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，是目前國內(nèi)已探明的第一大銅礦，儲藏量達(dá)到世界第三、亞洲第一。當(dāng)?shù)剡x場的海拔達(dá)到4 600 m，采場海拔高達(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)境對電氣系統(tǒng)的影響

一般而言，對于低壓配電系統(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；空氣絕對濕度低；太陽輻射強度高；降水量較少；風(fēng)力等級高。表1列出了海拔和氣壓、空氣密度及相對濕度的關(guān)系。

表1 海拔和氣壓、空氣密度及相對濕度的關(guān)系

在上述因素中，空氣密度和氣壓降低會引起電氣間隙和外絕緣強度降低，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，其下降程度與電場均勻程度有關(guān)：電場不均勻程度越大，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)以往的實驗結(jié)果，在海拔5 000 m以內(nèi)，每升高1 000 m，外絕緣強度降低8%～13%。

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

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加速絕緣材料的老化，加之機械設(shè)備使用中的振動和應(yīng)力因素，電氣設(shè)備的使用壽命會隨之大大減少。

3 礦用挖掘機的電氣特殊設(shè)計

3.1 高壓供電

西藏驅(qū)龍銅礦現(xiàn)場供電電壓10 kV，通過挖掘機尾部高壓開關(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的元器件來實現(xiàn)。

3.1.1 絕緣間距

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

表2 相間導(dǎo)體對地凈距

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

根據(jù)IEC出版物694對工頻和試驗電壓做適當(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，α取0.5，計算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。

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，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)備運行時因粉塵或空氣潮濕引起的放電現(xiàn)象。對電纜連接處的固定螺栓，選用合適的長度。

高壓設(shè)備的穩(wěn)定運行除了帶電間距的要求外，滅弧性能也是一項重要指標(biāo)。在緊急情況下，挖掘機需要高壓負(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)動系統(tǒng)

挖掘機的工作核心系統(tǒng)為變頻調(diào)速柜驅(qū)動的各機構(gòu)電機。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)該傳動架構(gòu)?？紤]到大載荷工況對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。

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

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

3.3 絕緣監(jiān)測

每個供電柜均加裝絕緣監(jiān)測儀，該絕緣監(jiān)測儀基于配電網(wǎng)絡(luò)對地阻值進(jìn)行信息預(yù)警，監(jiān)控信息實時傳輸至整機控制網(wǎng)絡(luò)：阻值低于30 kΩ發(fā)出報警，低于10 kΩ設(shè)備報警停機。

在設(shè)備長期運行過程中，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)將及時預(yù)警，便于現(xiàn)場人員進(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，降低運行成本的同時提高了設(shè)備的安全等級。

3.4 人性化設(shè)計

挖掘機司機在現(xiàn)場低壓缺氧的條件下長時間工作，容易精神疲勞、注意力不集中；苛刻的自然條件對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)計理念。

4 結(jié)論

迄今為止，太重共有近10臺挖掘機在西藏高海拔地區(qū)投運，運行效果良好，得到了用戶的高度認(rèn)可和評價。