極寒高海拔地區柴油發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，我國僅靠現有的兩個南極大陸邊緣地帶的考察站，已經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地區設立考察站，并設立柴油發電機組電站提供生活，科研用電，而南極冰穹A區屬于極端地質環境，要求柴油發電機組電站工作在環境溫度在-35 ℃～50 ℃，海拔高度5000 m以上，同時在我國青藏高原地區也有海拔4000 m，極寒的環境，在這些極端環境地區的柴油發電機組電站的設計不能按常規環境溫度和常規海拔高度進行設計，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 高海拔地區環境特點

2 高海拔環境對柴油發電機組電站影響。

1）高海拔地區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;

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

1）高海拔地區柴油機功率的影響

由于高海拔地區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，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環境即標準大氣壓整定的供油量，柴油機在運行狀態下，柴油機會隨著負載的變化引起的轉速變化自動調整供油量，使柴油機的轉速保持在穩定值。但是在高海拔環境下，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境下要大，為了穩定柴油機的轉速，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，使其達到平原地區的使用效果。

3）高海拔地區對發電機功率的影響

一般情況下，海拔越高，最高環境溫度越低，在海拔1000 m以上，每升高100 m，最高環境溫度將下降0.5 ℃；同時由于海拔升高以后，空氣的密度降低，發電機的散熱效果變差，而發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的室內使用機組，最高環境溫度可能并不是按每升高100 m下降0.5 ℃，則發電機的輸出功率就必須做修正。

4）高海拔地區對電器設備的影響。

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，環境溫度降低可以部分或全部補償因海拔升高引起的產品溫升增加值，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。如果某些器件已經提供了高海拔地區的降容系數，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，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《特殊環境條件高原電工電子產品通用技術要求》和IEC標準《低壓系統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，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的修正系數為 1.67，則間隙應為 1.67×1.6=2.67 mm。而按照JB8587-1997規定大于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 極寒環境下對柴油發電機組電站設計的影響

1） 極寒環境對柴油機啟動用的蓄電池的影響在環境溫度在-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，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，并能被玻璃纖維網所吸附，結構緊密，在低溫下，其沒有液態酸可冰凍，因此也不存在電流輸出減少的問題，根據美國SAE測試標準，卷繞式蓄電池可在-55 ℃-75 ℃范圍內安全快速起動和牽引工作。

2）極寒環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，容易出現誤報警和誤操作。整個系統的可靠性也會降低。此時，電器系統應配有加熱措施和減振措施，以免影響器件性能。

3） 極寒及高海拔環境對柴油機啟動性能的影響在高海拔極寒地區，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，溫度極低的環境下啟動性能得到很大的提高。

4 結論

高海拔和極寒環境因數對柴油發電機組電站的設計有非常大的影響，與常規環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境下正常工作，并且柴油發電機組電站在高海拔極寒環境下目前使用還不普遍，隨著國民經濟的發展，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.高原環境條件下電工產品通用技術條件.