300 kW野战移动多路供电电源车的设计

陈扶明，马 巍*，刘 艳，李永香

（1.联勤保障部队第940医院医学工程科，兰州 730050；2.联勤保障部队第940医院卫勤部，兰州730050；3.兰州电源车辆研究所有限公司，兰州 730050）

0 引言

医院野战移动电源车作为部队电源保障车，可应用于部队自动化办公、通信、卫生、维修、生活等领域，也可用于医疗救护等后勤专业部门的野营供电，是一种用于后勤保障的通用电源装备。近年来，随着部队在高原、高寒地区保障任务的日趋增加，高原地区海拔高、气温低、气候干燥等条件对野战移动电源车的要求也越来越高。为解决上述问题，黄广田等[1]研制了一种50 kW高原军用汽车电站，其环境适应性试验表明该汽车电站可满足高原地区的使用要求，对高原地区的工程保障发挥了重要作用。陈文柏等[2]也研制了一种额定功率为50 kW的高原电源车，具有较强的高原供电能力和野外生存能力。然而，目前适用于野战任务的移动电源车仍存在输出功率低、可靠性差等缺点，难以满足高原地区的野战保障任务和效率，而且取用电单一，不能满足同时多任务用电，这使得野战移动电源在高原地区实际发挥作用大打折扣[3-5]。

鉴于此，本文设计了一种能够在高原、高寒等极端环境下进行各种电源保障任务的300 kW野战移动多路供电电源车，其主要用途是在高海拔地区进行大功率多路供电，满足同时对各种医疗设备进行供电的要求，对保障野战紧急救援具有重要意义。

1 设计思路

部队在高原、高寒地区保障任务日趋增多，然而高原地区环境复杂，导致野战移动电源车难以发挥作用，表现在取用电单一、输出功率较平原地区大打折扣。为解决上述问题，本文设计的电源车需要具备如下功能：（1）电气性能指标先进，主要电气性能指标达到国家军用电站Ⅲ类标准，能满足各类用户对用电质量的要求；（2）自动化程度高，可自动实现机组的启动、升降速、合分闸、故障保护及与市电自动切换功能；（3）环境适应性强，能够在不同地区全天候（雨、雪、风、沙）条件下使用[6-7]，并具有较高的输出功率；（4）可靠性高，作为一个独立供电系统，能够根据不同配电需求执行供电任务，提高对突发事件的应变能力，并选用高可靠性发动机、发电机，具有故障自诊断、机组参数保护等功能[8]。

2 电源车设计

电源车由VOLVO FM420 66R B型越野二类底盘、降噪厢体、柴油发动机、发电机、控制系统及配电网络等组成。电源车厢体分为3个部分：前部设有排风舱；后部设有进风舱，并安装有2个电缆；中部安装有柴油发电机组及ATS切换柜。厢体前部左右侧各有一个排风门，中部左右侧各设有一个维修门，右侧还设有控制柜门和输出门。车厢前部平台安装有高架照明系统、登顶梯和手动电缆盘箱，车厢后部设有2个登车梯，车厢下方挂有电动电缆盘、2.8 kW柴油发电机组、电缆箱、液压泵站及控制箱等。整个电源车布置紧凑、功能齐全、性能优越。其简易结构图如图1所示。

图1 300 kW野战移动多路供电电源车结构图

柴油发动机作为电源车的动力系统，将燃料燃烧所产生的热能转化为机械能，为发电机运转提供动力。电源车选用的柴油发动机型号为MTU10V1600G20F，功率为448 kW，额定转速为1 500 r/min，进气形式为涡轮增压，额定燃油消耗率为190 g/kWh，供油方式为电喷。电源车选用的发电机型号为LSA47.2M7，额定功率为400 kW，额定频率为50 Hz，额定转速为1 500 r/min，额定电压为400 V，额定功率因数为0.8（滞后），相数及接法为三相四线、Y接，绝缘等级为H级，励磁方式为无刷励磁式。该发电机采用无刷相复励励磁技术，具有精度高、动态性能好、电压波形畸变小及效率高等特点。

2.1 控制系统设计

控制系统是电源车运行的核心，其设计框图如图2所示，主要由电气智能控制系统、电气辅助控制系统两部分组成。

图2 300 kW野战移动多路供电电源车控制系统框图

2.1.1 电气智能控制系统

电气智能控制系统采用模块化电气设计，主要由电气控制系统、故障诊断保护及报警系统组成。

电气控制系统以控制模块为核心，通过电量变送器及外围传感元件、执行元件等实现对发电机组的自动控制，主要有手动操作和自动操作2种模式。在手动模式下，机组的启动、升降速、合闸、分闸、停机以及市电的合闸、分闸都由手动操作完成。在自动模式下，当市电发生故障（U≤340 V、U≥440 V）或无市电时，机组可自动启动、升速、合闸供电；当市电恢复后机组可自动卸载、停机，转为市电供电。

故障诊断保护及报警系统主要对可能危及电源车运行安全的常见故障进行监测和保护，由控制屏上的控制模块实现，保护的类型主要有机油压力低、冷却水温高、超速、过压、欠压、过频、欠频和过载等。该系统将分布在发电机组的转速、温度、压力传感器等采集来的电源车工作状态的各个参数，经过一定的处理后传送至控制模块，并比较、处理、判断是否有故障发生，无故障发生则继续循环执行监控程序，保持监控状态；若判断出有故障，则进入故障处理程序，控制模块采取断电、停机并报警的处理方式，同时在显示屏上显示故障类型。

2.1.2 电气辅助控制系统

电气辅助控制系统主要由启动系统（柴油发动机）、发电机组状态监控系统组成。

启动系统由蓄电池组、启动继电器、启动电动机等组成。当启动系统上电后，无论电站工作在哪一种工作模式，只要启动继电器闭合，就会将蓄电池组电源与启动电动机接通，启动电动机开始运转，带动发动机飞轮旋转。当转速上升至柴油发动机的压燃转速时，发动机即启动成功。

发电机组状态监控系统由机油压力传感器、冷却水温传感器、转速传感器、电流互感器等组成。在柴油发动机运转时，控制模块会对发电机组进行实时状态显示，操作人员可通过控制器判断各监测量是否正常。当控制模块发出报警时表示该监测量有故障发生，控制模块将采取断电、停机并报警的处理方式，同时控制模块显示屏显示故障类型。

2.2 配电网络设计

电源安装在厢体内，该电源配备有配电网络，配电网络使电源车成为一个独立供电系统，能够根据不同配电需求执行供电任务，提高了对突发事件的应变能力。该电源车根据配电方式不同有2种配电网络：

一种配电网络由设置在以电源为中心的圆周上的若干不同功率的配电箱组成，用电设备在配电箱上直接取电，可满足多个设备同时用电的需求。如图3所示，配电网络由1个100 kW配电箱、4个50 kW配电箱及1根50 m长100 kW输出电缆、4根50 m长50 kW输出电缆组成。将电源以50 m电缆为半径，以1组100 kW和4组50 kW配电箱为单元，分散布置在电源车四周，形成网络状，用电设备可在5组配电箱上取电，可以达到辐射距离50 m、最大输出功率300 kW的用电要求。

图3 配电网络分布图1

另外一种配电网络以电源为起点，各个配电箱依次串联连接，达到远距离用电。如图4所示，配电网络由1个100 kW配电箱、4个50 kW配电箱及1根50 m长100 kW输出电缆、4根50 m长50 kW输出电缆组成。电源依次连接 100、50、50、50、50 kW配电箱后，可以满足辐射距离250 m、最大输出功率50 kW的用电要求。

2.3 降噪厢体设计

图4 配电网络分布图2

厢体内噪声包括发动机噪声和空气动力性噪声。发动机噪声是电站噪声的主要来源。空气动力性噪声主要包括进、排气噪声，由进、排气时引起空气振动而产生。

厢体的墙壁采用轻墙结构，由3层结构组成：外层为3 mm钢板，中间层嵌入防水岩棉达到吸音效果，内层使用多孔铝板。其中外层钢板在骨架处粘接后用沉头铆钉铆接。厢体前端设进风道，在左侧及前端设置2个进风口，通过隔墙将柴油发动机和发电机的进风分开。由于发电机从前端轴向进风，将电动机前端面伸出隔墙直接从风道内得到冷却空气；柴油机距风道较远，因此通过专门的导风道与进风道相通。另外在厢体的前端设置电站的控制门。该结构与厢内降噪措施相配合，大大降低了电站的运行噪声。

为确保电源车整体噪声等级，在发动机一次降噪的基础上进行二次降噪，即在原来发动机的消声器后再串接一个消声器，排烟口设在后端上部。发动机所带消声器为阻抗复合式消声器，该消声器通过扩张、共振、吸声达到消声目的，根据消声器理论分析该消声器主要吸收发动机中、高频噪声，因此二次降噪在此基础上串接一扩张式为主的扩张、共振复合式消声器，进一步对发动机中、低频噪声进行消声。

厢体前侧安装可升降高架照明系统，两侧安装4个500 W泛光灯，主要用于野战区照明用电，方便野战保障任务的正常开展。其中可升降高架照明系统由开普柴油发电机组KDE3500E（2.8 kW）、三级伸缩管、气泵以及控制盒组成，能够根据现场需要实现360°全方位照明。可升降高架照明系统可由自带2.8 kW柴油发电机组电源供电，也可由电源车电源供电，提高了对电力能源的利用能力[9]。

2.4 系统可靠性设计

为保证电源车所规定的可靠性指标要求，遵循可靠性与技术先进性结合的原则进行设计。

2.4.1 可靠性模型

电源车的可靠性主要体现在柴油发动机、发电机、控制系统3个方面，其中任何一部分出现故障都会使电源车无法正常使用，因此电源车的可靠性模型以串联系统来衡量，如图5所示。

系统失效率的计算公式为

图5 系统可靠性模型

其中，λs代表电源车的总失效率（单位：10-6/h）；λGi代表第i种元器件的通用失效率（单位：10-6/h）；πQi代表第i种元器件的通用质量系数（＜1）；Ni代表第i种元器件的数量；n代表不同的元器件种类数。

系统的平均故障间隔时间（mean time between failure，MTBF）按下式计算：

2.4.2 可靠性预计

MTU 10V 1600G20F发动机采用ADEC电子调速方式，可提供精确的数字式电子调速功能，喷射更加精准，油耗低；采用特质整体灰色合金铸铁制造曲柄、曲轴和连杆机构，大大地增强了机构运行强度，在降低系统噪声和振动的同时，降低了故障发生率，有效保证了机器的安全可靠性。与其他同类发动机相比可以更长时间无故障运行，其MTBF可达4 000 h以上，则 λ1=1/MTBF=1/4 000 h=0.25×10-3/h。

LSA47.2M7发电机结构先进、性能优良、运行可靠、使用方便，采用无刷相复励励磁技术，省去了滑动接触和旋转接触的导电部分，从而大大提高了发电机的运行可靠性，且具有体积小、质量轻、无线电干扰小的特点。通过比较同类发电机性能可预计LSA47.2M7 发电机 MTBF＞5 000 h，则 λ2=1/MTBF=1/5 000 h=0.2×10-3/h。

本设计中电气控制系统采用的是成熟的技术，根据以往的其他移动电源车使用情况调查，控制系统有很高的可靠性，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。

根据以上分析，可以得出电源车的可靠性指标λs：λs=λ1+λ2+λ3=0.95×10-3/h

那么电源车的MTBF=1/λs=1 052.6 h。

根据GJB 235A—97《军用交流移动电站通用规范》对柴油机电站MTBF之规定：电站的MBTF应符合500、800、1 000 h规定中的一种，因此依据预计算的实际值可以满足电源车的可靠性指标的要求。

3 电源车性能测试

本文设计的300 kW野战移动多路供电电源车如图6所示。

根据电源车高海拔额定功率匹配计算，电源的额定输出功率可按下式计算：

其中，P为高海拔时的修正功率；P0为发动机标定功率；α为发动机功率调整系数，可由指示功率比K查

图6 300 kW野战移动多路供电电源车实物图

得[10]；β为功率损耗系数；γ为发电机效率。

指示功率比K由下式计算：

其中，m、n、s为功率校正用系数；Tc为中冷器冷却介质进口温度，T为高海拔处温度，T0为25℃标准温度；p为高海拔处大气压，p0为标准大气压（100 kPa）。估算电源车的机组消声器、通风、散热、降噪等低噪声措施的功率损耗约为12%，则β=0.88。

在海拔1 500 m、温度37℃、相对湿度60%时，根据 GB/T 6072.1—2008[10]，由公式（3）、（4）可得电源的输出功率为290.2 kW。在海拔4 000 m、温度25℃、相对湿度 60%时，经查表由公式（3）、（4）可得电源的输出功率为242.7 kW。

为进一步验证本文设计的电源车在高海拔处的性能，对该电源车进行了高原适应性试验，结果见表1。由表1可看出，本文设计的电源车各项技术指标均达到要求。

表1 300 kW野战移动多路供电电源车技术指标达标情况

此外，额定功率测试试验表明：环境温度为25℃时，在海拔1 000 m处，该电源车具有300 kW的输出功率；而在海拔4 000 m时，该电源车的输出功率在200 kW以上。

4 结语

本文从现有电源车实际出发，根据目前部队野战医疗保障任务需求，制定了技术性能参数，选用高性能柴油发动机、发电机，并采用降噪厢体、新型配电网络以及可升降高架照明系统等设计了一种300 kW野战移动多路供电电源车。本文设计的电源车作为一个独立供电系统，能根据不同配电需求执行供电任务，提高了对突发事件的应变能力，能在不同地区全天候（雨、雪、风、沙）条件下使用，尤其在高原地区海拔高、气温低、气候干燥等条件下仍然具有较高的输出功率。额定功率测试试验表明：本文设计的电源车在环境温度25℃时，海拔1 000 m处，拥有300 kW的输出功率，具有较强的环境适应能力，能满足目前高原地区野战保障任务需要，可用于医疗救护等后勤专业部门的野营供电，具有较强的使用价值和应用前景。但是针对高海拔野战卫勤保障任务，本电源车在配电网络的辐射距离方面还有待进一步提高。下一步拟在配电网络设计方面进一步改进，增大辐射距离，改进配电网络布局，以更好地满足野战医疗作业任务的要求。