極寒高海拔地區(qū)柴油發(fā)電機組電站設計方法

尹章俊 高水華 梅映新

（中國船舶重工集團公司第七一二研究所， 武漢 430223）

0 引言

隨著國際南極研究的不斷深入，我國僅靠現(xiàn)有的兩個南極大陸邊緣地帶的考察站，已經(jīng)不能滿足深入開展對南極考察研究的需要。我國在南極大陸冰穹A地區(qū)設立考察站，并設立柴油發(fā)電機組電站提供生活，科研用電，而南極冰穹A區(qū)屬于極端地質(zhì)環(huán)境，要求柴油發(fā)電機組電站工作在環(huán)境溫度在-35 ℃～50 ℃，海拔高度5000 m以上，同時在我國青藏高原地區(qū)也有海拔4000 m，極寒的環(huán)境，在這些極端環(huán)境地區(qū)的柴油發(fā)電機組電站的設計不能按常規(guī)環(huán)境溫度和常規(guī)海拔高度進行設計，有很多地方必須要特殊設計。

海拔高度為1000 m時，大氣壓力位90 kPa;

海拔高度為2000 m時，大氣壓力位79.5 kPa;

海拔高度為3000 m時，大氣壓力位70.1 kPa;

海拔高度為4000 m時，大氣壓力為61.7 kPa;

海拔高度為5000 m時，大氣壓力位54 kPa。

由以上可以看出，在海拔高度為4000 m時，大氣壓力與0 m大氣壓相比下降了39.09%，5000米時下降了46.7。

2）高海拔地區(qū)絕對濕度下降明顯

在海拔高度為4000 m時，絕對濕度只有0 m時的24.5%，在海拔高度為5000 m時，絕對濕度只有0 m時的15.5%，空氣變得越來越干燥。

1 高海拔地區(qū)環(huán)境特點

2 高海拔環(huán)境對柴油發(fā)電機組電站影響。

1）高海拔地區(qū)大氣壓力下降非常明顯，在4000米以下，幾乎每升高 1000 m，大氣壓力下降約10%，超過4000 m，大氣壓力下降更多。

海拔高度為0 m時，大氣壓力為101.3 kPa;

柴油發(fā)電機組電站主要由柴油機，發(fā)電機，機帶控制屏，配電屏，電池系統(tǒng)，油路系統(tǒng)等組成。高海拔環(huán)境對這些子系統(tǒng)都有一定的影響。

1）高海拔地區(qū)柴油機功率的影響

由于高海拔地區(qū)大氣壓力下降非常明顯，空氣密度下降，空氣中的含氧量降低很多，柴油機的燃油燃燒不充分，驅動功率下降，導致整個機組的功率下降，一般來說增壓型的柴油機比自然進氣的柴油機功率下降幅度稍小，但是無論如何必須考慮柴油機在高海拔地區(qū)的功率折算。例如道依茨柴油機海拔高度超過 1000 m后，每升高100 m，功率下降0.9%，如果在4000 m海拔地區(qū)，柴油機的輸出功率下降幅度達27%，5000 m輸出功率下降幅度高達36%。

2）高海拔地區(qū)對燃油消耗率的影響

一般情況下，柴油機出廠時都是按照常規(guī)環(huán)境即標準大氣壓整定的供油量，柴油機在運行狀態(tài)下，柴油機會隨著負載的變化引起的轉速變化自動調(diào)整供油量，使柴油機的轉速保持在穩(wěn)定值。但是在高海拔環(huán)境下，同樣的負載變化，由于空氣中的含氧量過少，柴油機的轉速波動的幅度比標準大氣壓環(huán)境下要大，為了穩(wěn)定柴油機的轉速，柴油機的供油量也會相應的增大，這樣燃油消耗率就會增加，但是過多的燃油和大氣中較少的氧氣，就使得燃油燃燒不充分，柴油機會冒黑煙，排放變差，整機的熱效率降低。因此如果是在高海拔地區(qū)使用的柴油機，出廠前必須按照相應的高海拔對應的大氣壓力整定噴油量，使其達到平原地區(qū)的使用效果。

3）高海拔地區(qū)對發(fā)電機功率的影響

一般情況下，海拔越高，最高環(huán)境溫度越低，在海拔1000 m以上，每升高100 m，最高環(huán)境溫度將下降0.5 ℃；同時由于海拔升高以后，空氣的密度降低，發(fā)電機的散熱效果變差，而發(fā)電機的溫升升高一般是隨著海拔高度每升高100 m，溫升將升高0.5 ℃.這樣發(fā)電機的溫升限制正好可以不作修正，輸出功率也不需修正，但是，如果在是在高海拔地區(qū)的室內(nèi)使用機組，最高環(huán)境溫度可能并不是按每升高100 m下降0.5 ℃，則發(fā)電機的輸出功率就必須做修正。

4）高海拔地區(qū)對電器設備的影響。

由于海拔升高后，空氣密度降低，造成繼電器，接觸器，空氣開關等采用空氣作為滅弧介質(zhì)的開關電器滅弧時間延長，開關通斷能力下降，電氣壽命縮短，觸頭容易燒壞。因此要選用高原性開關器件。

海拔的升高，環(huán)境溫度降低可以部分或全部補償因海拔升高引起的產(chǎn)品溫升增加值，一般對電器器件的溫升可不作要求。

海拔的升高，空氣密度降低，空氣中的介質(zhì)絕緣強度也會相應降低，這樣電器的絕緣外表及空氣間隙之間的擊穿電壓也會降低，一般來講，海拔每升高100 m，空氣絕緣強度就會降低1%，因此在電器器件的額定電壓不變得情況下，即電氣間隙之間的絕緣距離不變得情況下，在高海拔地區(qū)使用時，電器的最高使用電壓均要降低。對此，可以考慮按提高額定電壓等級的方法來選用電器，選用電器的額定電壓可采用如下公式

UN：選用電器的額定電壓；U1：電器的最高工作電壓；H：海拔高度。

如電器元件的工作電壓為 400 V，在海拔5000 m時選用的電器元件的額定電壓為 400×（100+（5000-1000）/1000）%=400×1.4=560 V,即選用電器器件的額定電壓要超過560 V。如果某些器件已經(jīng)提供了高海拔地區(qū)的降容系數(shù)，則設計時必須要考慮，如施耐德的NS系列空氣斷路器手冊中已提供了降容系數(shù)，如在 2000 m時平均絕緣電壓為 750 V, 最高使用電壓為 690 V,而在5000 m時，平均絕緣電壓為500 V, 最高使用電壓僅為420 V。

在高海拔地區(qū)電器器件的額定工作電流也必須考慮是否修正，一般情況下，由于海拔高度增加，最高環(huán)境溫度會下降能自動補償器件的工作溫升，但是對于斷路器的額定電流會有降容，如三菱WS系列斷路器的額定電流在2000 m時的額定電流為100 A時，在海拔高度為5000米時的額定電流為94 A。

在配電柜和控制柜等電氣系統(tǒng)設計時還要考慮電氣間隙的修正，在電氣間隙不變的情況下，耐壓水平隨海拔高度每升高100 m，耐壓水平降低1%，因此必須將電氣間隙和爬電距離增大1%來進行修正補償。具體可參見國標《特殊環(huán)境條件高原電工電子產(chǎn)品通用技術要求》和IEC標準《低壓系統(tǒng)的絕緣配合包括設備的空氣間隙和弧電距離》。對額定電壓400 V/230 V系統(tǒng)，沖擊耐受電壓峰值為（1000 V+2×400）×0.8×1.414=2036 V,在2000 m時最小空氣間隙為1.6 mm，5000 m的修正系數(shù)為 1.67，則間隙應為 1.67×1.6=2.67 mm。而按照JB8587-1997規(guī)定大于300 V，小于660 V，額定電流>60 A時的電氣間隙為10 mm,因此采用10 mm間隙可滿足高海拔的設計要求。

3 極寒環(huán)境下對柴油發(fā)電機組電站設計的影響

1） 極寒環(huán)境對柴油機啟動用的蓄電池的影響在環(huán)境溫度在-35 ℃～50 ℃下，普通蓄電池性能會下降很多，在選型設計時要重點考慮。普通鉛酸蓄電池在-40 ℃工作時，電解液粘度與在0 ℃相比增加了3-4倍，電阻率與常溫相比增加7倍，容量只有原來的1/5, 因此，在極寒地區(qū)，蓄電池可以采用由于卷繞式蓄電池，這種蓄電池采用了螺旋卷繞技術，其極板與極板之間的間隙極小，酸是固體酸，并能被玻璃纖維網(wǎng)所吸附，結構緊密，在低溫下，其沒有液態(tài)酸可冰凍，因此也不存在電流輸出減少的問題，根據(jù)美國SAE測試標準，卷繞式蓄電池可在-55 ℃-75 ℃范圍內(nèi)安全快速起動和牽引工作。

2）極寒環(huán)境對電器器件的影響

溫度降低后，電器器件中的線圈電阻會降低，線圈吸合需要的安匝數(shù)增加較大，導致觸頭容易彈跳，降低了電器機械壽命，容易出現(xiàn)誤報警和誤操作。整個系統(tǒng)的可靠性也會降低。此時，電器系統(tǒng)應配有加熱措施和減振措施，以免影響器件性能。

3） 極寒及高海拔環(huán)境對柴油機啟動性能的影響在高海拔極寒地區(qū)，柴油機通常啟動極為困難，原因主要是：

a除了溫度極低外，高海拔助燃空氣的密度低，柴油機壓燃柴油點火非常困難，通常情況下，海拔越高，柴油機啟動越困難。特別增壓型柴油機，在啟動瞬間，增壓器使得柴油機更加難以啟動成功。

b由于高海拔地區(qū)散熱效果變差，為了保證冷卻散熱效果，冷卻風扇功率也隨之增大，這樣啟動負荷也隨之增大。

c 高海拔，低氣壓，低溫導致柴油機的自吸泵自吸能力下降，吸入柴油機的柴油壓力下降，柴油的粘度也增加，這些方面都導致柴油機的啟動更加困難。

通過以上幾點分析，可以采用機油加熱，缸套水加熱，進氣加熱等輔助低溫預加熱系統(tǒng)使柴油機更容易啟動。另外還可以采用加大啟動蓄電池容量，加大啟動馬達等措施，實踐證明，采用這些方法后，柴油機在高海拔地區(qū)，溫度極低的環(huán)境下啟動性能得到很大的提高。

4 結論

高海拔和極寒環(huán)境因數(shù)對柴油發(fā)電機組電站的設計有非常大的影響，與常規(guī)環(huán)境下的設計方法有很大不同，涉及到結構，電氣等多個方面，并且容易被忽視。如果設計方法不正確，可能導致整個電站無法在此極端環(huán)境下正常工作，并且柴油發(fā)電機組電站在高海拔極寒環(huán)境下目前使用還不普遍，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，會有更多的此類特殊電站投入使用，本文提到的設計方法具有一定的參考價值。

[1]正之. 關于低壓電器耐壓試驗的海拔修正問題的探討. 上海: 上海電器科學研究所, 1984.

[2]JB/T7573-1994.高原環(huán)境條件下電工產(chǎn)品通用技術條件.