煤礦井下架空線式電機車運營系統設計方案研究

孟惟峰

（山西焦煤集團霍州煤電辛置煤礦， 山西 臨汾 031400）

引言

20 世紀90 年代以后，我國煤礦引進了柴油無軌橡膠輪輔助架空線運營系統，大大提高了架空線運營效率，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動有軌電車技術。2017 年在神東布里塔煤礦成功試運行，驗證了該項目的牽引架空線運營、架空線路、集電器、電力驅動、動態漏電保護等多項關鍵技術[1-3]。在此基礎上，針對現有無軌輔助系統存在的一些問題，提出了礦井架空線式電機車輔助系統。與現有的柴油無軌輔助架空線運營系統相比，架空線式電機車系統具有以下三個優點：架空線式電機車通過架空線路連續提供牽引動力，下坡反饋制動保證了制動安全性[4-5]；柴油無軌車在礦井運行過程中存在大量的尾氣污染和噪聲污染，而架空線式電機車沒有尾氣排放，噪聲幾乎為零；架空線式電機車的運行成本約為柴油車的1/4。以上三個方面的優勢對無軌輔助架空線運營系統產生了深刻的影響。

1 煤礦架空線式電機車系統運行方式

1.1 系統組成

礦井架空線式電機車系統主要由架空線運營系統、架空線路系統、收集器裝置和架空線式電機車組成。架空線運營系統由多個牽引變電所和饋線網絡組成。每個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。

饋線網安裝在整個地下大巷道中，直接與架空線運營系統相連，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，漏電檢測裝置和絕緣檢測裝置均接入饋線網，保證整個電網的安全。架空線路由分段絕緣子分成若干段。各區段通過斷路器與饋線相連，實現各區段獨立自動控制。并在各路段設置LED警示燈，提醒人們線路帶電，注意安全。架空線式電機車運行前，架空線路自動通電，車輛通過后自動切斷。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。根據架空線運營物料的種類和數量，架空線式電機車可分為10 人車、20 人車、10 t 車、5 t 車和托架車。每臺架空線式電機車僅配備一套電力驅動動力系統和一定數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 分系統關鍵技術指標

為了使礦用架空線式電機車系統高效運行，通過分析研究，各子系統可以實現以下技術指標。

架空線運營系統：額定電壓DC 750 V，牽引變電所具有反饋功能，變電站具有遠程控制功能，具有漏電檢測和絕緣檢測保護功能，免維護，無人值守，自動控制。

架空線路系統：帶電報警功能，換線功能，具有防水功能，靈活的懸架，確保電流穩定，鋼絲熱脹縮補償，換線裝置帶來電力，運行速度不低于40 km/h。

收集器裝置：在線捕獲時間小于6 s，成功率95%以上，下線時間小于5 s，故障發生后（如左右偏移、斷開、卡車故障、架空線路故障、調度故障等）自動下行保護功能；單極獨立四點接觸，每一點碳刷接觸線緊密，保證電流質量，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；運行速度不低于40 km/h。

架空線式電機車：鈦酸鋰電池用于汽車；自動開關線路（切換時間小于0.1 s）；架空線路自動收費；電機、變頻器、電池采用液體冷卻；具有雙重絕緣保護；漏電流檢測和絕緣檢測保護；電池的容量足夠用了。

1.3 架空線式電機車操作方式

如下頁圖1 所示，為了高效、可靠、環保、經濟地運送人員、物資和保障，開展礦山架空線式電機車輔助架空線運營系統。該系統主要由牽引變電所、架空線路和架空線式電機車三部分組成。充電站主要安裝在煤礦的地面停車站和地下停車站，架空線式電機車可通過集電極快速充電（滿10 min）。牽引變電所根據小車的容量要求設置在地面或地下，并與架空線路連接，為小車的運行提架空線運營力。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）未設置。最后，根據不同的架空線運營材料和架空線運營數量，開發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。通過系統的以上四個部分，小車有三種運行模式，分別是快速充電模式、在線模式和混合模式。

圖1 架空線式電機車運行方式

2 架空線式電機車運行分析

2.1 牽引變電所容量與架空線運營臂長的匹配計算

DC 750 V 電壓級牽引變電所廣泛應用于地鐵和無軌電車，相關設備的技術比較成熟和先進。如何根據礦用架空線式電機車的工況，匹配牽引變電所的容量和架空線運營臂的長度，滿足小車的壓降和饋線網載流的需求，達到最大的經濟性。它是礦山架空線運營系統研究的關鍵技術。通過對我國雙軌電車礦井的調查研究，對雙軌電車的架空線運營條件進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 架空線式電機車線路選擇

地下煤礦通常有多個采煤點，導致輔助架空線運營路線分岔作業。為了保證架空線式電機車的高效運行，換線是非常重要的。如圖2 所示，在分岔巷道中，為了實現變線功能，設置了兩個無軌電車裝置和一個跨線裝置。它們都有初始狀態。當小車從井口方向轉向井下-1 方向，從井下-2 方向轉向井口方向時，無論是拖蛙還是跨線都不需要動作換線。當小車從井下方向-1 轉向井口方向時，拖無軌電車-2 起換線作用。當車輛從井口方向轉向井下方向-2 時，無軌電車-1 和交叉動作來改變管路。動作完成后小車必須通過，小車通過后，拖蛙裝置和一個交叉裝置立即恢復到初始狀態。設備動作指令由通過交叉口的小車司機通過調度系統發出。

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。平移架由電動直筒驅動，實現左右平移。當小車從A 方向運行到B1方向時，平移架移動到左端。當小車從A 方向運行到B2方向時，平動架向右移動。

圖3 無軌電車設備結構

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。這三個區段通過S1、S2、S3三個交換機與饋線網絡相連。在平移幀移動之前，S1、S2、S3三個開關被打開，設備的三個獨立部分不充電。當平移架向下移動時，關閉開關S1和S3，設備在車輛行駛方向充電。當平移幀向上移動時，關閉開關S2和S3，設備充電。最后實現了拖蛙裝置運行后的無電動作和帶電的功能。交叉裝置也是由電力控制的。其原理和結構與拖蛙裝置類似。

圖4 無軌電車裝置電氣原理

2.3 動力電池選擇及容量計算

電動機技術、電控技術和動力技術是架空線式電機車的三大核心技術。架空線式電機車的動力總能量需要滿負荷運行一次進出煤礦部門。這與車輛重量、額定載重、行駛里程和行駛條件密切相關。由于礦山邊坡較大，邊坡對里程影響較大，無法按常規里程計算方法確定輸出動力總能量。同一輛車在不同坡度下的里程曲線如下頁圖5 所示。

圖5 不同坡度下的里程

架空線式軌道電機車，主要是拉煤、運送物料及上下班人員，架空線電壓550 V，軌距60 cm，以前在運輸過程中出現問題，無法與調度室和前后車輛取得聯系，出現問題的區域無法掌握。引進此設備后，地面設備通過二級交換機與井下千兆工業環網相連，通過工業環網實現與井下調度室通信，運輸現場的礦用基站通過二級交換機與調度室進行通信。基站與基站之間采用光纖級聯，經匯總后接入高性能礦用網絡交換機中。基站由礦用穩壓電源提供工作電源，電源具有后備電源功能，當外電斷電后，可維持基站和讀卡分站工作2 h 以上。基站控制并管理信號機、讀卡分站設備，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 無線網絡進行通信，接收調度室主控系統下發的監控信息。井下LED 顯示屏通過交換機或者基站，經工業環網來接收調度室主控系統發送的信息并顯示。通信控制器實時監測車輛位置信息，實時上報車輛運行信息。以實現以下功能：精確定位功能、顯示與監控功能、調度功能、報警功能、備用電源功能、查詢功能、管理功能、重演功能、故障診斷功能、集成聯網功能、LED 屏信息發布功能、故障安全功能、可拓展功能。

3 結語

通過對礦井架空線式電機車系統運行方式及關鍵技術的研究，基本解決了關鍵技術。為了使系統穩定可靠運行，進一步推進工業化，還需要對系統的技術進行逐一驗證，特別是電氣系統需要投入大量的能源。如果架空線式電機車系統運行穩定可靠，可以給礦山輔助架空線運營帶來二次變化，甚至影響其他行業（金屬礦山）的架空線運營方式。