高原環境水電站起重設備設計關鍵技術

楊 芳，吳思夠，蔣從軍

（中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江 614100）

高原環境水電站起重設備設計關鍵技術

楊 芳，吳思夠，蔣從軍

（中國水利水電夾江水工機械有限公司，四川 夾江 614100）

高原氣候對水電站起重設備的設計選型及操作有著很大的影響。文章分析了高原環境下諸多不利因素對水電站起重機的電動機、減速器、制動器、鋼結構、橡膠制品、油料、電氣系統的設計選型及操作人員的影響，提出了針對性的解決思路及措施。為后續開發高海拔地區的水電資源提供值得借鑒的經驗。

高原環境；起重設備；低溫；高原降效；紫外線

0 前言

我國重要的新能源基地在高原地區有較廣的分布，這些地區多數電網負荷水平相對較低，對風電、光電等新能源的接納空間有限，電網調峰能力不足，水電站對促進風電與光電消納具有重要的作用，因此需要建設一定規模的水電站以增強電網調峰能力。高原地區的水電開發還有比較大的空間，特別是西藏，雅魯藏布江是我國最大的水電能源基地，天然水能蘊藏量達7 911.6萬kW，僅次于長江，居全國第二，目前已建成投產發電的只有藏木水電站，開發前景巨大。雅魯藏布江也是世界上海拔最高的大河之一，河床一般高程在海拔3 000 m以上。在西藏，目前已建成運行多年的水電站有直孔水電站、金河水電站、獅泉河水電站，最高海撥超過4 300 m，經過多年運行，設備使用情況良好。為更好的適應高原高海拔地區的水電建設，現就高海拔地區環境下起重設備的關鍵技術，作如下分析總結。

1 概述

在沒有特殊說明的情況下，起重設備的設計適用環境為海拔不高于1 000 m的常溫地區。高原地區水電建設海拔高程大多在3 000 m以上，其主要氣候特點為：大氣壓力低，空氣密度及含氧量低；年平均氣溫低，而且低溫期長，晝夜溫差大，大風，日照輻射強等，多數屬于高原溫帶季風半濕潤氣候。在這種環境中，起重啟閉設備比在低海拔地區有較大差異，電動機、減速器、制動器、液壓油及潤滑油、密封等關鍵部件需要經過特殊選型甚至于特殊設計才能達到使用要求。部分高原地區風沙大，設備的機構布置需盡量考慮封閉式傳動方式，避免風沙浸入，引起傳動鏈損壞，影響設備使用壽命。大氣壓力低、空氣稀薄，也影響到操作人員的工作效率和反應靈活性，直接關系到施工安全和人員的生命安全，需要配備專用設備保證操作人員的身體處于健康狀態。因此，啟閉設備的總體方案、金屬結構的材質及制造工藝、機械零部件制造標準、電氣（控制）系統配套和元器件選擇、主要零部件、密封件等的選型和用材，需要有專門的應對措施。

2 高原環境氣候對電動機的影響分析

由于電動機的功率只與電壓的平方和功率因數成正比，與電動機的阻抗成反比，而與海拔高度沒直接的關系，所以電機的軸輸出功率保持不變。但是，因海拔高度的升高，使空氣的密度減少而使電動機的散熱能力下降，電動機的溫度升高，導致電機的許用軸輸出功率降低及故障率升高；由于散熱問題造成電機碳刷的磨損嚴重；高原氣候環境空氣密度稀薄，溫度低、氧氣含量不足，還會影響氧化膜的形成，從而引起電機換向惡化問題；另外,也因空氣的密度減少而使電動機風機出口的風量減少。

應用于高海拔環境下的電動機，應考慮“高原降效”措施。所謂“高原降效”，就是指電動機在高海拔地區運行時，由于高原環境特殊，電機運行時產生的熱量不容易散發出去，電機的有效輸出功率降低。另外，由于高原地區海拔高，濕度低、氧氣含量不足，導致換向器表面的氧化膜不易形成，從而使換向惡化。具體如下：

1）合理選用電動機的熱負荷。考慮高原特殊的運行環境，對電動機的電樞線圈電密、線負荷和熱負荷等參數針對高原環境，將進行合理放大。

2）改變擋風板的結構，改善通風效果。電動機采用管道式強迫通風的冷卻方式，從電動機后端強迫通入空氣。通過改變電動機后端罩的擋風板的傳統結構方式，傾斜擋風板適當角度，使冷風經電樞內腔，將電動機產生的大部分熱量帶出。

3）改善換向的措施。選用優質電刷材料，材質耐磨，硬度中等抑制火花能力強，接觸壓較大，對換向有利。在電動機設計時，保證足夠的窗口寬度，電動機加上位移墊塊，通過增大換向區，降低電抗電勢，從而達到改善換向的目的。當電動機流過電刷電流較大時，容易在相近的電刷間產生火花，嚴重時產生環火，燒毀換向器、電刷和刷盒。因此，在刷架上加隔離板，有效的防止相鄰刷架環火的產生。

4）在電動機制造過程中將特別關注電動機繞組絕緣電壓、防暈、固定特性，它決定了電動機能否在高原環境下安全運行。由于海拔高，氣壓低，空氣密度小，使電動機的起暈電壓降低，主絕緣和半導體層或鐵心之間氣隙容易產生放電現象，腐蝕電機絕緣，所以，高原用電動機的絕緣性能要比一般電動機的要求高。電動機繞組的主絕緣結構、防電暈結構和固定結構是電動機絕緣系統的三個主要部分，與電動機的安全運行和使用壽命有密切關系，主絕緣性能好的標志是絕緣整體性好，厚度均勻，冷、熱態tan啄和△tan啄小，擊穿電壓和場強都較高。為了保證防電暈性能好，首先要使用性能指標理想的防暈帶材料，采用合理的結構和制造工藝，消除主絕緣與防暈層之間的間隙，從而防止氣隙中的局部放電對電機絕緣的電腐蝕，電動機槽部和端部固定完好，可以保持整個電動機繞組成為一個整體。一方面可以降低槽電位，避免槽內發生局部放電，另一方面可以防止在電磁振動力的作用下，繞組松動與鐵心之間產生絕緣的機械損傷和動態放電。

電動機在設計及制造過程中充分考慮到高原運行環境的特殊性，能有效地解決高原降效的問題，保證電動機具有良好的使用性能，使電動機長期、安全、穩定運行。起重設備電動機在工程實際選型中，一般是根據海拔高度和環境溫度選擇電動機的降容系數，降低電動機容量來進行選型，而對于大型或超大型電動機，屬于單件訂貨生產制作，可以針對性提出要求，以滿足高原環境的使用要求。

歐洲起重機械設計規范（FEM）對電動機的選型，要求考慮海拔高度和環境溫度對電機出力的影響，電機功率修正系數如圖1所示：

圖1 環境溫度和海拔高度對電機功率的修正系數（FEM圖5.8.1.5）

3 高原環境氣候對減速器的影響分析

在高原環境氣候條件下，減速器主要存在以下幾個方面的問題：1）高原地區空氣稀薄，減速器的散熱性差；2）對減速器潤滑油的影響；3）對減速器密封件的影響；4）對減速器箱體的影響。在標準系列減速器的選型中主要采取如下措施：加大減速器的使用安全系數，滿足熱功率要求；潤滑油采用適合高海拔嚴寒地區的牌號，既能滿足低溫條件下良好的潤滑性能，又能保證高溫條件下具有較高的油膜強度；選擇適合高原環境的密封件，具有較強的防紫外線能力，能保證在低溫環境使用的可靠性；減速器采用焊接箱體，采用具有低溫沖擊性能的材料制作，嚴格控制焊縫質量，進行消應力處理等，保證箱體質量受控，而鑄件的缺陷控制難度相對焊接箱體來說較大。

表1為某減速器廠家提供資料：

表1 減速器熱功率海拔系數

對于非標設計減速器，為增強減速器在高原條件下的散熱性能，可在箱體上焊散熱翅片。同樣在機架設計上也可采取相應措施，留通風孔，可保證機外空氣能通過機架與箱體及機房形成對流以加強對減速器的自然冷卻。

4 高原環境氣候對制動器的影響分析

在高原環境氣候條件下，制動器主要存在以下方面的問題：

1）對制動器潤滑油的影響；

2）對制動器密封件的影響；

3）對制動器液壓管路的影響；

4）西藏地區電壓不穩，對于安全制動器電控箱的影響。

工作制動器的Ed型推動器，產品的使用溫度為-25～50℃，選用低溫特性、抗磨性、抗腐蝕性良好的合成液壓油，具有優良的抗氧化、水解安定性和抗乳化性能，以及良好的空氣釋放性和消泡性。

選擇適合高原環境的進口密封件，能夠在-40～+100℃正常使用。

安全制動器的液壓管路中，由于軟管在高海拔情況下使用老化程度比較快，應采用鋼管，減少使用過程中管路的老化。若因布置需要使用膠管，應選擇適合高原環境的膠管，能夠保證低溫環境使用的可靠性和耐用性。

安全制動器的電控箱，考慮到西藏地區電壓不穩等因素，采取加大電氣元件的型號選型等措施，滿足高原地區水電站的使用要求。

5 高原環境氣候對鋼結構的影響分析

鋼材的拉脆斷性能與環境溫度、結構型式、鋼板厚度、應力特征、鋼材性能等因素有關。工作溫度越低、鋼材越厚、名義拉應力越大、應力集中及殘余應力越高、鋼材韌性越差的結構越容易發生脆斷。水電站起重設備長期工作在高原低溫環境，其門架結構、小車架等主要受力結構件的抗拉斷性能，在設計制造過程中必須予以高度重視。

針對高原氣候寒冷的特定環境，起重設備的關鍵部件，包括門架結構、小車架、吊具耳板、卷筒等，要求其具有足夠的耐低溫沖擊韌性，才能保證起重機在嚴寒條件下使用不發生脆裂問題。采取的措施主要有：1）主要受力構件采用Q235D或Q345D；2）主要受力結構件的設計采取減少應力集中和減少焊接殘余應力的構造措施，嚴格控制板厚；3）采用低溫焊接技術進行焊接，確保焊接質量能適應高原寒冷地區作業環境；4）降低結構計算應力，保證鋼結構的安全可靠性。

6 高原環境氣候對密封橡膠材料、MC尼龍材料的影響分析

普通常態下的密封橡膠材料在低溫和紫外線下極易老化，脆裂、磨損。在高原地區，由于低溫、紫外線較強等原因，使機械設備的橡膠部件、橡膠密封件容易老化、壽命縮短，漏油現象使動力系統輸出功率不足，成本增加、效益下降，也不利于環保的要求。對于起重機液壓系統、制動系統密封件、減速器等關鍵設備的密封件，采用適合于高原環境的密封材料尤為重要。選擇適合高原環境的密封件，應具備耐-40℃的低溫、耐紫外線的能力，能夠保證低溫環境使用的可靠性和耐用性。

普通常態MC尼龍材料在高原紫外線較強的條件下，會降低使用壽命（約為正常情況下的60%），但對于經過特殊處理的MC尼龍材料，其使用壽命將達到普通MC尼龍材料的一倍以上。

若采用尼龍滑輪等尼龍制品，應采取以下措施防止老化：

1）滑輪采用黑色制品，因為炭黑能吸收95% 380 nm以上波長的可見光，大幅度的減少可見光對尼龍的傷害，延緩尼龍的老化，提高產品的使用壽命。

2）添加紫外線吸收劑，針對強紫外線條件下使用的MC尼龍制品，此添加劑具有超強的紫外線吸收能力，能幾乎100%吸收270～380 nm波段的紫外線，它同時又具有超強的抗氧能力，因此它可以大幅度提高產品的抗老化性能，延長產品的使用壽命。

3）特殊的生產工藝。

7 高原環境氣候對各種油料（液壓油、潤滑油等）的影響分析

油料的選擇對高原施工設備是至關重要的,選擇不好會直接導致機械設備的加速磨損或不能正常啟動。為減少低溫低氣壓條件下的起動阻力,保證制動器等液壓系統的正常工作，必須選用適合的液壓油。

液壓系統70%～80%的故障是由于液壓油選擇不當或液壓油被污染引起的,應選用低溫特性、抗磨性、抗腐蝕性良好的合成液壓油,還應具有優良的抗氧化、水解安定性和抗乳化性能,以及良好的空氣釋放性和消泡性。只有選用了適合的液壓油,才能延長液壓元件的使用壽命。

潤滑油要具有閃點高、凝點低、粘度性能變化小、防氧化、防腐蝕、防銹蝕、抗泡沫的特性,保證在低溫條件下良好的潤滑性能和高溫條件下具有較高的油膜強度。

8 高原環境氣候對供電、電氣控制和傳動系統方面的影響分析

對高原設備電氣控制、拖動系統中低壓電器產品選擇的主要依據為GB/T 20645《特殊環境條件、高原用低壓電器技術要求》。

低壓控制、配電電器產品在高原高海拔環境的應用相對于其他自動化設備要更多、更廣泛。為此國家在2006年11月針對高原高海拔地區的低壓電器應用頒布了相應的標準GB/T 20645-2006《特殊環境條件、高原用低壓電器技術要求》，并于2007年4 月1日開始實行。其主要內容有：

1）申明了GB/T 20645-2006《特殊環境條件、高原用低壓電器技術要求》的應用范圍。

2）申明了“規范性引用文件”，即解釋GB/T20645 -2006標準與相關標準的銜接引用關系。

3）在原國家相關標準定義的術語的基礎上，增補部分術語及其概念的定義。主要有：高原、太陽輻射強度、常規產品規范、高原型產品和人工模擬環境。

4）分類：對低壓電器產品按海拔高度環境條件分為，戶內高原型電器產品和戶外高原型電器產品。

5）產品的有關數據和資料。

6）正常的使用、安裝和運輸條件。

7）結構和性能要求。此部分內容為低壓產品能否在高原、高海拔環境應用的關鍵約束條件，低壓電器產品的設計、制造、試驗主要依據此部分內容；此部分主要通過對產品電氣間隙和爬電距離、材料選擇、產品在運行過程中的溫升、介電性能、分斷能力、使用壽命、脫口特性等提出規范性要求。

8）試驗。此部分要求低壓電器產品在高原高海拔環境運行時要對其進行：溫升試驗、工頻耐壓和沖擊耐壓試驗、脫扣特性試驗、低溫試驗以及其他特殊試驗。

在常規海拔下使用的低壓電氣元件，在散熱、絕緣、爬電距離、耐紫外線、耐高低溫等方面不能適應高原高海拔氣候環境，在高原高海拔地區進行低壓電器元件的選擇時，需充分考慮關于高原高海拔地區特殊環境條件和電壓、電流、散熱裕量的描述和規定，選擇適合于高原高海拔環境的電氣元件，保證產品的可靠運行。

9 高原環境氣候對人的影響分析

在高原環境，人的體能消耗比在低海拔地區大得多，司機室是作業人員工作和休息的地方，設置比較完善和相對舒適的司機室，提高機械自動化，增加安全保障措施，是提高設備利用率的必要條件，也是緩解和減輕操作人員勞動強度、保障操作人員人身安全、保障施工安全最有效的方法。高原環境下，應提高起重啟閉設備自動化控制水平，除了國家規范要求必須設置的上下極限高度限制、荷重檢測裝置、監控系統等外，額外增加起重啟閉設備位置自動檢測定位、遠程操作等功能也是必要的，這樣能大大減輕操作人員的勞動強度，提高工作效率。

在高原低溫缺氧惡劣環境條件下，人的高原反應尤為顯著，起重機司乘人員所能承受的最大勞動強度僅能維持平原地區的一半左右，保證人員的健康和安全尤為重要。除了提供必備的生活設施以外，為保證司乘人員健康和安全，司機室的密封性能必須良好，設置冷、暖空調，為了減少紫外線對人體的傷害，采用具有防紫外線輻射的彩色玻璃，司機室的設計視野寬闊，盡量能夠對操作范圍全覆蓋；宜配置吸氧裝置，保證在2 dm3/min流量下持續供應8 h以上，以保障操作及施工人員的不時之需；司機室內、外溫差大，在視窗上容易結霜，宜配備除霜功能，以保證操作安全；為使操作人員能有更好的工作環境，還建議在司機室中增加新鮮空氣交換功能和設置微增氧功能等。

機械設備在工作過程中，如果駕駛員因缺氧而導致反應遲鈍極易出現事故，因此必須解決駕駛員的吸氧問題。為了保障駕駛員的吸氧需要，機械設備的駕駛室要有氧氣瓶的懸掛位置，氧氣面罩要配置在駕駛員能順利取得到的地方，以便應急使用。

10 結束語

通過以上分析，高原環境氣候對水電站起重設備及操作人員均會產生較大的影響。起重設備在設計選型過程中需有針對性的應對措施，制造中應嚴格執行相關高原環境的國家規范，嚴格按標準和設計圖紙進行生產，才能確保操作人員和起重設備的使用安全。

[1]FEM歐洲起重機械設計規范[S].

[2]GB/T3811-2008起重機設計規范[S].

[3]DL/T5167-2002水電水利工程啟閉機設計規范[S].

[4]GB/T 20645-2006特殊環境條件、高原用低壓電器技術要求[S].

TV532

：A

：1672-5387（2017）03-0062-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.020

2016-07-06

四川省科技廳科技支撐計劃專項基金資助項目（2015GZ0032、2016GZ0169）

楊 芳（1972-），女，高級工程師，從事起重機械設計管理工作。