露天礦用電動輪卡車架線助力改造系統及應用

劉志更

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

目前電動輪自卸卡車，因其作業機動性好、周轉速度快、爬坡能力強等優點已成為露天礦山的主要運載工具。但隨著礦山坑深的增加等因素，暴露了以下缺陷：

1) 在露天煤礦的物料運輸線路中，80%～90%的路段都是坡道運行，由于電動輪卡車的運行速度由柴油機的功率決定，在重載上坡速度偏低時(8%坡道、3%滾動阻力時、一臺220 t的電動輪自卸車重載上坡速度約為8～10 km/h)，會影響生產效率[1]。

2)卡車爬坡運行時柴油機是接近滿負荷運行，此階段的燃料消耗率將占到總量的70%～80%，使之直接能源成本消耗嚴重[2],而且卡車爬坡時處于大扭矩牽引狀態，其牽引電動機的發熱量也隨之大大增加，長時間運行會縮短其使用壽命。

3) 卡車大功率運行時，柴油機排放的尾氣加劇，會在露天礦深坑內造成嚴重的空氣污染，威脅工作人員的健康。

1 架線助力總體改造方案

隨著礦山坑深的增加等因素，電動輪自卸卡車的缺陷隨之暴露。其卡車架線助力改造系統在原有卡車柴油機主動力的基礎上，增加一路輔助外部電能供應,即架線模式運行時，由外部電能直接驅動卡車輪邊牽引電動機，卡車的傳動方式由原來的柴油機—發電機—牽引電動機模式轉變為架線電源—牽引電動機模式。

本方案以2 km長的連續運輸坡道，坡度設計8%，每1 km需同時上坡運行4臺由美國特雷克斯(TEREX)公司和北方采礦機械有限公司合資生產的特雷克斯某型礦用電動輪自卸卡車[5]為設計前提。表1為卡車的基本參數。該系統主要包括供電系統、架線接觸網系統和卡車改造三部分。圖1為卡車架線運行效果圖。

表1 某型卡車基本參數表

圖1 卡車架線運行效果

1.1 供電系統

1.1.1 容量匹配

要滿足8臺卡車同時滿載上坡運行，保證供電系統的可靠性及減小線網壓降，設置了A、B 兩座移動式牽引變電站,分別位于架線段兩端各500 m處(見圖2)，每個供電臂允許2臺卡車同時運行，單臺車配置有2臺輪邊牽引電動機，單臺電動機功率為750 kW，因此單個供電臂供電容量為3 MW。取2倍裕度，所需容量為6 MW，雙邊供電時單個變電站額定容量為12 MW。

圖2 變電站位置

單個牽引變電站參數：

輸入電壓/kV

AC35

輸出電壓/V

DC1 500

額定容量/MW

12

供電方式

雙邊供電

保護裝置接地保護、過流保護、過壓欠壓保護、短路保護、斷路器失靈保護、防雷保護等[6]。

1.1.2 單個變電站運行方式

1)高壓側 AC35 kV系統

正常情況：母線分段開關分閘，牽引負荷與照明負荷獨立供電。

非正常情況：一段母線失電，母線分段開關閉合，另一母線向所有負荷供電。

2)直流側 DC1 500 V系統

正常情況：兩臺牽引整流機組并聯運行，縱聯電動隔離開關處于分閘狀態。

非正常情況：一臺整流機組退出運行，另外一臺整流機組短時(2 h)繼續供電；整個牽引所退出運行，牽引所間聯絡開關閉合，由相鄰牽引變電站供電。

1.2 架線接觸網系統

在2 km的運行坡道上空架設接觸線，通過車載受電弓直接接觸導線將電能傳送至卡車供電系統。根據露天礦工況特點，架線接觸網適合于采用全補償鏈式柔性懸掛，以保證受流穩定性。

架線接觸網系統見圖3,主要包括觸線網、饋線網、基礎、立柱、橫梁、相關懸掛零部件以及接觸線補償裝置、避雷裝置、絕緣分段裝置等。其中基礎間距為25 m，觸線網采用2根銅線，饋線網采用1根鋁線，正負極間距為3.2 m，接觸線導高為8.7 m。架線轉彎半徑不小于100 m。

1-基礎; 2-立柱; 3-饋線網; 4-橫梁; 5-懸掛件; 6-觸線網。

1.3 卡車改造

1.3.1 增加受電弓裝置

增加兩套受電弓裝置(見圖4)，分別負責正、負極電能的傳輸。受電弓裝置主要由底座、下臂、氣囊、上框架、弓頭滑板、平衡桿和氣缸等組成。采用了球軸承，可靈活可靠，采用密封措施，免維護。每臺卡車安裝2套受電弓。

1-氣囊;2-底座;3-阻尼器;4-下臂;5-上框架;6-弓頭滑板。

1.3.2 電氣系統改造

為保證改造后卡車系統的可靠性及安全性，在盡量減少對原車電氣系統的改造基礎上，增加了使外部電源準確接入的相關模塊。卡車電氣系統的改造保留了原車的發電機、整流器、逆變器、驅動電動機、制動電阻等主回路元部件，僅在原卡車的基礎上增加了1個電源切換箱、1套系統控制單元、1套逆變控制單元、1套輸入輸出控制器，實現與原車系統的無縫對接。

當卡車進入架線區域時，系統控制器控制車上直流側電壓接近網壓，電源切換箱使內部的并網直流接觸器吸合，平穩接入電網，逆變控制器將使車輛在外部電網供電下高效運行，此時柴油機運行在高效轉速(高怠速)；當卡車駛出架線區域時，系統控制器根據當前運行情況調整發電機電壓，使之接近電網電壓，然后發出命令給電源切換箱，使并網直流接觸器斷開，實現平穩過渡，受電弓降落，車輛又恢復成柴油機動力運行模式。

2 經濟性分析

2.1 速度計算

卡車采用變頻電動機驅動，單臺卡車驅動總功率為1 500 kW，在8%(4.57°)的運煤坡道上全功率運行時,速度為：

v=P×3.6×103/(mgsinθ+μmgcosθ)

(1)

通過理論計算可知,全功率運行時，驅動速度v可達到12.6 km/h。

2.2 經濟性分析

2.2.1 分析的基礎條件

1)坡道長度2 km，坡度8%(4.57°)。

2)單日單車產量80 000 t，共10臺車在運營，單臺車載煤220 t，爬坡需要功率1 428 kW。

3)年產煤276 d，柴油價格6元/L，電價格0.5元/kW·h。

4)原純柴油運行模式滿載爬坡速度為8 km/h，單車滿載爬坡油耗約400 L/h。

5)架線運行模式滿載爬坡速度為12k m/h，單車油耗約純柴油模式的1/3。

6)每臺卡車售價按2 000萬元計，成本折舊期限5 a。

7)卡車架線改造系統包括2座牽引變電站、2 km長的接觸網架線、10臺卡車改造、相關試驗費和項目管理費用總額約8500萬元。

經過計算，在純柴油運行模式下，單車單日爬坡次數為36次，單車來回約用時40 min;架線運行模式下單次爬坡節省約5 min，單車來回約35 min。這樣單車單日運行為41次，比架線前可多運行5次。考慮到傳動效率以及維修、加油等輔助時間消耗，經濟性分析按照單車單日架線后比架線前多運行3次計算。

2.2.2 經濟性分析

在產量不變的條件下，2 km爬坡道年消耗直接能源成本為:在純柴油運行模式下柴油消耗約5 962萬元。在架線運行模式下電能消耗約1 153萬元，柴油消耗約1 937萬元,即架線后比架線前節約直接能源成本為2 872萬元。

單車單次爬坡節省成本為296元。架線后節省車輛1臺，節省車輛折舊成本約400萬元，節省車輛備件消耗成本約100萬元。這樣總節省成本為3 372萬元，回收成本時間為2.5 a。

3 架線助力改造的優點

卡車架線助力改造系統是在較長距離連續爬坡路段沿線架設接觸網，由設置在沿線的牽引變電站供電，將電能傳輸至接觸網，車載受電弓將接觸網上的電能傳輸至車輛，驅動車輛行駛，達到上坡提升動力的目的。改造后具有以下優點：

1)提高生產效率。卡車采用架線運行后，上坡時的速度不再受限于柴油機功率，而由外部牽引變電站供電容量和卡車牽引電動機功率決定，故卡車上坡速度會得到很大提升，這樣就能加快工作循環或使用較少的車輛，提高生產效率。

2)降低燃料消耗和柴油機維修、保養費用，延長柴油機壽命。同樣的坡道，架線供電比柴油機動力能節約動力成本在40%以上,而柴油機的維修和保養間隔與燃料消耗量成正比，故間隔能延長約2.5倍，這樣從根本上降低了備件消耗，節約了維修保養費用。這樣同比單一使用柴油機來說，延長了柴油機壽命[3]。

3)延長牽引電動機的壽命。由于卡車架線運行時上坡速度加快，運行于同一段距離坡道上的時間會隨之縮短，牽引電動機輸出大扭矩時間也會相應縮短，牽引電動機發熱量相應減少，從而延長了輪邊牽引電動機的壽命[4]。

4)降低污染物排放。卡車采用架線助力模式供電運行時，柴油機處于怠速狀態，柴油機只提供車上需要的通風散熱，液壓系統動力和輔助控制電力，相比單純柴油運行模式時污染物排放量明顯減少，且噪音也明顯降低，極大改善了礦坑內的空氣環境。

4 結論

露天礦用電動輪卡車架線助力改造系統的搭建，可有效地提升電動輪卡車長距離爬坡時的運行速度，改善了單純地使用柴油機運行模式帶來的尾氣污染、燃油消耗嚴重等短板。

通過對架線助力改造系統應用前后的運行成本理論經濟性分析對比，其總節省成本為3 372萬元,回收成本時間為2.5 a，也為其他露天煤礦電動輪卡車改造方案的可行性提供了數據支撐。