矿井无轨架线车试验系统开发及测试*

仇卫建

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

近年来，无轨胶轮车辅助运输技术快速发展，虽然其已在煤矿的安全高效生产中发挥了重要作用，但是也存在一些问题，如：防爆柴油机的尾气排放使煤矿巷道废气浓度升高[1]，严重影响员工身体健康，且与我国节能减排的发展战略相悖；煤矿普遍存在采区水平落差大、运行坡度较长的情况，防爆柴油机车经常面临上坡过载、下坡制动器热失效的难题。基于此，中国煤炭科工集团与神东煤炭集团合作开发了矿井双动力无轨架线车辅助运输系统。为了验证该系统的可靠性和可行性，按照设计方案在地面建立试验系统[2-4]，采用现场模拟试验方法对供电系统、接触网悬挂形式、弓网关系进行验证。通过积累前期数据，为后续项目的顺利实施奠定实践基础。

1 总体设计

在厂区建设一段矿井无轨架线车试验用架空线网，拟定架线位置为2号厂房的北侧和东侧，试验段总长度约400 m，其中包含一条转弯半径8 m的弯道以及一条坡度为14°的坡道。其供电系统原理及整流变电所分别如图1、图2所示。

图1 供电系统原理

图2 整流变电所

试验段采用室内网栅围栏变电站供电，变电所主要包括交流馈线柜、整流器柜、直流馈线柜、直流隔离开关柜、电容滤波和绝缘监测柜、再生制动能量吸收装置(含斩波柜和电阻柜)。变电站中的进线开关柜配备综合保护测控装置，能实现过电流保护、漏电保护、过电压保护、电流速断保护和过负荷保护等多方位保护。整流器柜具有模块故障保护、过流和过压保护等。 为了保证运行维护人员和设备的安全，不同设备之间设有可靠的联锁机构，包括开门跳闸联锁、开关动作联锁等。地面设置制动电阻箱，其通过检测接触网电压调节斩波器导通比来改变制动电阻消耗功率。 根据电机变频控制提出的滤波需求，在增加电容滤波功能的同时集成绝缘监测功能。

2 接触网架设及悬挂技术

目前，接触网的主要结构形式[5-6]分为4种：

a.架空悬挂式，即输电线路架设在线路的正上方，通过车顶部的受电弓与接触线的滑动摩擦获得电能，这种形式应用非常广泛，常称之为架线。

b.地面第三轨形式，即导电轨设置在行走钢轨的侧面，通过车辆转向架上的受电靴与导电轨的滑动接触而获得电能，该形式常被用于地铁与轻轨。

c.刚性复线式，即汇流排设置在行走轨梁或行走轨线的侧壁上。

d.应用在城市无轨电车和钢索铁道中的架空复线式。

煤矿巷道具有以下特殊性：

a.项目应用于地下250 m的煤矿运输系统中，对接触网系统脱弓、拉弧有着严格的要求。

b.无轨交通系统的车辆在运行时路面与接触网无法保持“平行”，对弓网的跟随性要求很高。

c.受隧道/巷道的低净空、高湿度的环境等条件限制，结合柔性链形悬挂接触网系统在坡道安装中的局限性，本项目采用刚性悬挂式接触网系统(见图3)。

1-导轨；2-滑触线；3-接地线；4-滑触线；5-减震绝缘端子；6-门架。

3 矿用自动上网受电弓技术

受电弓是矿井无轨架线车的主要电气设备，承担地面设备与车载设备的接口作用[7]。受电弓具备在距导向板最近的导轨0.5 m范围内利用电液控制系统一键启动自动捕捉入网的功能。为了保证受流稳定性，受电弓采用辅助轨导向顶滑式设计，其主要特点如下：

a.导向轨能起到稳定受电弓的作用，入网后，受电弓的轮子卡住导向轨，受电弓向上或左右的自由度被导向轨限制，这样能保证碳刷与铜排的良好接触，避免由于受电弓左右摆动而使铜排滑出碳刷(见图4)。

图4 受电弓结构示意图

b.顶滑式设计是碳刷在滑触线的下方，有利于受电弓的快速入网与脱网。

c.滑触头采用冗余设计，同一根滑触线接触的2个碳刷在2个独立的小四连杆机构上，通过弹簧的拉力保证其与滑触线接触，在车辆颠簸时，至少能保证1个碳刷与滑触线接触，从而保证受流的可靠性。

4 测试分析

测试分为接触网的电气试验、受电弓自动上网试验及试验车辆的冷滑试验两个阶段。

4.1 接触网的电气试验

接触网的电气试验目的是获取受电弓的滑动、受流等参数，以测试设计的合理性，并分析改进方案及后期其他测试技术与试验装置的可靠性。试验方法是使用工装将弓头安装上网，并用起吊带拉动弓头在导轨上滑动，测试项目及试验结果见表1。

表1 接触网的电气试验

测试结果表明：接触网绝缘效果良好，接地电阻为0.3 Ω，远低于煤矿井下的2 Ω技术要求；滑触线接触电阻为2～3 mΩ，通电后碳刷未磨合情况下的发热量稍大，其温度为42.3 ℃，分析原因是线网初安装导线表面存在铜锈，摩擦副不稳定，需要弓网进一步磨合。现场电气测试结果见图5、图6。

图5 静态接触电阻测试结果

图6 接触发热测试结果

4.2 受电弓自动捕捉上网、冷滑及低压受流试验

受电弓的自动捕捉上网、冷滑及低压受流试验的目的是获取集电弓与接触网的自动捕捉上网、滑动、受流和寿命等参数，以测试设计的合理性，并分析改进方案及后期其他测试技术与试验装置的可靠性。试验仪器和设备有试验车辆(见图7)、DC30A稳压稳流电源、示波器、测速仪、卷尺和扁铜导线等。测试项目及试验结果见表2。

图7 试验车辆偏移线网2.5 m直线行驶

表2 自动捕捉上网、冷滑及低压受流试验项目和结果

大量测试结果显示：上下线最大时间在15 s以内，满足20 s的设计要求；试验车辆直线段受流稳定性试验满足最大车速25 km/h的设计要求；受电弓与接触网滑触良好，运行稳定，表明该系统是可靠的。

5 结论

a.开发了首个DC1500V无轨胶轮架线车地面试验系统，能够满足装备功率不大于250 kW的矿井无轨架线车的高压调试、跑合试验以及出厂检验的要求。

b.开发了适用于煤矿井下特定条件的集电装置，其具有双重补偿功能，跟随性好，受流质量高，采用电液控制，能够自动上网和下网，从而实现集电装置的自动化控制。

c.开发了一套车辆无人驾驶控制系统，使用无人驾驶车辆进行高压受电试验。经过多次测试，该系统操控灵敏、可靠，安全有效地完成了车载受电系统的冷滑试验、高压受流试验和绝缘监测试验，保障了人员安全。该试验系统的成功研制，实现了地面无轨电车向矿山行业的推广与应用，对煤矿无轨辅助运输技术提升具有积极作用。