鑿巖臺車電氣系統高海拔適應性設計

牛勇，王偉，馬建樂，劉濤

（徐州徐工基礎工程機械有限公司，江蘇 徐州221000）

1 前言

隨著國家對西部地區交通開發建設的投入不斷加大，新建公路、鐵路線路逐年增多，但西部地區，尤其是西南部地區，屬于高海拔地區，山高谷深，地形地質情況及氣候條件復雜，新建公路鐵路的隧道占比大，特長隧道及隧道群密集，作為隧道鉆爆法施工的理想裝備，鑿巖臺車具有轉場靈活、施工多樣化、作業效率高等特點，市場需求量越來越大。

2 高海拔環境對鑿巖臺車電氣系統的影響

海拔超過2000 m 的地區稱為高海拔地區[1]。高海拔地區，因空氣稀薄，會使電氣元件的散熱效率降低，因氣壓降低和大氣密度的減少，會使空氣的絕緣強度降低；同時，海拔的升高還會帶來環境溫度的下降，晝夜溫差過大，使電氣設備內部更易產生凝露，影響電氣系統的性能。

常規型鑿巖臺車的電氣系統是按常規使用環境進行設計和制造的，一般使用條件［2］不超過海拔2000 m，周圍空氣溫度上限為+40℃，下限為-5℃。因此，在高海拔地區使用的鑿巖臺車，電氣系統需要進行針對性的改進。

3 高海拔鑿巖臺車電氣系統設計

鑿巖臺車電氣系統主要分為交流系統和直流系統，其中交流系統電壓等級一般為380～1000 V，主要是通過電纜卷盤將施工現場的交流電源引到臺車交流控制系統，通過交流控制系統控制主泵電機、 空壓機電機和水泵電機運行，為施工提供液壓動力、氣和水，同時為電機提供啟停控制和保護；直流系統電壓等級一般為12～24 V，主要進行發動機啟停控制和運行狀態監控，并實現整車輔助動作的控制。本文以380 V 交流系統和24 V 直流系統為例，研究高海拔環境下鑿巖臺車電氣系統的設計方法。

3.1 380 V 交流控制系統

鑿巖臺車380V 交流回路主要用于給液壓系統主泵電機、以及空壓機、水泵電機供電，啟動并提供保護，其中液壓泵電機一般采用星三角啟動方式，進行降壓啟動，減少對電網的沖擊，整個回路涉及的電氣元件主要有塑殼斷路器、接觸器、熱繼電器、熱磁斷路器、微型斷路器和變壓器等。

本文以海拔4000 米為例，對相關電氣元件重新校核選型：

（1）電氣系統總的供電控制和保護，采用施耐德NSX 系列塑殼斷路器，根據樣本參數，按照額定電流降容系數0.93，額定電壓520 V 進行校核選型，并在進出線位置增加隔板和護套。

（2）接觸器采用施耐德LC1D 系列，根據樣本參數，按照額定電流降容系數0.9，額定電壓降容系數0.8 進行校核選型。

（3）熱繼電器采用施耐德LRD 系列，通過咨詢廠家，按照額定電壓降容系數0.8 進行校核選型；同時增加熱敏電阻保護繼電器，結合電機繞組中預埋的PTC 熱敏電阻，實現對電機繞組溫度的監控，進行雙重保護，避免電機繞組溫度過高導致絕緣快速老化，提高電機使用壽命。

（4）熱磁斷路器采用施耐德GV2 系列，通過咨詢廠家，按照額定電流降容系數0.86，額定電壓降容系數0.6 進行校核選型。

（5）微型斷路器采用施耐德Acti9 系列，根據樣本參數，按照額定電流降容系數0.93，額定電壓380V 進行校核選型。

（6）變壓器特殊定制，通過調整線圈纏繞方式和鐵芯布置形式等工藝方法，增加變壓器的散熱能力和絕緣強度，滿足高海拔環境的要求[3]。

（7）在高濕度環境下在電控柜中增加電加熱裝置及干燥劑，以避免溫差過大產生的凝露影響380 V 控制元件的絕緣。

3.2 交流三相異步電動機

高海拔地區空氣氣壓小，空氣密度減小，散熱能力減弱，電動機在同負載下的溫升提高，因此電動機必須降額使用。

主電機、空壓機電機和水泵主電機均需重新選型校核。

以55 kW 主泵電機為例：

（1）根據西門子SIMOTICS GP 1LE0001 低壓交流異步電動機樣本中對于不同高度和不同環境溫度的功率換算系數（見表1），按照海拔4000 m，環境溫度40℃進行校核：75 kW×0.77=57.75 kW≥55 kW。主泵電機更換為75 kW 電機可滿足使用要求。

表1 西門子1LE00001 電動機不同海拔高度和環境溫度下電機功率換算系數

（2）在電機繞組中預埋PTC 熱敏電阻，結合前文選用的熱敏電阻保護繼電器，實現對電機繞組溫度的監控；

（3）在高濕度環境下，配置電動機繞組防潮加熱帶，當電動機處于非工作狀態時，控制加熱帶工作，對電機繞組進行加熱，以避免由于溫差過大出現繞組凝露，進而導致電機損壞。

3.3 電纜卷盤

電纜卷盤的集電環組件需要根據高海拔環境參數重新進行校核：

（1） 安裝集電環組件的腔體寬度由454 mm增加到530 mm，增加各滑環之間以及滑環與腔體內壁之間的間隙，防止出現擊穿；

（2）重新校核集電環組件的載流量，加大滑環和碳刷的規格，并降容使用，滿足散熱要求；

（3） 在安裝集電環組件的腔體內壁以及中間支撐軸上增加絕緣材料，防止出現異常接地情況；

（4） 在集電環組件的固定螺栓上增加橡膠帽，進出線連接位置增加橡膠護套，進一步提高電氣安全性；

（5）在高濕度環境下增加電加熱裝置，以避免溫差過大產生的凝露影響集電環組件電氣絕緣。

3.4 24 V 直流系統（發動機控制）

高海拔和低溫環境會使柴油發動機輸出功率下降、啟動困難，因此需要對發動機控制系統重新進行設計：

（1）針對設備在不同海拔的應用，由發動機廠家調整ECU 控制程序，對發動機運行參數進行重新標定，以適應不同海拔的使用要求；

（2）增加發動機進氣預熱系統，通過在啟動前控制預熱塞對發動機進氣進行加熱，以提高發動機低溫啟動性能；

（3）針對低溫環境特征，選用專用的低溫蓄電池，提高蓄電池在低溫環境下冷啟動電流參數；

（4）當環境溫度低于-20℃時，需增加一套專用加熱系統，通過燃燒柴油，加熱發動機冷卻液，并通過循環泵讓加熱后的冷卻液循環，從而實現發動機機體的加熱；同時，為低溫蓄電池設計保溫箱，利用燃油加熱系統產生的熱風，對蓄電池進行加熱，減少過低的環境溫度對蓄電池性能的影響。

4 結論

海拔4000 m 的地區，氣壓低，空氣稀薄，電氣設備絕緣能力、散熱能力均大幅度下降，在電氣系統設計過程中需考慮這些因素的影響，在選用元器件時按照廠家要求進行必要的修正，同時針對高濕度、低溫等不同工況，增加專用功能以消除其對電氣系統或設備的影響。

目前，采用本方案設計的電氣系統已在多款鑿巖臺車上應用，并在西藏昌都和拉薩的多個工地進行了試驗驗證，使用效果良好，完全滿足現場使用要求。