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矿井双电架线车辅助运输系统探讨

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《摩托车信息》2018年第1期

摘要:为了有效解决煤矿井下车辆污染、长距离大坡度运输问题,提出一种新型矿井双电架线车辅助运输系统。该系统由供电系统、接触网系统、充电站、集电装置、双电架线车组成,具有快充、架线、混合三种运营模式。文章提出了各子系统的关键技术指标,并详细阐述了三种运营模式。最后,对该系统的三大关键技术:牵引变电所容量及供电臂匹配技术、接触网分并线技术、动力电池选型及匹配技术,并提出相应解决方法,为将来矿井双电架线车辅助运输系统的实现提供思路及技术支持。

关键词:矿井辅助运输系统;牵引变电所;接触网;集电装置;双电架线车

20世纪90年代以后,我国煤矿井下引进柴油无轨胶轮车辅助运输系统,极大提高了运输效率,为大型矿井高效高产提供保障。2013年中煤科工集团太原研究院有限公司与神东煤炭集团合作,投资上亿资金,开始研究世界首创的柴电双动力架线车技术,于2017年在神东公司补连塔煤矿成功试运行,验证了架线车项目中牵引供电、接触网、集电装置、电力驱动及漏电保护等诸多关键技术。在此基础上,本文提出矿井双电架线车辅助系统,旨在解决现有无轨辅助系统存在部分问题。较现有柴油无轨辅助运输系统,双电架线车运输系统主要具有以下三方面优势[1,2]:1)长距离大坡度物料辅助运输。柴油无轨车辆长距离大坡度运输物料过程中,存在上坡发动机烧开锅,下坡制动器发热失效的问题。双电架线车则上坡通过架线源源不断的提供牵引动力,下坡通过回馈制动保证车辆制动安全性。2)巷道无污染。柴油车辆行驶过程中,在巷道产生大量尾气污染与噪音污染,而双电架线车则无尾气排放且噪音低。3)运营成本低。通过车辆各工况运行计算,双电架线车运营成本约是柴油车辆的四分之一。以上三方面优势,双电架线车就对无轨辅助运输系统产生深远影响。

1矿井双电架线车系统运营模式

1.1矿井双电架线车系统组成

矿井架线车系统主要由五部分组成:供电系统(包括馈线)、接触网系统、充电站、集电装置、双电架线车。供电系统由多个牵引变电所及馈线网组成,每个牵引变电所从交流配电线网引进10kV交流电源,经过降压整流变换为额定750V直流电源。馈线网贯通整个架线巷道,与供电系统直连,用于传送电力至不同区段的接触网。馈线网导线的截面积、长度直接决定接触网的承载功率及末端压降。最后,馈线网上连接一套完整的漏电流检测及绝缘检测装置,确保整个带电线网(包括接触网)的漏电安全。接触网通过分段绝缘器分成若干区段,每个区段通过断路器与馈线连接,实现各区段的自动控制独立供电。并且各区段分别安装LED警示灯,提醒人员接触网带电,注意安全。当双电架线车需要架线运行时,区段接触网提前自动带电;无需架线运行时,区段接触网自动断电。最终实现自动送停电及带电提醒的安全运营模式。充电站设置于地面停车厂及井下停车位,可提供大功率快速充电,连接装置与双电架线车的集电装置匹配。车辆可在此处进行快速充电。双电架线车根据运输物料种类及数量不同,分为多种类别:10座人车、20座人车、10T料车、5T料车、支架车等。每台双电架线车仅安装一套电驱动力系统,并且自身携带适量具有快充能力的钛酸锂电池。车辆在架线区段,实现架线运行;非架线区段,动力蓄电池提供动力运行。

1.2子系统关键技术指标

为了使矿井双电架线车系统高效运行,通过分析研究各子系统需满足以下技术指标,方可实现。供电系统关键技术指标:额定电压DC750V;功率满足各工况车辆运行;牵引变电所具有回馈功能;变电所具备远程控制功能;具有漏电流检测、绝缘检测双重安全防护;免维护、无人值守,自动控制。接触网系统关键技术指标:具有带电提示功能;具有分并线功能;具有防淋水功能;接触网线采有柔性悬挂保证受流;接触网能补偿导轨导线热胀冷缩;分并线及交叉器装置具备带电运行功能;车辆架线运行时速不小于40km/h。充电站关键技术指标:具有快速充电功能(10min);具有漏电保护功能;充电连接装置与集电装置匹配;井下充电站设备选用隔爆设备。集电装置关键技术指标:上线捕捉时间小于6s,成功率95%以上;下线时间小于5s;具有出现故障后(左右过渡偏移、脱网、别卡、车辆故障、触网故障、调度故障),自动下线保护功能;单极独立四点接触,且每点碳刷与触线贴合紧密,保证受流质量,出现火花每1公里小于2次;高速(大于等于10km/h)工况下,碳刷传受电流不小于200A,低速工况下(小于10km/h),碳刷传受电流不不于400A;行驶过程中,产生最大噪音不大于90dB;运行速度不小于40km/h。双电架线车关键技术指标:车辆蓄电池采用钛酸锂电池;上网及脱网时可以自动切换(切换时间小于0.1s);具有线上自动充电功能;电机、变频器、电池散热采用液冷;具有双重绝缘防护;采用绝缘检测及漏电流检测双重安全保护;所配电池容量满足矿井运输往返一次。

1.3双电架线车运营模式双电架线车运营模式

如图2所示,矿井双电架线车辅助运输系统为了高效、可靠、环保、经济的完成矿井中人员、材料、支架等辅助运输。在矿井中设置了充电站、牵引变电所、接触网、双电架线车四大部分。充电站主要安装于地面车库及煤矿井下辅助运输大巷中,通过双电架线车的集电装置完成车辆快速充电(10min充满)。牵引变电所根据架线车使用工况容量需求,设置于地面或井下,与接触网连接,为车辆架线运行提供电力。接触网架设于矿井低瓦斯或无瓦斯辅助运输大巷中,而在地面(车辆行驶线路不确定)及运输巷(存在瓦斯)则不架设。最后根据运输物料、数量不同,研制多种具有快速上下线网功能(6s)的架线车,满足各种矿井人员、物料运输。通过系统以上四大部分的设置,使架线车具有三种运营模式功能:快充模式、架线模式、混合模式。快充模式如图3所示,架线车快充模式与纯蓄电池车运营模式相同。当车辆电量不足时,则行驶至充电站充电;当车辆电量充足时,则下井运输物料。架线模式如图4所示,架线车不再进入充电站充电,当架线车在架线区域运行时,边行驶,边在线充电。在非架线区域时,则通过车辆自身动力电池提供动力。在线充的电量也能保证非在线运行。

2双电架线车系统关键技术

2.1DC750V牵引变电所容量及供电臂匹配研究

DC750V电压等级的牵引变电所广泛应用于地铁、架线车,相关设备的技术较为成熟、先进。如何根据矿井架线车使用工况匹配牵引变电所容量及供电臂,满足车辆运营的压降及馈线网载流需求,达到最大经济性,是矿井供电系统研究的关键技术[3,4]。

2.2DC750V接触网分并线技术研究

煤矿井下通常多个工作面同时开采,导致辅助运输路线出现分岔运行情况。为了保证架线车高效运行,则需实现接触网分并线。

2.3双电架线车动力电池选型及容量计算方法研究

矿用架线车中电控、电机、电池三大核心技术中,电控及电机技术相对成熟,并且在第一代双动力架线车项目中得到验证,因此电池的选型及容量计算是本项目的关键技术[5,6]。

2.3.1动力电池选型目前主流动力电池有铅酸电池[7]、镍氢电池[8]、磷酸铁锂[9]、钛酸锂电。

2.3.2动力电池总能量计算矿用双动力架线车动力电池总能量,需要满足架线车地面至井下满载往返一次的需求。这与车辆自重、额定载荷、续航里程、行驶工况等息息相关[11]。由于井下坡度较多,且坡度对续航里程影响较大,因此不能按照通常续航里程计算方法确定动力电池总能量。

3结语

通过对矿井双电架线车系统运营模式及关键技术的分析研究,基本研究出相应解决方法。为了使该系统稳定可靠运行,更进一步的产业化推广,还需要对系统的技术通过实践一一验证,特别是受电系统还需要投入大量技术力量。假若本系统可以稳定可靠运行,则能够为矿井辅助运输带来第二次变革,甚至影响其他行业(金属矿山)运输方式。

参考文献:

[1]倪兴华.安全高效矿井辅助运输关键技术研究与应用[J].煤炭学报,2010,35(11):1909-1914.

[2]王龙生.煤矿高效辅助运输成套系统研究与应用[J].煤炭科学技术,2014,42(9):77-82.

[3]田丽华,姜久春.无轨电车供电线网分路最大容量估算[J].电源学报,2015,13(3):113-118.

[4]张帝.双源无轨电车车载储能系统及新型供电网络优化控制[D].北京:北方交通大学,2017:15-33.

[5]王步康,金江,袁晓明.矿用电动无轨运输车辆发展现状与关键技术[J].煤炭科学技术,2015,43(1):74-76,133.

[6]黄开胜,孟凡博,阎东林,等.煤矿井下防爆纯电动车关键技术研究[J].煤炭科学技术,2014,42(4):61-65.

[7]赵瑞瑞,任安福,陈红雨.中国铅酸电池产业存在的问题与展望[J].电池,2009,39(6):333-334.

[8]张丽华,王彦.近年镍氢电池发展状况及前景[J].稀土信息,2008(12):34-35.

[9]李哲.纯电动汽车磷酸铁锂电池性能研究[D].北京:清华大学,2011.

[10]宋永华,阳岳希,胡泽春.电动汽车电池的现状及发展趋势[J].电网技术,2011,35(4):1-7.

[11]王志福,张承宁.电动汽车电驱动理论与设计[M].北京:机械工业出版社,2017:26-48.

作者:刘玉荣 单位:中煤科工集团太原研究院有限公司

摩托车信息杂志责任编辑:张雨    阅读:人次