300 kW野戰(zhàn)移動多路供電電源車的設(shè)計

陳扶明，馬 巍*，劉 艷，李永香

（1.聯(lián)勤保障部隊第940醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，蘭州 730050；2.聯(lián)勤保障部隊第940醫(yī)院衛(wèi)勤部，蘭州730050；3.蘭州電源車輛研究所有限公司，蘭州 730050）

0 引言

醫(yī)院野戰(zhàn)移動電源車作為部隊電源保障車，可應(yīng)用于部隊自動化辦公、通信、衛(wèi)生、維修、生活等領(lǐng)域，也可用于醫(yī)療救護等后勤專業(yè)部門的野營供電，是一種用于后勤保障的通用電源裝備。近年來，隨著部隊在高原、高寒地區(qū)保障任務(wù)的日趨增加，高原地區(qū)海拔高、氣溫低、氣候干燥等條件對野戰(zhàn)移動電源車的要求也越來越高。為解決上述問題，黃廣田等[1]研制了一種50 kW高原軍用汽車電站，其環(huán)境適應(yīng)性試驗表明該汽車電站可滿足高原地區(qū)的使用要求，對高原地區(qū)的工程保障發(fā)揮了重要作用。陳文柏等[2]也研制了一種額定功率為50 kW的高原電源車，具有較強的高原供電能力和野外生存能力。然而，目前適用于野戰(zhàn)任務(wù)的移動電源車仍存在輸出功率低、可靠性差等缺點，難以滿足高原地區(qū)的野戰(zhàn)保障任務(wù)和效率，而且取用電單一，不能滿足同時多任務(wù)用電，這使得野戰(zhàn)移動電源在高原地區(qū)實際發(fā)揮作用大打折扣[3-5]。

鑒于此，本文設(shè)計了一種能夠在高原、高寒等極端環(huán)境下進行各種電源保障任務(wù)的300 kW野戰(zhàn)移動多路供電電源車，其主要用途是在高海拔地區(qū)進行大功率多路供電，滿足同時對各種醫(yī)療設(shè)備進行供電的要求，對保障野戰(zhàn)緊急救援具有重要意義。

1 設(shè)計思路

部隊在高原、高寒地區(qū)保障任務(wù)日趨增多，然而高原地區(qū)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致野戰(zhàn)移動電源車難以發(fā)揮作用，表現(xiàn)在取用電單一、輸出功率較平原地區(qū)大打折扣。為解決上述問題，本文設(shè)計的電源車需要具備如下功能：（1）電氣性能指標(biāo)先進，主要電氣性能指標(biāo)達到國家軍用電站Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，能滿足各類用戶對用電質(zhì)量的要求；（2）自動化程度高，可自動實現(xiàn)機組的啟動、升降速、合分閘、故障保護及與市電自動切換功能；（3）環(huán)境適應(yīng)性強，能夠在不同地區(qū)全天候（雨、雪、風(fēng)、沙）條件下使用[6-7]，并具有較高的輸出功率；（4）可靠性高，作為一個獨立供電系統(tǒng)，能夠根據(jù)不同配電需求執(zhí)行供電任務(wù)，提高對突發(fā)事件的應(yīng)變能力，并選用高可靠性發(fā)動機、發(fā)電機，具有故障自診斷、機組參數(shù)保護等功能[8]。

2 電源車設(shè)計

電源車由VOLVO FM420 66R B型越野二類底盤、降噪廂體、柴油發(fā)動機、發(fā)電機、控制系統(tǒng)及配電網(wǎng)絡(luò)等組成。電源車廂體分為3個部分：前部設(shè)有排風(fēng)艙；后部設(shè)有進風(fēng)艙，并安裝有2個電纜；中部安裝有柴油發(fā)電機組及ATS切換柜。廂體前部左右側(cè)各有一個排風(fēng)門，中部左右側(cè)各設(shè)有一個維修門，右側(cè)還設(shè)有控制柜門和輸出門。車廂前部平臺安裝有高架照明系統(tǒng)、登頂梯和手動電纜盤箱，車廂后部設(shè)有2個登車梯，車廂下方掛有電動電纜盤、2.8 kW柴油發(fā)電機組、電纜箱、液壓泵站及控制箱等。整個電源車布置緊湊、功能齊全、性能優(yōu)越。其簡易結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 300 kW野戰(zhàn)移動多路供電電源車結(jié)構(gòu)圖

柴油發(fā)動機作為電源車的動力系統(tǒng)，將燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化為機械能，為發(fā)電機運轉(zhuǎn)提供動力。電源車選用的柴油發(fā)動機型號為MTU10V1600G20F，功率為448 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，進氣形式為渦輪增壓，額定燃油消耗率為190 g/kWh，供油方式為電噴。電源車選用的發(fā)電機型號為LSA47.2M7，額定功率為400 kW，額定頻率為50 Hz，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，額定電壓為400 V，額定功率因數(shù)為0.8（滯后），相數(shù)及接法為三相四線、Y接，絕緣等級為H級，勵磁方式為無刷勵磁式。該發(fā)電機采用無刷相復(fù)勵勵磁技術(shù)，具有精度高、動態(tài)性能好、電壓波形畸變小及效率高等特點。

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)是電源車運行的核心，其設(shè)計框圖如圖2所示，主要由電氣智能控制系統(tǒng)、電氣輔助控制系統(tǒng)兩部分組成。

圖2 300 kW野戰(zhàn)移動多路供電電源車控制系統(tǒng)框圖

2.1.1 電氣智能控制系統(tǒng)

電氣智能控制系統(tǒng)采用模塊化電氣設(shè)計，主要由電氣控制系統(tǒng)、故障診斷保護及報警系統(tǒng)組成。

電氣控制系統(tǒng)以控制模塊為核心，通過電量變送器及外圍傳感元件、執(zhí)行元件等實現(xiàn)對發(fā)電機組的自動控制，主要有手動操作和自動操作2種模式。在手動模式下，機組的啟動、升降速、合閘、分閘、停機以及市電的合閘、分閘都由手動操作完成。在自動模式下，當(dāng)市電發(fā)生故障（U≤340 V、U≥440 V）或無市電時，機組可自動啟動、升速、合閘供電；當(dāng)市電恢復(fù)后機組可自動卸載、停機，轉(zhuǎn)為市電供電。

故障診斷保護及報警系統(tǒng)主要對可能危及電源車運行安全的常見故障進行監(jiān)測和保護，由控制屏上的控制模塊實現(xiàn)，保護的類型主要有機油壓力低、冷卻水溫高、超速、過壓、欠壓、過頻、欠頻和過載等。該系統(tǒng)將分布在發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速、溫度、壓力傳感器等采集來的電源車工作狀態(tài)的各個參數(shù)，經(jīng)過一定的處理后傳送至控制模塊，并比較、處理、判斷是否有故障發(fā)生，無故障發(fā)生則繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行監(jiān)控程序，保持監(jiān)控狀態(tài)；若判斷出有故障，則進入故障處理程序，控制模塊采取斷電、停機并報警的處理方式，同時在顯示屏上顯示故障類型。

2.1.2 電氣輔助控制系統(tǒng)

電氣輔助控制系統(tǒng)主要由啟動系統(tǒng)（柴油發(fā)動機）、發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)組成。

啟動系統(tǒng)由蓄電池組、啟動繼電器、啟動電動機等組成。當(dāng)啟動系統(tǒng)上電后，無論電站工作在哪一種工作模式，只要啟動繼電器閉合，就會將蓄電池組電源與啟動電動機接通，啟動電動機開始運轉(zhuǎn)，帶動發(fā)動機飛輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至柴油發(fā)動機的壓燃轉(zhuǎn)速時，發(fā)動機即啟動成功。

發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)由機油壓力傳感器、冷卻水溫傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、電流互感器等組成。在柴油發(fā)動機運轉(zhuǎn)時，控制模塊會對發(fā)電機組進行實時狀態(tài)顯示，操作人員可通過控制器判斷各監(jiān)測量是否正常。當(dāng)控制模塊發(fā)出報警時表示該監(jiān)測量有故障發(fā)生，控制模塊將采取斷電、停機并報警的處理方式，同時控制模塊顯示屏顯示故障類型。

2.2 配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

電源安裝在廂體內(nèi)，該電源配備有配電網(wǎng)絡(luò)，配電網(wǎng)絡(luò)使電源車成為一個獨立供電系統(tǒng)，能夠根據(jù)不同配電需求執(zhí)行供電任務(wù)，提高了對突發(fā)事件的應(yīng)變能力。該電源車根據(jù)配電方式不同有2種配電網(wǎng)絡(luò)：

一種配電網(wǎng)絡(luò)由設(shè)置在以電源為中心的圓周上的若干不同功率的配電箱組成，用電設(shè)備在配電箱上直接取電，可滿足多個設(shè)備同時用電的需求。如圖3所示，配電網(wǎng)絡(luò)由1個100 kW配電箱、4個50 kW配電箱及1根50 m長100 kW輸出電纜、4根50 m長50 kW輸出電纜組成。將電源以50 m電纜為半徑，以1組100 kW和4組50 kW配電箱為單元，分散布置在電源車四周，形成網(wǎng)絡(luò)狀，用電設(shè)備可在5組配電箱上取電，可以達到輻射距離50 m、最大輸出功率300 kW的用電要求。

圖3 配電網(wǎng)絡(luò)分布圖1

另外一種配電網(wǎng)絡(luò)以電源為起點，各個配電箱依次串聯(lián)連接，達到遠距離用電。如圖4所示，配電網(wǎng)絡(luò)由1個100 kW配電箱、4個50 kW配電箱及1根50 m長100 kW輸出電纜、4根50 m長50 kW輸出電纜組成。電源依次連接 100、50、50、50、50 kW配電箱后，可以滿足輻射距離250 m、最大輸出功率50 kW的用電要求。

2.3 降噪廂體設(shè)計

圖4 配電網(wǎng)絡(luò)分布圖2

廂體內(nèi)噪聲包括發(fā)動機噪聲和空氣動力性噪聲。發(fā)動機噪聲是電站噪聲的主要來源?？諝鈩恿π栽肼曋饕ㄟM、排氣噪聲，由進、排氣時引起空氣振動而產(chǎn)生。

廂體的墻壁采用輕墻結(jié)構(gòu)，由3層結(jié)構(gòu)組成：外層為3 mm鋼板，中間層嵌入防水巖棉達到吸音效果，內(nèi)層使用多孔鋁板。其中外層鋼板在骨架處粘接后用沉頭鉚釘鉚接。廂體前端設(shè)進風(fēng)道，在左側(cè)及前端設(shè)置2個進風(fēng)口，通過隔墻將柴油發(fā)動機和發(fā)電機的進風(fēng)分開。由于發(fā)電機從前端軸向進風(fēng)，將電動機前端面伸出隔墻直接從風(fēng)道內(nèi)得到冷卻空氣；柴油機距風(fēng)道較遠，因此通過專門的導(dǎo)風(fēng)道與進風(fēng)道相通。另外在廂體的前端設(shè)置電站的控制門。該結(jié)構(gòu)與廂內(nèi)降噪措施相配合，大大降低了電站的運行噪聲。

為確保電源車整體噪聲等級，在發(fā)動機一次降噪的基礎(chǔ)上進行二次降噪，即在原來發(fā)動機的消聲器后再串接一個消聲器，排煙口設(shè)在后端上部。發(fā)動機所帶消聲器為阻抗復(fù)合式消聲器，該消聲器通過擴張、共振、吸聲達到消聲目的，根據(jù)消聲器理論分析該消聲器主要吸收發(fā)動機中、高頻噪聲，因此二次降噪在此基礎(chǔ)上串接一擴張式為主的擴張、共振復(fù)合式消聲器，進一步對發(fā)動機中、低頻噪聲進行消聲。

廂體前側(cè)安裝可升降高架照明系統(tǒng)，兩側(cè)安裝4個500 W泛光燈，主要用于野戰(zhàn)區(qū)照明用電，方便野戰(zhàn)保障任務(wù)的正常開展。其中可升降高架照明系統(tǒng)由開普柴油發(fā)電機組KDE3500E（2.8 kW）、三級伸縮管、氣泵以及控制盒組成，能夠根據(jù)現(xiàn)場需要實現(xiàn)360°全方位照明。可升降高架照明系統(tǒng)可由自帶2.8 kW柴油發(fā)電機組電源供電，也可由電源車電源供電，提高了對電力能源的利用能力[9]。

2.4 系統(tǒng)可靠性設(shè)計

為保證電源車所規(guī)定的可靠性指標(biāo)要求，遵循可靠性與技術(shù)先進性結(jié)合的原則進行設(shè)計。

2.4.1 可靠性模型

電源車的可靠性主要體現(xiàn)在柴油發(fā)動機、發(fā)電機、控制系統(tǒng)3個方面，其中任何一部分出現(xiàn)故障都會使電源車無法正常使用，因此電源車的可靠性模型以串聯(lián)系統(tǒng)來衡量，如圖5所示。

系統(tǒng)失效率的計算公式為

圖5 系統(tǒng)可靠性模型

其中，λs代表電源車的總失效率（單位：10-6/h）；λGi代表第i種元器件的通用失效率（單位：10-6/h）；πQi代表第i種元器件的通用質(zhì)量系數(shù)（＜1）；Ni代表第i種元器件的數(shù)量；n代表不同的元器件種類數(shù)。

系統(tǒng)的平均故障間隔時間（mean time between failure，MTBF）按下式計算：

2.4.2 可靠性預(yù)計

MTU 10V 1600G20F發(fā)動機采用ADEC電子調(diào)速方式，可提供精確的數(shù)字式電子調(diào)速功能，噴射更加精準(zhǔn)，油耗低；采用特質(zhì)整體灰色合金鑄鐵制造曲柄、曲軸和連桿機構(gòu)，大大地增強了機構(gòu)運行強度，在降低系統(tǒng)噪聲和振動的同時，降低了故障發(fā)生率，有效保證了機器的安全可靠性。與其他同類發(fā)動機相比可以更長時間無故障運行，其MTBF可達4 000 h以上，則 λ1=1/MTBF=1/4 000 h=0.25×10-3/h。

LSA47.2M7發(fā)電機結(jié)構(gòu)先進、性能優(yōu)良、運行可靠、使用方便，采用無刷相復(fù)勵勵磁技術(shù)，省去了滑動接觸和旋轉(zhuǎn)接觸的導(dǎo)電部分，從而大大提高了發(fā)電機的運行可靠性，且具有體積小、質(zhì)量輕、無線電干擾小的特點。通過比較同類發(fā)電機性能可預(yù)計LSA47.2M7 發(fā)電機 MTBF＞5 000 h，則 λ2=1/MTBF=1/5 000 h=0.2×10-3/h。

本設(shè)計中電氣控制系統(tǒng)采用的是成熟的技術(shù)，根據(jù)以往的其他移動電源車使用情況調(diào)查，控制系統(tǒng)有很高的可靠性，一般都在2000h以上，在此取MTBF=2 000 h，那么 λ3=1/MTBF=1/2 000 h=0.5×10-3/h。

根據(jù)以上分析，可以得出電源車的可靠性指標(biāo)λs：λs=λ1+λ2+λ3=0.95×10-3/h

那么電源車的MTBF=1/λs=1 052.6 h。

根據(jù)GJB 235A—97《軍用交流移動電站通用規(guī)范》對柴油機電站MTBF之規(guī)定：電站的MBTF應(yīng)符合500、800、1 000 h規(guī)定中的一種，因此依據(jù)預(yù)計算的實際值可以滿足電源車的可靠性指標(biāo)的要求。

3 電源車性能測試

本文設(shè)計的300 kW野戰(zhàn)移動多路供電電源車如圖6所示。

根據(jù)電源車高海拔額定功率匹配計算，電源的額定輸出功率可按下式計算：

其中，P為高海拔時的修正功率；P0為發(fā)動機標(biāo)定功率；α為發(fā)動機功率調(diào)整系數(shù)，可由指示功率比K查

圖6 300 kW野戰(zhàn)移動多路供電電源車實物圖

得[10]；β為功率損耗系數(shù)；γ為發(fā)電機效率。

指示功率比K由下式計算：

其中，m、n、s為功率校正用系數(shù)；Tc為中冷器冷卻介質(zhì)進口溫度，T為高海拔處溫度，T0為25℃標(biāo)準(zhǔn)溫度；p為高海拔處大氣壓，p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（100 kPa）。估算電源車的機組消聲器、通風(fēng)、散熱、降噪等低噪聲措施的功率損耗約為12%，則β=0.88。

在海拔1 500 m、溫度37℃、相對濕度60%時，根據(jù) GB/T 6072.1—2008[10]，由公式（3）、（4）可得電源的輸出功率為290.2 kW。在海拔4 000 m、溫度25℃、相對濕度 60%時，經(jīng)查表由公式（3）、（4）可得電源的輸出功率為242.7 kW。

為進一步驗證本文設(shè)計的電源車在高海拔處的性能，對該電源車進行了高原適應(yīng)性試驗，結(jié)果見表1。由表1可看出，本文設(shè)計的電源車各項技術(shù)指標(biāo)均達到要求。

表1 300 kW野戰(zhàn)移動多路供電電源車技術(shù)指標(biāo)達標(biāo)情況

此外，額定功率測試試驗表明：環(huán)境溫度為25℃時，在海拔1 000 m處，該電源車具有300 kW的輸出功率；而在海拔4 000 m時，該電源車的輸出功率在200 kW以上。

4 結(jié)語

本文從現(xiàn)有電源車實際出發(fā)，根據(jù)目前部隊野戰(zhàn)醫(yī)療保障任務(wù)需求，制定了技術(shù)性能參數(shù)，選用高性能柴油發(fā)動機、發(fā)電機，并采用降噪廂體、新型配電網(wǎng)絡(luò)以及可升降高架照明系統(tǒng)等設(shè)計了一種300 kW野戰(zhàn)移動多路供電電源車。本文設(shè)計的電源車作為一個獨立供電系統(tǒng)，能根據(jù)不同配電需求執(zhí)行供電任務(wù)，提高了對突發(fā)事件的應(yīng)變能力，能在不同地區(qū)全天候（雨、雪、風(fēng)、沙）條件下使用，尤其在高原地區(qū)海拔高、氣溫低、氣候干燥等條件下仍然具有較高的輸出功率。額定功率測試試驗表明：本文設(shè)計的電源車在環(huán)境溫度25℃時，海拔1 000 m處，擁有300 kW的輸出功率，具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力，能滿足目前高原地區(qū)野戰(zhàn)保障任務(wù)需要，可用于醫(yī)療救護等后勤專業(yè)部門的野營供電，具有較強的使用價值和應(yīng)用前景。但是針對高海拔野戰(zhàn)衛(wèi)勤保障任務(wù)，本電源車在配電網(wǎng)絡(luò)的輻射距離方面還有待進一步提高。下一步擬在配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方面進一步改進，增大輻射距離，改進配電網(wǎng)絡(luò)布局，以更好地滿足野戰(zhàn)醫(yī)療作業(yè)任務(wù)的要求。