我国高原环境标准研究

摘要：本文介绍了《极端条件下的物质标准》项目针对我国高原特殊环境条件因素对基础材料、机电设备影响开展的一系列关键性试验研究，建立了我国高原机电设备技术标准体系框架及二十余项标准。该项目填补了我国高原机电设备标准体系空白，从技术标准层面推动了我国在电器、工程机械设备高原特殊环境条件适应性方面的设计开发制造与选型。该项目得到了国家科技部科技基础工作专项2001、2002年连续两年支持。关键词：特殊环境条件 高原 标准 科技基础专项一、国家重大工程建设实施，催生特殊环境条件标准我国实施西部大开发战略的重要步骤是加大建设投入促进经济发展，重要标志是“十五”期间在上述地区陆续开工的青藏铁路、西气东输、西电东送、水利枢纽、干线公路等国家重大工程建设项目。随之而来，国民经济各行业制造商纷纷设计开发制造工程建设所需的大量电器产品和工程土方机械设备。但其中专门设计应用于西部高海拔、低温、日温差大、沙尘暴、强烈日照辐射等恶劣工况条件的设备并不多，因此，我国往往采用提高参数裕度的大马拉小车方式来满足工程需要，这既不能保证特殊环境条件产品运行可靠性，也造成资源材料能源浪费。同时不乏大量标榜为高原适用型国外设备涌入我国机电设备市场，这些设备质量良莠不齐，但由于我们没有检验技术标准，很难把它们拒之门外。因此，西部国家重大工程建设急需《极端条件下的物质标准》标准。《极端条件下的物质标准》项目得到国家科技基础工作专项连续两年重点支持，以调研、现场考察、试验研究为基础，制定高原特殊环境条件下基础性国家标准，搭建我国高原特殊环境条件技术标准体系框架。我们经过三年努力已圆满完成，并于2004年12月14日顺利通过专家委员会验收。目前，我们共完成了25项推荐性国家标准研究制定和高原机电设备技术标准体系研究，其中四项已经国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会批准发布，自2005年6月1日实施，分别有GB/T19607-2004 特殊环境条件防护类型及代号、GB/T19608.1～.3-2004 特殊环境条件分级干热、干热沙漠及高原三项系列标准。其余15项标准已经报批、还有6项标准征求意见稿。二、开展关键试验研究，奠定标准技术基础高原特殊环境条件技术标准研究制定的技术难点有二：一是没有国际标准可借鉴；二是特殊环境条件属我国特有，试验数据少，需要进行大量试验验证。IEC、ISO国际标准规定的产品适用海拔高度一般不超过1000m，个别达到2000 m。而我国自然环境条件特殊，需要考虑标准适用海拔高度范围为2000 m～5000 m。该项目针对技术难点开展了一系列关键试验验证：1、 特殊地理环境气候环境因素分析。我们收集分析了青藏铁路沿线青海西藏的7个地区、西气东输工程途径新疆、甘肃9个地区近30年地面气象数据，包括极端最高气温、极端最低气温、平均气温、平均风速、极大风速、最大风速、冻土深度、降水、平均气压、日照时数、日照百分率、平均相对湿度等12类。重点分析了近10年数据，为项目工作打下了基础。2、确定并分析特殊环境因素对材料产品设备影响。我国西部地区特殊环境条件主要因素是海拔高、气压低、含氧量少、低温期长、太阳辐射强、昼夜温差大、风沙大、气候干燥等。高海拔造成的低气压、空气稀薄，使设备材料工况恶化，降低设备冷却系统散热效率；油料燃烧不充分，设备功率大大降低，油耗增加；电器设备易产生外绝缘放电、电晕现象等，加速绝缘材料和设备失效损坏；低压电气设施，由于灭弧困难严重影响开断能力而加速其损坏。强太阳辐射、紫外射线以及臭氧形成的光老化作用，使多数高分子材料性能加速劣化，橡胶材料失去弹性；塑料及绝缘物质变形、开裂；涂料褪色、粉化等。低温会降低塑料、橡胶材料力学性能，严重影响密封件防震件性能；使润滑油及液压介质粘度增大甚至凝固，发动机及液压系统不能正常运转和启动。干热高温引起设备高附加温升和运行温度增高，加速引起塑料、橡胶件热老化而大大降低其绝缘寿命。电子元器件在高温下性能也会受到极大影响，故障率明显增加。日温差大易使材料和设备结构部件开裂、变形，在设备内部凝露受潮，加速金属腐蚀。沙尘进入引起设备运转部件机械损伤加速磨损；阻碍通风散热系统导致发生故障；沙尘进入电器设备造成触头接触电阻增大、绝缘电阻下降等故障。腐蚀性或导电性粉尘沉积在物质表面吸湿潮解后，也会使其加速腐蚀，出现绝缘漏电或短路现象。3、不同海拔、干热环境条件下塑料、橡胶、涂料等高分子材料自然暴晒及人工模拟加速试验（见图一）。自然暴晒地点选择西宁（2200 m）、五道梁（4600 m）、拉萨 (3600m)、敦煌（干热地区），以及湿热地区海南（作为与高原地区对比）。人工模拟加速试验最高试验温度50℃，考虑温度变化，最低试验温度为-40℃；人工光老化试验采用国外先进人工模拟试验方法；考虑风沙影响，还进行了碎石冲击试验及抗静电试验等人工模拟试验。 图一 采用氙灯老化试验装置进行人工模拟加速试验4、内燃动力工程机械设备高原适应性试验。在海拔3850m青海西大滩内燃机动态性能试验基地对8台工程机械样机进行了热平衡动力性能和油耗率变化参数专项试验和复核，以确定高原工程动力机械项目标准制定中关于热平衡和油耗率技术指标。同时进行了工程机械用柴油机和轮式装载机海拔4200m下的高原适应性试验（见图二）。图二 ZLG50 轮式装载机在西大滩试验点进行试验5、人工模拟高海拔环境对电气设备性能影响试验。在大型高海拔模拟试验室（可模拟最高海拔高度7000 m 、容积160 m3）（见图三），对量大面广低压电器产品，如熔断器、继电器、交流接触器、低压断路器等进行了人工模拟高海拔环境下电性能试验。将样品放入操作室保持一定的温湿度条件，调节气压到相当于0m、2000m、3000m、4000m、5000m海拔高度，进行模拟不同海拔高度对低压电器样品的温升、动作特性、耐电压、介电性能等电性能试验。试验表明，不论是熔断器、接触器或者断路器，随模拟海拔高度增加，产品温升影响较为突出。而保护特性则对热磁式产品的影响较电子式产品影响大。同时，针对青藏铁路建设需要选择铁路机车用电空接触器、电磁接触器和中间继电器、机车用电机线棒绝缘和电机温升、电机磁极绝缘、位置转换开关、户外真空断路器、牵引电动机绕组等10多种机电设备，依照我国青臧铁路通过唐古拉山口处的最高海拔，进行了模拟5000m海拔高度的各项性能试验。 图三 人工模拟高海拔试验室 6、内燃机电站高原适应性试验。由国家内燃机发电机组质量监督检验中心对国产和1D90V型柴油发电机组进行了样机性能摸底检验。机组额定功率设计参数为8kW，额定电压28V，额定电流285A，额定转速3000r/min。在海拔1500环境条件下，进行50h磨合试验，测量了稳态电压范围、脉动电压、浪涌电压范围、振动值、噪声、燃油消耗率，-35℃、-4℃下的低温试验，40℃、55℃下的高温试验。在海拔3510m、环境温度低于8℃时试验，发电机组输出功率降为6kW，进风温度17℃，出风温度47℃，舱内73℃，排烟温度470℃。通过试验，验证了标准技术参数，同时对汽油机机组舱体结构提出了改进建议。7、特殊环境条件轨道车辆结构用铝合金型材、电气机车用铜合金接触线有关材料试验等。三、建立高原机电设备技术标准体系，标准广泛适用 迄今已完成的二十余项国家标准，按照标准功能分为基础、基础环境条件、试验方法以及材料产品环境适应性4个层次标准，基本搭建了我国高原机电设备技术标准体系框架，满足西部开发对标准的急需。1、基础标准是对特殊环境条件下环境因素的定义，作为制定标准和其他技术文件的依据和基础，有《特殊环境条件术语》国标。2、环境条件基础标准由描述环境因素的《特殊环境条件分级》高原、干热、干热沙漠3项标准和《特殊环境条件防护类型及代号》四项标准构成。包括对气候条件、特殊气候条件、生物条件、化学活性物质条件、机械活性物质条件以及机械条件分级，每种环境条件又由多种环境因素组合而成，例如气候条件由高温、低温、温度变化、太阳辐射强度等环境因素组成；按照环境因素影响程度，分为若干个严酷等级。而《特殊环境条件防护类型及代号》国家标准则根据高原、干热、干热沙漠不同特殊气候类型对机电产品可能造成的影响，统一规定采取防护措施代号。3、环境试验方法标准用于评价设备防护措施的效果，以及设备、元器件或材料对环境的适应能力，也可用于摸清环境因素影响程度及其对设备的作用机理。虽然通常自然环境条件试验可以真实反映环境因素对产品影响，但试验周期长，试验结果不易再现。而人工模拟环境试验是通过模拟真实环境条件或再现某效应的方法，以一定的确信度证实产品在规定的环境条件下保持完好和正常工作。可以在较短时间内评价与鉴定材料或设备对环境的适应性，可重复再现环境条件，是机电设备科研开发生产中最常用也比较经济的试验方法。完成的标准项目包括《特殊环境条件 环境试验方法总则》、《电工电子产品试验导则》、《高分子材料模拟试验导则》，还包括正在制定中的内燃动力机械、工程机械高原自然环境试验导则，共5项标准。 4、与我国西部正在实施重大工程建设项目密切相关的产品类技术标准。这部分标准的两个共同点，一是全部通过总结我国高原环境条件下试验验证结果制定的，具有自主技术的标准；二是对产品应用环境条件从以往1000m 海拔高度提高到最高5000m，基本满足今后若干年西部开发建设需要。标准主体包括基础材料、电气设备、工程机械等工程建设中大量使用的机电设备；标准内容包括高原特殊环境条件因素定义及其主要影响程度、适应性防护保护要求、修正曲线等，并将特殊环境因素对产品影响程度作为标准附录，方便查询使用。但由于我国人工模拟高原环境试验条件还有待完善，个别试验项目如分断能力等有待补充。基础材料环境适应性标准包括轨道车辆结构用铝合金型材、高分子材料选用导则、电气机车铜合金接触线三项标准；电气设备环境适应性标准包括高原电工电子产品通用技术要求、选型检验规范、高原特殊环境条件高压电器、低压电器、低压成套开关设备和控制设备共5项；工程机械设备环境适应性标准包括高原特殊环境条件对内燃动力工程机械、工程机械要求及工程机械选型验收规范三项。结语高原特殊环境条件系列标准研究项目紧密结合我国西部大开发建设，针对高原、干热特殊环境对机电设备的影响，在广泛调研、数据收集、试验验证、系统分析和关键技术研究大量试验工作基础上，制定出我国特殊环境条件划分、试验方法、机电设备和基础材料等国家标准，初步形成了特殊条件下的物质标准体系框架，奠定了高原环境技术标准基础，对西部特殊环境下机电设备满足国家工程建设需要，具有较强的指导作用。制定的标准广泛适用于高原使用机电产品的设计、开发、制造及采购，同样对基础研究工作有一定指导意义。