地区，尤其是西南部地区，属于高海拔地区，山高谷深，地形地质情况及气候条件复杂，新建公路铁路的隧道占比大，特长隧道及隧道群密集，作为隧道钻爆法施工的理想装备，凿岩台车具有转场灵活、施工多样化、作业效率高等特点，市场需求量越来越大。

2 高海拔环境对凿岩台车电气系统的影响

海拔超过2000 m 的地区称为高海拔地区[1]。高海拔地区，因空气稀薄，会使电气元件的散热效率降低，因气压降低和大气密度的减少，会使空气的绝缘强度降低；同时，海拔的升高还会带来环境温度的下降，昼夜温差过大，使电气设备内部更易产生凝露，影响电气系统的性能。

常规型凿岩台车的电气系统是按常规使用环境进行设计和制造的，一般使用条件［2］不超过海拔2000 m，周围空气温度上限为+40℃，下限为-5℃。因此，在高海拔地区使用的凿岩台车，电气系统需要进行针对性的改进。

3 高海拔凿岩台车电气系统设计

凿岩台车电气系统主要分为交流系统和直流系统，其中交流系统电压等级一般为380～1000 V，主要是通过电缆卷盘将施工现场的交流电源引到台车交流控制系统，通过交流控制系统控制主泵电机、 空压机电机和水泵电机运行，为施工提供液压动力、气和水，同时为电机提供启停控制和保护；直流系统电压等级一般为12～24 V，主要进行发动机启停控制和运行状态监控，并实现整车辅助动作的控制。本文以380 V 交流系统和24 V 直流系统为例，研究高海拔环境下凿岩台车电气系统的设计方法。

3.1 380 V 交流控制系统

凿岩台车380V 交流回路主要用于给液压系统主泵电机、以及空压机、水泵电机供电，启动并提供保护，其中液压泵电机一般采用星三角启动方式，进行降压启动，减少对电网的冲击，整个回路涉及的电气元件主要有塑壳断路器、接触器、热继电器、热磁断路器、微型断路器和变压器等。

本文以海拔4000 米为例，对相关电气元件重新校核选型：

（1）电气系统总的供电控制和保护，采用施耐德NSX 系列塑壳断路器，根据样本参数，按照额定电流降容系数0.93，额定电压520 V 进行校核选型，并在进出线位置增加隔板和护套。

（2）接触器采用施耐德LC1D 系列，根据样本参数，按照额定电流降容系数0.9，额定电压降容系数0.8 进行校核选型。

（3）热继电器采用施耐德LRD 系列，通过咨询厂家，按照额定电压降容系数0.8 进行校核选型；同时增加热敏电阻保护继电器，结合电机绕组中预埋的PTC 热敏电阻，实现对电机绕组温度的监控，进行双重保护，避免电机绕组温度过高导致绝缘快速老化，提高电机使用寿命。

（4）热磁断路器采用施耐德GV2 系列，通过咨询厂家，按照额定电流降容系数0.86，额定电压降容系数0.6 进行校核选型。

（5）微型断路器采用施耐德Acti9 系列，根据样本参数，按照额定电流降容系数0.93，额定电压380V 进行校核选型。

（6）变压器特殊定制，通过调整线圈缠绕方式和铁芯布置形式等工艺方法，增加变压器的散热能力和绝缘强度，满足高海拔环境的要求[3]。

（7）在高湿度环境下在电控柜中增加电加热装置及干燥剂，以避免温差过大产生的凝露影响380 V 控制元件的绝缘。

3.2 交流三相异步电动机

高海拔地区空气气压小，空气密度减小，散热能力减弱，电动机在同负载下的温升提高，因此电动机必须降额使用。

主电机、空压机电机和水泵主电机均需重新选型校核。

以55 kW 主泵电机为例：

（1）根据西门子SIMOTICS GP 1LE0001 低压交流异步电动机样本中对于不同高度和不同环境温度的功率换算系数（见表1），按照海拔4000 m，环境温度40℃进行校核：75 kW×0.77=57.75 kW≥55 kW。主泵电机更换为75 kW 电机可满足使用要求。

表1 西门子1LE00001 电动机不同海拔高度和环境温度下电机功率换算系数

（2）在电机绕组中预埋PTC 热敏电阻，结合前文选用的热敏电阻保护继电器，实现对电机绕组温度的监控；

（3）在高湿度环境下，配置电动机绕组防潮加热带，当电动机处于非工作状态时，控制加热带工作，对电机绕组进行加热，以避免由于温差过大出现绕组凝露，进而导致电机损坏。

3.3 电缆卷盘

电缆卷盘的集电环组件需要根据高海拔环境参数重新进行校核：

（1） 安装集电环组件的腔体宽度由454 mm增加到530 mm，增加各滑环之间以及滑环与腔体内壁之间的间隙，防止出现击穿；

（2）重新校核集电环组件的载流量，加大滑环和碳刷的规格，并降容使用，满足散热要求；

（3） 在安装集电环组件的腔体内壁以及中间支撑轴上增加绝缘材料，防止出现异常接地情况；

（4） 在集电环组件的固定螺栓上增加橡胶帽，进出线连接位置增加橡胶护套，进一步提高电气安全性；

（5）在高湿度环境下增加电加热装置，以避免温差过大产生的凝露影响集电环组件电气绝缘。

3.4 24 V 直流系统（发动机控制）

高海拔和低温环境会使柴油发动机输出功率下降、启动困难，因此需要对发动机控制系统重新进行设计：

（1）针对设备在不同海拔的应用，由发动机厂家调整ECU 控制程序，对发动机运行参数进行重新标定，以适应不同海拔的使用要求；

（2）增加发动机进气预热系统，通过在启动前控制预热塞对发动机进气进行加热，以提高发动机低温启动性能；

（3）针对低温环境特征，选用专用的低温蓄电池，提高蓄电池在低温环境下冷启动电流参数；

（4）当环境温度低于-20℃时，需增加一套专用加热系统，通过燃烧柴油，加热发动机冷却液，并通过循环泵让加热后的冷却液循环，从而实现发动机机体的加热；同时，为低温蓄电池设计保温箱，利用燃油加热系统产生的热风，对蓄电池进行加热，减少过低的环境温度对蓄电池性能的影响。

4 结论

海拔4000 m 的地区，气压低，空气稀薄，电气设备绝缘能力、散热能力均大幅度下降，在电气系统设计过程中需考虑这些因素的影响，在选用元器件时按照厂家要求进行必要的修正，同时针对高湿度、低温等不同工况，增加专用功能以消除其对电气系统或设备的影响。

目前，采用本方案设计的电气系统已在多款凿岩台车上应用，并在西藏昌都和拉萨的多个工地进行了试验验证，使用效果良好，完全满足现场使用要求。