㈠ 高原电机
高原电机有什么特点，为什么一般电机不能用于高原地区？
修改时间:2016/07/18 10:40:21 点击量：169
海拔高度对电机温升，电机电晕（高压电机）及直流电机的换向均有不利影响。应注意以下三方面：
(1) 海拔高，电机温升越大，输出功率越小。但当气温随海拔的升高而降低足以补偿海拔对温升的影响时，电机的额定输出功率可以不变；
(2) 高压电机在高原使用时要采取防电晕措施；
(3) 海拔高度对直流电机换向不利，要注意碳刷材料的选用。
高原电机使用场所海拔高于1000米的电机。指根据国家行业标准：JB/T7573-94高原环境条件下电工产品通用技术条件规定高原电机又分很多级：它们分别是不超过2000米、3000米、4000米、5000米。
高原地区的主要特征为：
1、空气压力或空气密度小。
2、空气温度较低，且温度变化较大。
3、空气绝对湿度较小。
3、太阳辐射照度较高。
5、降水量较少。
6每年大风日多。
7、土壤温度较低，且冻结期长。
由于上述原因，对电机运行会带来以下不利影响，因面在设计、制造上要采取相应的措施：
1、引起绝缘强度降低：每升高1000米，绝缘强度要降低8—15%。
2、电气间隙的击穿电压下降，因此要按海拔大小相应增大电气间隙。
3、电晕起始电压降低，要加强防晕措施。
4、空气介质冷却效应降低，散热能力下降，温升增加，每升高1000M，温升要增加3-10%，故要修正温升限值。
在5000m处的空气含氧量仅为海平面空气含氧量的53％。 2.2 气温
气温是距离地面1.5m高度处测得的空气温度。 大气对流层的最大特点是气温随海拔的升高而降低。在自由大气中，平均海拔每增加100m，气温降低0.65℃，实际上对流层各高度的递减率是不同的。
2.2.1 高海拔地区的最高气温在2000m以内，一般为30℃～40℃之间， 最高气温的最低值出现在青藏高原，大都在30℃以内，甚至不到20℃。 2.2.2 最高日平均气温是各年记录中每天平均气温的最高值，取多年平均值。
最高日平均气温大约每升高100m，气温下降0.5℃。
1km～5km最高日平均气温分别为30℃、25℃、20℃、15℃、10℃。 2.2.3 年平均气温的最低值出现在地势最高的青藏高原西北部，1km～5km年平均气温分别为20℃、15℃、10℃、5℃、0℃。随着海拔高度的增加，年平均温度随之下降。
2.2.4 最大气温日较差的大小与纬度、云量、海陆分布、地势、地表性质、海拔高度和季节等因素有关。据统计，年最大气温日变化的多年平均值一般都在20℃～30℃之间。
2.2.5 最低温度主要取决于纬度和海拔高度。对于同纬度地区来说，海拔较高的地方，最低温度是比较低的，如盐池处于1349m，最低温度为-28.5℃，而处于同纬度的大柴旦，海拔3174m，最低温度为-33.6℃。 2.3 太阳直接辐射最大强度
地球上气候不同的根本原因就是太阳辐射，太阳辐射的强度决定地理纬度。但随着海拔高度的增加，太阳光线通过大气的厚度、空气密度，水汽和悬浮物质都相应减少，太阳光透过度愈大，到达地面的辐射较强，由于夏季和冬季气温相差较大，夏季气温较高，因此，太阳辐射的数据是统计夏季6～8三个月太阳直接辐射最大强度值。
1km～5km太阳直接辐射最大强度分别为1011、1064、1118、1171、1225（W/m2）。从以上的数据可以看出，随着海拔的增加，太阳直接辐射强度增大。海拔高度增加1000m，太阳直接辐射强度约增加54W/m2。 2.4 冻土 我国多年冻土主要分布在大小兴安岭、西部高山及青藏高原等地。东北冻土区的地形以丘陵山地为主，虽然海拔不高，但由于纬度高，又受西伯利亚高压空气影响，成为我国最寒冷的自然区。西部冻土区，虽然部分纬度较低，但均属高山高原地区，地势高亢，深居内陆，属高寒气候。其共同特点是年平均气温低，冻结期长。青藏高原地区一般冻土层厚度均在25m～120m甚至达到175m。
2.5 沙尘 西北的黄土高原和青藏高原的沙尘也是相当严重的。
西北地区的风沙日（能见度只有10km)在24d～68d。 风暴日（能见度只有1km）在10d～22d。沙尘的大小和风速密切相关，随着风速的增大，刮起沙尘颗粒的直径也愈大。
2.6 积雪 青藏高原四周环山，受帕米尔、喀喇昆仑、昆仑山、喜马拉雅山、唐古拉山等的屏障作用，北冰洋、大平洋、印度洋的气候很难对高原内部的气候有显著影响，因而这里的气候干冷、降雨稀少，尤以藏北高原更甚。那里年最大积雪不到10cm。中国最大的积雪出现在新疆和东北。阿尔泰山、天山、喜马拉雅山、祁连山和西南横断山脉是中国多雪的山地，大部分地区积雪分布均表现出明显的随海拔增高而增厚的规律性。
3 高原环境对机电产品的影响
3.1 低气压的影响
3.1.1 内燃机的燃烧恶化、功率显著下降，油耗增加。
内燃机工作容积是固定的，由于空气密度随海拔变化，进入发动机气缸的空气充量也发生变化。对自然吸气的柴油机，若油泵的供油量不变，则进入气缸的燃油得不到充分燃烧，使排烟变浓，排温升高，燃烧室零件过热，导致功率下降，经济指标变坏。 根据现场测试表明，海拔每升高1000m， 内燃机出力平均下降9％～13％，油耗增加6％左右。
在海拔2700m的龙羊峡水电站工地，有工程机械和运输机械420辆， 功率损失达37％。国产装载机，只能在海拔2800m的工地上勉强使用， 在海拔3300m的工地上不能使用。某厂生产的ZL30装载机在海拔3000m的工地作业时，铲斗的举升能力减少50％；某厂生产的CX-80机车， 在西宁地区能拉3节50吨的货车，但到海拔3173m的锡铁山只能勉强拉2节。
3.1.2 内燃机冷却系统工作条件恶化
随着海拔高度增加，大气压力下降，冷却水沸点也随之降低，不同海拔的水的沸点见表2。
表2 不同海拔高度水的沸点 海拔高度(m)
0 1000 2000 3000 4000
冷却水沸点(℃) 100 96.6 93.3 90.0 86.9
海拔每升高1000m，水的沸点下降3.3℃左右。 据高原地区工作的司机反映，内燃机，尤其是柴油机，冷却水经常“开锅”，解决的办法是停机冷却或放去热水，添加冷却水，前者误工误时，后者，因高原地区水源缺，水质差而存在矛盾。由于高原空气密度减少，虽然冷却风扇的体积流量不变，但重量流量却大为降低了，海拔每升高1000m，重量风量下降8％， 实际上降低了风扇的冷却效果和冷却水箱的散热效果。而内燃机由于高原燃烧不良， 排温升高，零件热负荷增加，如散热不良会使工作不正常，特别是冷却发动机， 其最大功率受热负荷的限制， 当冷却强度不足时， 排温剧增， 热负荷过高， 甚至产生拉缸现象。
以上两点，对于起重机、汽车起重机、施工机械、载重汽车、打桩机械等以柴油机、内燃机为动力的机械产品均存在着这样的问题。 3.1.3 空气压缩机排气温度增高
由于海拔高度的升高，大气压力降低使重量排气量减少，其数值为海拔每升高1000m，平均减少11%～12％，而容积排气量也随海拔升高而减少， 海拔每升高1000m，平均减少2％～3％。由此而造成随着海拔高度的升高， 压缩机的排气温度增高。 3.1.4 影响低压电器的分断能力
由于海拔升高，空气密度降低，空气散热能力减弱，当触头在分断电流时，介质恢复强度降低，电弧较难熄灭，容易引起电弧重燃，因而燃弧时间延长，触头寿命缩短。
高原空气稀薄，散热能力减弱，热继电器动作时间缩短。 3.1.5 高压电机电晕起始电压降低
由于高原空气稀薄，分子间的距离加大，离子的自由行程加大，因而起晕电压降低。如处于高海拔地区的桥头电厂5#发电机组(2.5万kW，6.3kV），当电压升到1.7kV时开始听到放电声音，电压升到2.5kV 时开始见到电晕火花， 电压升到3.6kV时就看到很严重的电晕现象，在6.3kV额定电压下， 电晕更严重并有臭氧气味。
此外，低气压会使高压电瓷外绝缘强度降低；影响蓄电池的使用寿命；对直流电机换向和电刷磨损造成影响。 3.2 低温对机电产品运行的影响 3.2.1 内燃机冷起动困难
低温是高原气候的一个特点，随着海拔升高，气温呈线性下降，青藏高原的最低气温一般都在－30℃以下，内燃机的低温起动问题与平原寒冷地区基本相似，但加上高原地区的缺氧和低气压使内燃机的着火起动性能较平原差。
3.2.2 影响蓄电池的工作性能
因低温使硫酸电解液粘度增大，负极活性物质早期钝化，影响电解液在极板内的扩散速度，使铅蓄电池基本电化学反应在缺乏电解液的情况下，只能在极板的表面不完全地进行。所以，铅蓄电池的容量及起动放电性能随温度的降低而降低。 3.2.3 影响电机的起动性能
低温对电机的散热有利，但对小型电机的起动有一定的影响。由于气温低使润滑脂稠度增大或凝固冻结，引起静态阻力矩增加，使起动变得困难。当润滑脂低温冻结后，丧失润滑能力，起动时与轴承磨擦发出尖哨声，加速轴承磨损。
3.2.4 对仪器仪表性能的影响
由于低温、昼夜温差大，使仪表中的线性元件特性发生线性变化，测试仪表（包括压力表、液压表、流量计等）普遍存在精度降低、重复性差、零点漂移严重。 3.2.5 对材料性能的影响 据反映，在低温下沥青绝缘胶有开裂现象，到潮湿时影响绝缘性能，绝缘材料的机械性能有所降低，明显变硬变脆。橡胶、丁苯基天然橡胶电缆护套在－30℃下易折、易剥裂。
对油料的选择也要慎重，现有的低凝液压油的粘度指数尚偏低，虽然其凝点在－40℃以下，但作为液压系统传递扭矩的介质来说，在凝点以上十几度已无良好的流动性，不能适应于低温地区工作的要求。 橡胶密封件经低温试验表明，随着温度的下降，其硬度、扯断强度及伸长率三项机械性能均表现出不同程度的下降趋势。
3.3 太阳辐射对高原机电产品的影响 3.3.1 影响塑料的机械性能
日光对有机材料的损害大小，除与其化学键能大小等因素有关外，与其分子键的密度大小也有关。热固性塑料分子键呈网状结构，密度相对较大，因此光化裂解作用对其机械性能影响较小，而对热塑性的机械性能影响较大。
3.3.2 对油漆涂层的影响
高原地区日照强裂，温差变化大，会加速油漆涂层的老化和龟裂。据分析，油漆涂层的光老化是光氧老化，其速度不仅和太阳光的辐射强度和辐射量总量有关，也和大气中的水份、氧气、温度、湿度都有关。虽然高原地区的太阳辐射强度和总量比较大，但气候干燥、空气稀薄、温度低、大气中的水份、含氧量和温度等没有湿热带高，所以高原气候对油漆涂层的影响没有湿热带强烈。 3.3.3 对电机运行的影响
高原地区户外用的电机，由于运行时发热，加之太阳的直接照射，按理会超过温升限度，但从调查中反映，电机过热现象不明显，这是由于高原地区常年温度较低，对温升有一定的抵消作用，故反映问题不大。 3.4 冻土对机电产品的影响 3.4.1 对打桩机及钻孔机的影响
在高原多年冻土地区打桩时，因冻结的土较坚硬，一般不先钻孔而用打桩机直接把予制桩打入冻土层是较困难的。
如在青海清水河畔海拔4470m的冻土地带施工中， 该地区多年冻土中夹有融层，钻孔中发生严重坍孔现象。施工季节正在七月下旬，该处又为高温冻土，其地温为-0.5℃～-1℃，当严重坍孔会因大量地表泥水进入孔内，使孔壁多年冻土融化，使孔底冻土融化。此外，由于冻土较坚硬，钻头硬质合金片的磨损及钻杆钻头叶的磨损要严重得多。而且钻孔机消耗功率也增加。 3.4.2 对通讯电缆的影响
冻土的冻结和融化而引起的土层冻胀隆起，开裂和融沉，对埋在地下的电缆弯曲拉伸影响很大，有可能将铅电缆拉断。
据调查中反映，冻土层中最低温度一般不会低于－16℃，因而在敷设电缆时，在电缆周围填300×300mm含盐砂介质中，一方面可以使电缆处于不冻状态，另一方面在冻胀隆起、开裂的情况下，可以对冻层作较大的相对位移，从而可以减少在电缆上的张力。 3.5 沙尘对机械产品运行的影响
黄土高原和青藏高原的风沙是比较大的，高原地区干旱少雨，地面植被少，加上大风，沙尘对内燃机（包括以柴油机为动力的机械、打桩机、载重汽车、装载机等)的危害很明显。
用户反映，空气滤清器在高原地区使用很快会堵塞，渗漏进气缸的沙尘加速了发动机运动部件的磨损。旋风式纸质滤清器，按说明书规定每50小时保养一次，但在龙羊峡工地，1～2小时就会积满尘埃，一个班次需清理空滤器，拍打纸质滤芯两次。
沙尘对电机轴承、低压电器触头、开关等均有不同程度影响，这里从略。
4 结束语
我国高海拔地区面积宽广，由于受各方面条件限制，那里的工农业发展比较缓慢，目前交通工具仍以汽车运输为主，而在高原地区使用的柴油机及内燃机功率损失相当严重，因此研究机械产品功率恢复技术有其重要意义。西藏地区具有重要的战略意义，那里有重要的矿产资源，为改善西藏人民的生活，尽快建设西藏的铁路运输系统具有重要意义。可喜的是，国家已下决心把铁路从青海格尔木继续延伸至西藏拉萨，而且计划在云南开通入藏的滇藏铁路。可以想象，在不久的将来，高原地区将会得到更快的发展。
国际电工委员会(IEC)在制订有关标准时，由于欧洲地区高海拔地区很少， 其标准只考虑在3000m以下。目前，我们根据国内情况， 已制订了《机械工业产品高原环境条件》及《机械工业产品环境技术要求 高原环境用》两份标准。为设计、生产适合高海拔地区使用的机电产品提供了依据。这对提高机电产品的可靠性具有重要的价值，对国民经济的发展也具有现实意义。
作者简介：刘奎芳（1938-）男，广东大埔人，高级工程师。 作者单位：（广州电器科学研究所， 广州 510302）
参考文献：
［1］ 电工产品高海拔环境条件［S］．昆明电器科学研究所 ［2］ 机械工业产品环境适应性调查报告． 广州电器科学研究所等． 1992．
高原电机在高海拔运行，由于气压低，散热条件差， 及损耗将会增加，运行效率降低。因此，同样的 ，不同海拔运行的电动机额定电磁负荷及散热设计是不同的。不是高海拔规格的电动机，最好适当降负荷运行。否则，电机的寿命及性能都会受到影响，甚至会在短时间内烧毁。
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