煤礦井下架空線式電機(jī)車運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究

孟惟峰

（山西焦煤集團(tuán)霍州煤電辛置煤礦， 山西 臨汾 031400）

引言

20 世紀(jì)90 年代以后，我國(guó)煤礦引進(jìn)了柴油無軌橡膠輪輔助架空線運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)，大大提高了架空線運(yùn)營(yíng)效率，為大型煤礦提供了保障。2013 年，開始研究世界上第一輛柴電驅(qū)動(dòng)有軌電車技術(shù)。2017 年在神東布里塔煤礦成功試運(yùn)行，驗(yàn)證了該項(xiàng)目的牽引架空線運(yùn)營(yíng)、架空線路、集電器、電力驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)漏電保護(hù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1-3]。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)現(xiàn)有無軌輔助系統(tǒng)存在的一些問題，提出了礦井架空線式電機(jī)車輔助系統(tǒng)。與現(xiàn)有的柴油無軌輔助架空線運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)相比，架空線式電機(jī)車系統(tǒng)具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：架空線式電機(jī)車通過架空線路連續(xù)提供牽引動(dòng)力，下坡反饋制動(dòng)保證了制動(dòng)安全性[4-5]；柴油無軌車在礦井運(yùn)行過程中存在大量的尾氣污染和噪聲污染，而架空線式電機(jī)車沒有尾氣排放，噪聲幾乎為零；架空線式電機(jī)車的運(yùn)行成本約為柴油車的1/4。以上三個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)對(duì)無軌輔助架空線運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)產(chǎn)生了深刻的影響。

1 煤礦架空線式電機(jī)車系統(tǒng)運(yùn)行方式

1.1 系統(tǒng)組成

礦井架空線式電機(jī)車系統(tǒng)主要由架空線運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)、架空線路系統(tǒng)、收集器裝置和架空線式電機(jī)車組成。架空線運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)由多個(gè)牽引變電所和饋線網(wǎng)絡(luò)組成。每個(gè)牽引變電站通過降壓整流器將AC 10 kV 電源引入額定DC 750 V 電源。

饋線網(wǎng)安裝在整個(gè)地下大巷道中，直接與架空線運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)相連，用于將電力輸送到不同路段的架空線路。饋線的截面積和長(zhǎng)度直接決定架空線路的承載能力和終端壓降。最后，漏電檢測(cè)裝置和絕緣檢測(cè)裝置均接入饋線網(wǎng)，保證整個(gè)電網(wǎng)的安全。架空線路由分段絕緣子分成若干段。各區(qū)段通過斷路器與饋線相連，實(shí)現(xiàn)各區(qū)段獨(dú)立自動(dòng)控制。并在各路段設(shè)置LED警示燈，提醒人們線路帶電，注意安全。架空線式電機(jī)車運(yùn)行前，架空線路自動(dòng)通電，車輛通過后自動(dòng)切斷。充電站安裝在地面車位和地下車位，可通過集熱器提供快速充電。根據(jù)架空線運(yùn)營(yíng)物料的種類和數(shù)量，架空線式電機(jī)車可分為10 人車、20 人車、10 t 車、5 t 車和托架車。每臺(tái)架空線式電機(jī)車僅配備一套電力驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)和一定數(shù)量的具有快速充電能力的鈦酸鋰電池。架空線路段下的車輛從架空線路獲得電力，而沒有線路段從電池獲得電力。

1.2 分系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)

為了使礦用架空線式電機(jī)車系統(tǒng)高效運(yùn)行，通過分析研究，各子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)以下技術(shù)指標(biāo)。

架空線運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)：額定電壓DC 750 V，牽引變電所具有反饋功能，變電站具有遠(yuǎn)程控制功能，具有漏電檢測(cè)和絕緣檢測(cè)保護(hù)功能，免維護(hù)，無人值守，自動(dòng)控制。

架空線路系統(tǒng)：帶電報(bào)警功能，換線功能，具有防水功能，靈活的懸架，確保電流穩(wěn)定，鋼絲熱脹縮補(bǔ)償，換線裝置帶來電力，運(yùn)行速度不低于40 km/h。

收集器裝置：在線捕獲時(shí)間小于6 s，成功率95%以上，下線時(shí)間小于5 s，故障發(fā)生后（如左右偏移、斷開、卡車故障、架空線路故障、調(diào)度故障等）自動(dòng)下行保護(hù)功能；單極獨(dú)立四點(diǎn)接觸，每一點(diǎn)碳刷接觸線緊密，保證電流質(zhì)量，每1 km 火花少于2 次；在高速（大于10 km/h）條件下，碳刷的電流不小于200 A，低速（小于10 km/h）條件下不小于400 A；在駕駛過程中，最大噪聲小于90 dB；運(yùn)行速度不低于40 km/h。

架空線式電機(jī)車：鈦酸鋰電池用于汽車；自動(dòng)開關(guān)線路（切換時(shí)間小于0.1 s）；架空線路自動(dòng)收費(fèi)；電機(jī)、變頻器、電池采用液體冷卻；具有雙重絕緣保護(hù)；漏電流檢測(cè)和絕緣檢測(cè)保護(hù)；電池的容量足夠用了。

1.3 架空線式電機(jī)車操作方式

如下頁(yè)圖1 所示，為了高效、可靠、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)送人員、物資和保障，開展礦山架空線式電機(jī)車輔助架空線運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由牽引變電所、架空線路和架空線式電機(jī)車三部分組成。充電站主要安裝在煤礦的地面停車站和地下停車站，架空線式電機(jī)車可通過集電極快速充電（滿10 min）。牽引變電所根據(jù)小車的容量要求設(shè)置在地面或地下，并與架空線路連接，為小車的運(yùn)行提架空線運(yùn)營(yíng)力。架空線路位于低CH4氣體或無CH4氣體的地下車道，但地面（車輛行駛線路不確定）和CIS（含CH4氣體）未設(shè)置。最后，根據(jù)不同的架空線運(yùn)營(yíng)材料和架空線運(yùn)營(yíng)數(shù)量，開發(fā)出多種具有快速上下線功能（6 s）的架空小車，以滿足不同類型的礦山人員和物料的需求。通過系統(tǒng)的以上四個(gè)部分，小車有三種運(yùn)行模式，分別是快速充電模式、在線模式和混合模式。

圖1 架空線式電機(jī)車運(yùn)行方式

2 架空線式電機(jī)車運(yùn)行分析

2.1 牽引變電所容量與架空線運(yùn)營(yíng)臂長(zhǎng)的匹配計(jì)算

DC 750 V 電壓級(jí)牽引變電所廣泛應(yīng)用于地鐵和無軌電車，相關(guān)設(shè)備的技術(shù)比較成熟和先進(jìn)。如何根據(jù)礦用架空線式電機(jī)車的工況，匹配牽引變電所的容量和架空線運(yùn)營(yíng)臂的長(zhǎng)度，滿足小車的壓降和饋線網(wǎng)載流的需求，達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)性。它是礦山架空線運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)研究的關(guān)鍵技術(shù)。通過對(duì)我國(guó)雙軌電車礦井的調(diào)查研究，對(duì)雙軌電車的架空線運(yùn)營(yíng)條件進(jìn)行了分析研究具體如下：

1）G1：早班有5 輛20 人的轎車和10 輛5 t 級(jí)卡車，它們之間的距離約為30 m，20 人的轎車功率為80 kW，5 t 卡車功率為110 kW。

2）G2：巷道施工期間，10 t 卡車25 輛，10 人轎車5 輛，它們之間的距離約為50 m，10 t 卡車的功率為130 kW，10 人轎車的功率為60 kW。

2.2 架空線式電機(jī)車線路選擇

地下煤礦通常有多個(gè)采煤點(diǎn)，導(dǎo)致輔助架空線運(yùn)營(yíng)路線分岔作業(yè)。為了保證架空線式電機(jī)車的高效運(yùn)行，換線是非常重要的。如圖2 所示，在分岔巷道中，為了實(shí)現(xiàn)變線功能，設(shè)置了兩個(gè)無軌電車裝置和一個(gè)跨線裝置。它們都有初始狀態(tài)。當(dāng)小車從井口方向轉(zhuǎn)向井下-1 方向，從井下-2 方向轉(zhuǎn)向井口方向時(shí)，無論是拖蛙還是跨線都不需要?jiǎng)幼鲹Q線。當(dāng)小車從井下方向-1 轉(zhuǎn)向井口方向時(shí)，拖無軌電車-2 起換線作用。當(dāng)車輛從井口方向轉(zhuǎn)向井下方向-2 時(shí)，無軌電車-1 和交叉動(dòng)作來改變管路。動(dòng)作完成后小車必須通過，小車通過后，拖蛙裝置和一個(gè)交叉裝置立即恢復(fù)到初始狀態(tài)。設(shè)備動(dòng)作指令由通過交叉口的小車司機(jī)通過調(diào)度系統(tǒng)發(fā)出。

圖2 變線原理圖

如圖3 所示，拖無軌電車裝置由平移架和固定架組成。固定框架安裝在地下隧道的頂部。平移架由電動(dòng)直筒驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)左右平移。當(dāng)小車從A 方向運(yùn)行到B1方向時(shí)，平移架移動(dòng)到左端。當(dāng)小車從A 方向運(yùn)行到B2方向時(shí)，平動(dòng)架向右移動(dòng)。

圖3 無軌電車設(shè)備結(jié)構(gòu)

如圖4 所示，為了使小車通過帶電力的無軌電車裝置，用絕緣體將其分為三段。這三個(gè)區(qū)段通過S1、S2、S3三個(gè)交換機(jī)與饋線網(wǎng)絡(luò)相連。在平移幀移動(dòng)之前，S1、S2、S3三個(gè)開關(guān)被打開，設(shè)備的三個(gè)獨(dú)立部分不充電。當(dāng)平移架向下移動(dòng)時(shí)，關(guān)閉開關(guān)S1和S3，設(shè)備在車輛行駛方向充電。當(dāng)平移幀向上移動(dòng)時(shí)，關(guān)閉開關(guān)S2和S3，設(shè)備充電。最后實(shí)現(xiàn)了拖蛙裝置運(yùn)行后的無電動(dòng)作和帶電的功能。交叉裝置也是由電力控制的。其原理和結(jié)構(gòu)與拖蛙裝置類似。

圖4 無軌電車裝置電氣原理

2.3 動(dòng)力電池選擇及容量計(jì)算

電動(dòng)機(jī)技術(shù)、電控技術(shù)和動(dòng)力技術(shù)是架空線式電機(jī)車的三大核心技術(shù)。架空線式電機(jī)車的動(dòng)力總能量需要滿負(fù)荷運(yùn)行一次進(jìn)出煤礦部門。這與車輛重量、額定載重、行駛里程和行駛條件密切相關(guān)。由于礦山邊坡較大，邊坡對(duì)里程影響較大，無法按常規(guī)里程計(jì)算方法確定輸出動(dòng)力總能量。同一輛車在不同坡度下的里程曲線如下頁(yè)圖5 所示。

圖5 不同坡度下的里程

架空線式軌道電機(jī)車，主要是拉煤、運(yùn)送物料及上下班人員，架空線電壓550 V，軌距60 cm，以前在運(yùn)輸過程中出現(xiàn)問題，無法與調(diào)度室和前后車輛取得聯(lián)系，出現(xiàn)問題的區(qū)域無法掌握。引進(jìn)此設(shè)備后，地面設(shè)備通過二級(jí)交換機(jī)與井下千兆工業(yè)環(huán)網(wǎng)相連，通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與井下調(diào)度室通信，運(yùn)輸現(xiàn)場(chǎng)的礦用基站通過二級(jí)交換機(jī)與調(diào)度室進(jìn)行通信?；九c基站之間采用光纖級(jí)聯(lián)，經(jīng)匯總后接入高性能礦用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)中。基站由礦用穩(wěn)壓電源提供工作電源，電源具有后備電源功能，當(dāng)外電斷電后，可維持基站和讀卡分站工作2 h 以上?；究刂撇⒐芾硇盘?hào)機(jī)、讀卡分站設(shè)備，相互之間通過總線式通信。車載通信控制器與手持智能終端通過由基站組建的WI-FI 無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，接收調(diào)度室主控系統(tǒng)下發(fā)的監(jiān)控信息。井下LED 顯示屏通過交換機(jī)或者基站，經(jīng)工業(yè)環(huán)網(wǎng)來接收調(diào)度室主控系統(tǒng)發(fā)送的信息并顯示。通信控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛位置信息，實(shí)時(shí)上報(bào)車輛運(yùn)行信息。以實(shí)現(xiàn)以下功能：精確定位功能、顯示與監(jiān)控功能、調(diào)度功能、報(bào)警功能、備用電源功能、查詢功能、管理功能、重演功能、故障診斷功能、集成聯(lián)網(wǎng)功能、LED 屏信息發(fā)布功能、故障安全功能、可拓展功能。

3 結(jié)語

通過對(duì)礦井架空線式電機(jī)車系統(tǒng)運(yùn)行方式及關(guān)鍵技術(shù)的研究，基本解決了關(guān)鍵技術(shù)。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，進(jìn)一步推進(jìn)工業(yè)化，還需要對(duì)系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行逐一驗(yàn)證，特別是電氣系統(tǒng)需要投入大量的能源。如果架空線式電機(jī)車系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，可以給礦山輔助架空線運(yùn)營(yíng)帶來二次變化，甚至影響其他行業(yè)（金屬礦山）的架空線運(yùn)營(yíng)方式。