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高原電機有什么特點,為什么一般電機不能用于高原地區?

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采取防電暈措施; 
(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于1000米的電機。指根據國家行業標準: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。 
高原地區的主要特征為: 
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。 
由于上述原因,對電機運行會帶來以下不利影響,因面在設計、制造上要采取相應的措施: 
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、云量、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 最低溫度主要取決于緯度和海拔高度。對于同緯度地區來說,海拔較高的地方,最低溫度是比較低的,如鹽池處于1349m,最低溫度為-28.5℃,而處于同緯度的大柴旦,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,由于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,但由于緯度高,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,刮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,因而這里的氣候干冷、降雨稀少,尤以藏北高原更甚。那里年最大積雪不到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。  
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,由于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) 
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,后者,因高原地區水源缺,水質差而存在矛盾。由于高原空氣密度減少,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。而內燃機由于高原燃燒不良, 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,對于起重機、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 
  由于海拔高度的升高,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 
  由于海拔升高,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 
  由于高原空氣稀薄,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。如處于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, 電暈更嚴重并有臭氧氣味。 
  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。由于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。當潤滑脂低溫凍結后,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 
  由于低溫、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,不能適應于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 對油漆涂層的影響 
  高原地區日照強裂,溫差變化大,會加速油漆涂層的老化和龜裂。據分析,油漆涂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,但氣候干燥、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涂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,由于運行時發熱,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,這是由于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 對打樁機及鉆孔機的影響 
  在高原多年凍土地區打樁時,因凍結的土較堅硬,一般不先鉆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,鉆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,由于凍土較堅硬,鉆頭硬質合金片的磨損及鉆桿鉆頭葉的磨損要嚴重得多。而且鉆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于-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于不凍狀態,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,高原地區干旱少雨,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。  
結束語 
  我國高海拔地區面積寬廣,由于受各方面條件限制,那里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,那里有重要的礦產資源,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,而且計劃在云南開通入藏的滇藏鐵路。可以想象,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)在制訂有關標準時,由于歐洲地區高海拔地區很少, 其標準只考慮在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》兩份標準。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,由于氣壓低,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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