㈠ 高原電機
高原電機有什麼特點，為什麼一般電機不能用於高原地區？
修改時間:2016/07/18 10:40:21 點擊量：169
海拔高度對電機溫升，電機電暈（高壓電機）及直流電機的換向均有不利影響。應注意以下三方面：
(1) 海拔高，電機溫升越大，輸出功率越小。但當氣溫隨海拔的升高而降低足以補償海拔對溫升的影響時，電機的額定輸出功率可以不變；
(2) 高壓電機在高原使用時要採取防電暈措施；
(3) 海拔高度對直流電機換向不利，要注意碳刷材料的選用。
高原電機使用場所海拔高於1000米的電機。指根據國家行業標准：JB/T7573-94高原環境條件下電工產品通用技術條件規定高原電機又分很多級：它們分別是不超過2000米、3000米、4000米、5000米。
高原地區的主要特徵為：
1、空氣壓力或空氣密度小。
2、空氣溫度較低，且溫度變化較大。
3、空氣絕對濕度較小。
3、太陽輻射照度較高。
5、降水量較少。
6每年大風日多。
7、土壤溫度較低，且凍結期長。
由於上述原因，對電機運行會帶來以下不利影響，因面在設計、製造上要採取相應的措施：
1、引起絕緣強度降低：每升高1000米，絕緣強度要降低8—15%。
2、電氣間隙的擊穿電壓下降，因此要按海拔大小相應增大電氣間隙。
3、電暈起始電壓降低，要加強防暈措施。
4、空氣介質冷卻效應降低，散熱能力下降，溫升增加，每升高1000M，溫升要增加3-10%，故要修正溫升限值。
在5000m處的空氣含氧量僅為海平面空氣含氧量的53％。 2.2 氣溫
氣溫是距離地面1.5m高度處測得的空氣溫度。 大氣對流層的最大特點是氣溫隨海拔的升高而降低。在自由大氣中，平均海拔每增加100m，氣溫降低0.65℃，實際上對流層各高度的遞減率是不同的。
2.2.1 高海拔地區的最高氣溫在2000m以內，一般為30℃～40℃之間， 最高氣溫的最低值出現在青藏高原，大都在30℃以內，甚至不到20℃。 2.2.2 最高日平均氣溫是各年記錄中每天平均氣溫的最高值，取多年平均值。
最高日平均氣溫大約每升高100m，氣溫下降0.5℃。
1km～5km最高日平均氣溫分別為30℃、25℃、20℃、15℃、10℃。 2.2.3 年平均氣溫的最低值出現在地勢最高的青藏高原西北部，1km～5km年平均氣溫分別為20℃、15℃、10℃、5℃、0℃。隨著海拔高度的增加，年平均溫度隨之下降。
2.2.4 最大氣溫日較差的大小與緯度、雲量、海陸分布、地勢、地表性質、海拔高度和季節等因素有關。據統計，年最大氣溫日變化的多年平均值一般都在20℃～30℃之間。
2.2.5 最低溫度主要取決於緯度和海拔高度。對於同緯度地區來說，海拔較高的地方，最低溫度是比較低的，如鹽池處於1349m，最低溫度為-28.5℃，而處於同緯度的大柴旦，海拔3174m，最低溫度為-33.6℃。 2.3 太陽直接輻射最大強度
地球上氣候不同的根本原因就是太陽輻射，太陽輻射的強度決定地理緯度。但隨著海拔高度的增加，太陽光線通過大氣的厚度、空氣密度，水汽和懸浮物質都相應減少，太陽光透過度愈大，到達地面的輻射較強，由於夏季和冬季氣溫相差較大，夏季氣溫較高，因此，太陽輻射的數據是統計夏季6～8三個月太陽直接輻射最大強度值。
1km～5km太陽直接輻射最大強度分別為1011、1064、1118、1171、1225（W/m2）。從以上的數據可以看出，隨著海拔的增加，太陽直接輻射強度增大。海拔高度增加1000m，太陽直接輻射強度約增加54W/m2。 2.4 凍土 我國多年凍土主要分布在大小興安嶺、西部高山及青藏高原等地。東北凍土區的地形以丘陵山地為主，雖然海拔不高，但由於緯度高，又受西伯利亞高壓空氣影響，成為我國最寒冷的自然區。西部凍土區，雖然部分緯度較低，但均屬高山高原地區，地勢高亢，深居內陸，屬高寒氣候。其共同特點是年平均氣溫低，凍結期長。青藏高原地區一般凍土層厚度均在25m～120m甚至達到175m。
2.5 沙塵 西北的黃土高原和青藏高原的沙塵也是相當嚴重的。
西北地區的風沙日（能見度只有10km)在24d～68d。 風暴日（能見度只有1km）在10d～22d。沙塵的大小和風速密切相關，隨著風速的增大，颳起沙塵顆粒的直徑也愈大。
2.6 積雪 青藏高原四周環山，受帕米爾、喀喇昆侖、昆侖山、喜馬拉雅山、唐古拉山等的屏障作用，北冰洋、大平洋、印度洋的氣候很難對高原內部的氣候有顯著影響，因而這里的氣候乾冷、降雨稀少，尤以藏北高原更甚。那裡年最大積雪不到10cm。中國最大的積雪出現在新疆和東北。阿爾泰山、天山、喜馬拉雅山、祁連山和西南橫斷山脈是中國多雪的山地，大部分地區積雪分布均表現出明顯的隨海拔增高而增厚的規律性。
3 高原環境對機電產品的影響
3.1 低氣壓的影響
3.1.1 內燃機的燃燒惡化、功率顯著下降，油耗增加。
內燃機工作容積是固定的，由於空氣密度隨海拔變化，進入發動機氣缸的空氣充量也發生變化。對自然吸氣的柴油機，若油泵的供油量不變，則進入氣缸的燃油得不到充分燃燒，使排煙變濃，排溫升高，燃燒室零件過熱，導致功率下降，經濟指標變壞。 根據現場測試表明，海拔每升高1000m， 內燃機出力平均下降9％～13％，油耗增加6％左右。
在海拔2700m的龍羊峽水電站工地，有工程機械和運輸機械420輛， 功率損失達37％。國產裝載機，只能在海拔2800m的工地上勉強使用， 在海拔3300m的工地上不能使用。某廠生產的ZL30裝載機在海拔3000m的工地作業時，鏟斗的舉升能力減少50％；某廠生產的CX-80機車， 在西寧地區能拉3節50噸的貨車，但到海拔3173m的錫鐵山只能勉強拉2節。
3.1.2 內燃機冷卻系統工作條件惡化
隨著海拔高度增加，大氣壓力下降，冷卻水沸點也隨之降低，不同海拔的水的沸點見表2。
表2 不同海拔高度水的沸點 海拔高度(m)
0 1000 2000 3000 4000
冷卻水沸點(℃) 100 96.6 93.3 90.0 86.9
海拔每升高1000m，水的沸點下降3.3℃左右。 據高原地區工作的司機反映，內燃機，尤其是柴油機，冷卻水經常「開鍋」，解決的辦法是停機冷卻或放去熱水，添加冷卻水，前者誤工誤時，後者，因高原地區水源缺，水質差而存在矛盾。由於高原空氣密度減少，雖然冷卻風扇的體積流量不變，但重量流量卻大為降低了，海拔每升高1000m，重量風量下降8％， 實際上降低了風扇的冷卻效果和冷卻水箱的散熱效果。而內燃機由於高原燃燒不良， 排溫升高，零件熱負荷增加，如散熱不良會使工作不正常，特別是冷卻發動機， 其最大功率受熱負荷的限制， 當冷卻強度不足時， 排溫劇增， 熱負荷過高， 甚至產生拉缸現象。
以上兩點，對於起重機、汽車起重機、施工機械、載重汽車、打樁機械等以柴油機、內燃機為動力的機械產品均存在著這樣的問題。 3.1.3 空氣壓縮機排氣溫度增高
由於海拔高度的升高，大氣壓力降低使重量排氣量減少，其數值為海拔每升高1000m，平均減少11%～12％，而容積排氣量也隨海拔升高而減少， 海拔每升高1000m，平均減少2％～3％。由此而造成隨著海拔高度的升高， 壓縮機的排氣溫度增高。 3.1.4 影響低壓電器的分斷能力
由於海拔升高，空氣密度降低，空氣散熱能力減弱，當觸頭在分斷電流時，介質恢復強度降低，電弧較難熄滅，容易引起電弧重燃，因而燃弧時間延長，觸頭壽命縮短。
高原空氣稀薄，散熱能力減弱，熱繼電器動作時間縮短。 3.1.5 高壓電機電暈起始電壓降低
由於高原空氣稀薄，分子間的距離加大，離子的自由行程加大，因而起暈電壓降低。如處於高海拔地區的橋頭電廠5#發電機組(2.5萬kW，6.3kV），當電壓升到1.7kV時開始聽到放電聲音，電壓升到2.5kV 時開始見到電暈火花， 電壓升到3.6kV時就看到很嚴重的電暈現象，在6.3kV額定電壓下， 電暈更嚴重並有臭氧氣味。
此外，低氣壓會使高壓電瓷外絕緣強度降低；影響蓄電池的使用壽命；對直流電機換向和電刷磨損造成影響。 3.2 低溫對機電產品運行的影響 3.2.1 內燃機冷起動困難
低溫是高原氣候的一個特點，隨著海拔升高，氣溫呈線性下降，青藏高原的最低氣溫一般都在－30℃以下，內燃機的低溫起動問題與平原寒冷地區基本相似，但加上高原地區的缺氧和低氣壓使內燃機的著火起動性能較平原差。
3.2.2 影響蓄電池的工作性能
因低溫使硫酸電解液粘度增大，負極活性物質早期鈍化，影響電解液在極板內的擴散速度，使鉛蓄電池基本電化學反應在缺乏電解液的情況下，只能在極板的表面不完全地進行。所以，鉛蓄電池的容量及起動放電性能隨溫度的降低而降低。 3.2.3 影響電機的起動性能
低溫對電機的散熱有利，但對小型電機的起動有一定的影響。由於氣溫低使潤滑脂稠度增大或凝固凍結，引起靜態阻力矩增加，使起動變得困難。當潤滑脂低溫凍結後，喪失潤滑能力，起動時與軸承磨擦發出尖哨聲，加速軸承磨損。
3.2.4 對儀器儀表性能的影響
由於低溫、晝夜溫差大，使儀表中的線性元件特性發生線性變化，測試儀表（包括壓力表、液壓表、流量計等）普遍存在精度降低、重復性差、零點漂移嚴重。 3.2.5 對材料性能的影響 據反映，在低溫下瀝青絕緣膠有開裂現象，到潮濕時影響絕緣性能，絕緣材料的機械性能有所降低，明顯變硬變脆。橡膠、丁苯基天然橡膠電纜護套在－30℃下易折、易剝裂。
對油料的選擇也要慎重，現有的低凝液壓油的粘度指數尚偏低，雖然其凝點在－40℃以下，但作為液壓系統傳遞扭矩的介質來說，在凝點以上十幾度已無良好的流動性，不能適應於低溫地區工作的要求。 橡膠密封件經低溫試驗表明，隨著溫度的下降，其硬度、扯斷強度及伸長率三項機械性能均表現出不同程度的下降趨勢。
3.3 太陽輻射對高原機電產品的影響 3.3.1 影響塑料的機械性能
日光對有機材料的損害大小，除與其化學鍵能大小等因素有關外，與其分子鍵的密度大小也有關。熱固性塑料分子鍵呈網狀結構，密度相對較大，因此光化裂解作用對其機械性能影響較小，而對熱塑性的機械性能影響較大。
3.3.2 對油漆塗層的影響
高原地區日照強裂，溫差變化大，會加速油漆塗層的老化和龜裂。據分析，油漆塗層的光老化是光氧老化，其速度不僅和太陽光的輻射強度和輻射量總量有關，也和大氣中的水份、氧氣、溫度、濕度都有關。雖然高原地區的太陽輻射強度和總量比較大，但氣候乾燥、空氣稀薄、溫度低、大氣中的水份、含氧量和溫度等沒有濕熱帶高，所以高原氣候對油漆塗層的影響沒有濕熱帶強烈。 3.3.3 對電機運行的影響
高原地區戶外用的電機，由於運行時發熱，加之太陽的直接照射，按理會超過溫升限度，但從調查中反映，電機過熱現象不明顯，這是由於高原地區常年溫度較低，對溫升有一定的抵消作用，故反映問題不大。 3.4 凍土對機電產品的影響 3.4.1 對打樁機及鑽孔機的影響
在高原多年凍土地區打樁時，因凍結的土較堅硬，一般不先鑽孔而用打樁機直接把予制樁打入凍土層是較困難的。
如在青海清水河畔海拔4470m的凍土地帶施工中， 該地區多年凍土中夾有融層，鑽孔中發生嚴重坍孔現象。施工季節正在七月下旬，該處又為高溫凍土，其地溫為-0.5℃～-1℃，當嚴重坍孔會因大量地表泥水進入孔內，使孔壁多年凍土融化，使孔底凍土融化。此外，由於凍土較堅硬，鑽頭硬質合金片的磨損及鑽桿鑽頭葉的磨損要嚴重得多。而且鑽孔機消耗功率也增加。 3.4.2 對通訊電纜的影響
凍土的凍結和融化而引起的土層凍脹隆起，開裂和融沉，對埋在地下的電纜彎曲拉伸影響很大，有可能將鉛電纜拉斷。
據調查中反映，凍土層中最低溫度一般不會低於－16℃，因而在敷設電纜時，在電纜周圍填300×300mm含鹽砂介質中，一方面可以使電纜處於不凍狀態，另一方面在凍脹隆起、開裂的情況下，可以對凍層作較大的相對位移，從而可以減少在電纜上的張力。 3.5 沙塵對機械產品運行的影響
黃土高原和青藏高原的風沙是比較大的，高原地區乾旱少雨，地面植被少，加上大風，沙塵對內燃機（包括以柴油機為動力的機械、打樁機、載重汽車、裝載機等)的危害很明顯。
用戶反映，空氣濾清器在高原地區使用很快會堵塞，滲漏進氣缸的沙塵加速了發動機運動部件的磨損。旋風式紙質濾清器，按說明書規定每50小時保養一次，但在龍羊峽工地，1～2小時就會積滿塵埃，一個班次需清理空濾器，拍打紙質濾芯兩次。
沙塵對電機軸承、低壓電器觸頭、開關等均有不同程度影響，這里從略。
4 結束語
我國高海拔地區面積寬廣，由於受各方面條件限制，那裡的工農業發展比較緩慢，目前交通工具仍以汽車運輸為主，而在高原地區使用的柴油機及內燃機功率損失相當嚴重，因此研究機械產品功率恢復技術有其重要意義。西藏地區具有重要的戰略意義，那裡有重要的礦產資源，為改善西藏人民的生活，盡快建設西藏的鐵路運輸系統具有重要意義。可喜的是，國家已下決心把鐵路從青海格爾木繼續延伸至西藏拉薩，而且計劃在雲南開通入藏的滇藏鐵路。可以想像，在不久的將來，高原地區將會得到更快的發展。
國際電工委員會(IEC)在制訂有關標准時，由於歐洲地區高海拔地區很少， 其標准只考慮在3000m以下。目前，我們根據國內情況， 已制訂了《機械工業產品高原環境條件》及《機械工業產品環境技術要求 高原環境用》兩份標准。為設計、生產適合高海拔地區使用的機電產品提供了依據。這對提高機電產品的可靠性具有重要的價值，對國民經濟的發展也具有現實意義。
作者簡介：劉奎芳（1938-）男，廣東大埔人，高級工程師。 作者單位：（廣州電器科學研究所， 廣州 510302）
參考文獻：
［1］ 電工產品高海拔環境條件［S］．昆明電器科學研究所 ［2］ 機械工業產品環境適應性調查報告． 廣州電器科學研究所等． 1992．
高原電機在高海拔運行，由於氣壓低，散熱條件差， 及損耗將會增加，運行效率降低。因此，同樣的 ，不同海拔運行的電動機額定電磁負荷及散熱設計是不同的。不是高海拔規格的電動機，最好適當降負荷運行。否則，電機的壽命及性能都會受到影響，甚至會在短時間內燒毀。
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