高原环境下矿用挖掘机的特殊设计

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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6000m 以上的喜马拉雅山脉。

其平均海拔超过4500m ,最高海拔8800m 。

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1036万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4600m ,采场海拔高达5500m ,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90d 左右,年日照时数为2813.
5h 。

年降水量515.9m m ,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1000V 以内)海拔在2000m 以上,高压配电系统(电压1000V 以上)海拔在1000m 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。

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:
U h =U 0e -bh .
(1)式中:U h 为海拔高度h 处的击穿电压,V ;U 0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5000m 以内,每升高1000m ,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5000m 以内,每升高1000m ,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
西藏驱龙铜矿现场供电电压10kV ,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
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)
摘
要:从高压供电、驱动系统、绝缘监测和人性化设计等方面分析了高海拔特殊气候条件下矿用挖掘机的电
气设计。

通过理论考量和现场实际验证,现已在西藏高海拔地区投运的挖掘机,运行效果良好,得到了用户的高度认可和评价。

关键词:高海拔
电气驱动系统
电铲
中图分类号:TD 422
文献标识码:A
文章编号:1003-773X (2020)12-0001-02
收稿日期:2020-07-26
作者简介:职彦(1987—),男,陕西咸阳人,本科,毕业于华中科技大学自动化专业,现任太原重工技术中心矿山所设计员,中级职称。

D O I:10.16525/ki .cn14-1134/t h.2020.12.001
总第212期2020年第12期机械管理开发M ECH A N I C A L
M A N A G EM EN T A N D
D EV ELO PM EN T
Tot al 212N o.12,2020
海拔高度
/m 0100020002500300040005000相对气压
1
0.8810.7740.7240.6670.5910.514相对空气密度
10.9030.8130.7700.7300.6530.538绝对湿度/(g ·
m -3)11
7.64
5.30
4.42
3.68
2.54
1.77
表1
海拔和气压、空气密度及相对湿度的关系
设计理论与方法
缘间距和选用较高电压等级的元器件来实现。

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。

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210m m、230m m、250m m、275m m
四种规格。

根据I E C出版物694对工频和试验电压做适当
校正,校正公式为:
U=U e
1.1α
式中:U为应选用的电压;U e为额定耐压试验电压,
取10kV;α为校正系数,见图1。

根据表格延伸趋势,α取0.5,计算U=18kV,即
耐压增加80%。

综合上述数据,高压隔离开关选用12kV、相间
距275m m的型号。

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]。

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d u/d t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]。

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30kΩ发出报
警,低于10kΩ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。

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。

表2相间导体对地净距
图1海拔和电压校正系数关系
0.
0.
0.
0.
0.
0.
0.
0.
1.
0.
海拔/m
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(编辑:王慧芳)
On the New Type Brake Device for Coal Mine Lifting Winch
Zhao Xin
(No.5Coal Mine of Yangquan Coal Mine Group,Pingding Shanxi 045209)
Abstract:The br ake devi
ce i s di r ect l y r el at ed t o t he s af et y and st abi l i t y of t he wi nch.I f t he br ake devi ce f ai l s,i t i s eas y t o caus e saf et y acci dent s .Ther ef or e,i n or der t o i m pr ove t he br aki ng per f or m ance of t he wi nch,a boos t er br ake devi ce i s des i gned.I t can ef f ect i vel y avoi d t he def ect of i nsuf f i ci ent br aki ng t or que.Thr ough t he num er i cal s i m ul at i on t echnol ogy,t he desi gn r es ul t s of t he boos t er br ake devi ce ar e st udi ed,and t he f eas i bi l i t y of t he des i gn of t he boos t er br ake devi ce i s obt ai ned f r om t he t em per at ur e f i el d and t he pr ess ur e f i el d oft he f r i ct i on br ake.Key words:coalm i
ne;l i f t i ng wi nch;br ake devi ce 参考文献
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张勇军.异步电动机变频调速控制技术[M].北京:机械工业出版社,2009.
(编辑:赵婧)
Special Design of the Mine Excavator with the Altitude Environment
Zhi Yan
(Taiyuan Heavy Industry Technology Center Mining Institute,Taiyuan Shanxi 030024)
Abstract:Based on t
he speci al cl i m at i c condi t i ons at hi gh al t i t ude,t he s peci al el ect r i cal des i gn of m i ne excavat or i n t hi s envi r onm ent i s anal yzed f r om t he as pect s of hi gh vol t age power suppl y,dr i ve s ys t em ,i nsul at i on m oni t or i ng and hum ani z ed des i gn.Thr ough t he pr evi ous t heor et i cal cons i der at i on and f i el d pr act i cal ver i f i cat i on,t he excavat or whi ch has been puti nt o oper at i on i n t he hi gh al t i t ude ar ea ofTi bethas good oper at i on ef f ect and has been hi ghl y r ecogni zed and eval uat ed by user s .
Key words:hi
gh al t i t ude;el ect r i caldr i ve s yst em ;s hovel (上接第2页)
图5闸瓦与制动鼓接触面应力场分布图
单位:Pa
+8.246e+07+1.269e+08+1.713e+08+2.157e+08+2.601e+08+3.045e+08+3.489e+08+3.933e+08+4.377e+08+4.822e+08+5.266e+08+5.710e+08+6.154e+08+6.598e+08+7.042e+08+3.804e+07
最大应力。