煤矿井下架空线式电机车运营系统设计方案研究

孟惟峰

（山西焦煤集团霍州煤电辛置煤矿， 山西 临汾 031400）

引言

20 世纪90 年代以后，我国煤矿引进了柴油无轨橡胶轮辅助架空线运营系统，大大提高了架空线运营效率，为大型煤矿提供了保障。2013 年，开始研究世界上第一辆柴电驱动有轨电车技术。2017 年在神东布里塔煤矿成功试运行，验证了该项目的牵引架空线运营、架空线路、集电器、电力驱动、动态漏电保护等多项关键技术[1-3]。在此基础上，针对现有无轨辅助系统存在的一些问题，提出了矿井架空线式电机车辅助系统。与现有的柴油无轨辅助架空线运营系统相比，架空线式电机车系统具有以下三个优点：架空线式电机车通过架空线路连续提供牵引动力，下坡反馈制动保证了制动安全性[4-5]；柴油无轨车在矿井运行过程中存在大量的尾气污染和噪声污染，而架空线式电机车没有尾气排放，噪声几乎为零；架空线式电机车的运行成本约为柴油车的1/4。以上三个方面的优势对无轨辅助架空线运营系统产生了深刻的影响。

1 煤矿架空线式电机车系统运行方式

1.1 系统组成

矿井架空线式电机车系统主要由架空线运营系统、架空线路系统、收集器装置和架空线式电机车组成。架空线运营系统由多个牵引变电所和馈线网络组成。每个牵引变电站通过降压整流器将AC 10 kV 电源引入额定DC 750 V 电源。

馈线网安装在整个地下大巷道中，直接与架空线运营系统相连，用于将电力输送到不同路段的架空线路。馈线的截面积和长度直接决定架空线路的承载能力和终端压降。最后，漏电检测装置和绝缘检测装置均接入馈线网，保证整个电网的安全。架空线路由分段绝缘子分成若干段。各区段通过断路器与馈线相连，实现各区段独立自动控制。并在各路段设置LED警示灯，提醒人们线路带电，注意安全。架空线式电机车运行前，架空线路自动通电，车辆通过后自动切断。充电站安装在地面车位和地下车位，可通过集热器提供快速充电。根据架空线运营物料的种类和数量，架空线式电机车可分为10 人车、20 人车、10 t 车、5 t 车和托架车。每台架空线式电机车仅配备一套电力驱动动力系统和一定数量的具有快速充电能力的钛酸锂电池。架空线路段下的车辆从架空线路获得电力，而没有线路段从电池获得电力。

1.2 分系统关键技术指标

为了使矿用架空线式电机车系统高效运行，通过分析研究，各子系统可以实现以下技术指标。

架空线运营系统：额定电压DC 750 V，牵引变电所具有反馈功能，变电站具有远程控制功能，具有漏电检测和绝缘检测保护功能，免维护，无人值守，自动控制。

架空线路系统：带电报警功能，换线功能，具有防水功能，灵活的悬架，确保电流稳定，钢丝热胀缩补偿，换线装置带来电力，运行速度不低于40 km/h。

收集器装置：在线捕获时间小于6 s，成功率95%以上，下线时间小于5 s，故障发生后（如左右偏移、断开、卡车故障、架空线路故障、调度故障等）自动下行保护功能；单极独立四点接触，每一点碳刷接触线紧密，保证电流质量，每1 km 火花少于2 次；在高速（大于10 km/h）条件下，碳刷的电流不小于200 A，低速（小于10 km/h）条件下不小于400 A；在驾驶过程中，最大噪声小于90 dB；运行速度不低于40 km/h。

架空线式电机车：钛酸锂电池用于汽车；自动开关线路（切换时间小于0.1 s）；架空线路自动收费；电机、变频器、电池采用液体冷却；具有双重绝缘保护；漏电流检测和绝缘检测保护；电池的容量足够用了。

1.3 架空线式电机车操作方式

如下页图1 所示，为了高效、可靠、环保、经济地运送人员、物资和保障，开展矿山架空线式电机车辅助架空线运营系统。该系统主要由牵引变电所、架空线路和架空线式电机车三部分组成。充电站主要安装在煤矿的地面停车站和地下停车站，架空线式电机车可通过集电极快速充电（满10 min）。牵引变电所根据小车的容量要求设置在地面或地下，并与架空线路连接，为小车的运行提架空线运营力。架空线路位于低CH4气体或无CH4气体的地下车道，但地面（车辆行驶线路不确定）和CIS（含CH4气体）未设置。最后，根据不同的架空线运营材料和架空线运营数量，开发出多种具有快速上下线功能（6 s）的架空小车，以满足不同类型的矿山人员和物料的需求。通过系统的以上四个部分，小车有三种运行模式，分别是快速充电模式、在线模式和混合模式。

图1 架空线式电机车运行方式

2 架空线式电机车运行分析

2.1 牵引变电所容量与架空线运营臂长的匹配计算

DC 750 V 电压级牵引变电所广泛应用于地铁和无轨电车，相关设备的技术比较成熟和先进。如何根据矿用架空线式电机车的工况，匹配牵引变电所的容量和架空线运营臂的长度，满足小车的压降和馈线网载流的需求，达到最大的经济性。它是矿山架空线运营系统研究的关键技术。通过对我国双轨电车矿井的调查研究，对双轨电车的架空线运营条件进行了分析研究具体如下：

1）G1：早班有5 辆20 人的轿车和10 辆5 t 级卡车，它们之间的距离约为30 m，20 人的轿车功率为80 kW，5 t 卡车功率为110 kW。

2）G2：巷道施工期间，10 t 卡车25 辆，10 人轿车5 辆，它们之间的距离约为50 m，10 t 卡车的功率为130 kW，10 人轿车的功率为60 kW。

2.2 架空线式电机车线路选择

地下煤矿通常有多个采煤点，导致辅助架空线运营路线分岔作业。为了保证架空线式电机车的高效运行，换线是非常重要的。如图2 所示，在分岔巷道中，为了实现变线功能，设置了两个无轨电车装置和一个跨线装置。它们都有初始状态。当小车从井口方向转向井下-1 方向，从井下-2 方向转向井口方向时，无论是拖蛙还是跨线都不需要动作换线。当小车从井下方向-1 转向井口方向时，拖无轨电车-2 起换线作用。当车辆从井口方向转向井下方向-2 时，无轨电车-1 和交叉动作来改变管路。动作完成后小车必须通过，小车通过后，拖蛙装置和一个交叉装置立即恢复到初始状态。设备动作指令由通过交叉口的小车司机通过调度系统发出。

图2 变线原理图

如图3 所示，拖无轨电车装置由平移架和固定架组成。固定框架安装在地下隧道的顶部。平移架由电动直筒驱动，实现左右平移。当小车从A 方向运行到B1方向时，平移架移动到左端。当小车从A 方向运行到B2方向时，平动架向右移动。

图3 无轨电车设备结构

如图4 所示，为了使小车通过带电力的无轨电车装置，用绝缘体将其分为三段。这三个区段通过S1、S2、S3三个交换机与馈线网络相连。在平移帧移动之前，S1、S2、S3三个开关被打开，设备的三个独立部分不充电。当平移架向下移动时，关闭开关S1和S3，设备在车辆行驶方向充电。当平移帧向上移动时，关闭开关S2和S3，设备充电。最后实现了拖蛙装置运行后的无电动作和带电的功能。交叉装置也是由电力控制的。其原理和结构与拖蛙装置类似。

图4 无轨电车装置电气原理

2.3 动力电池选择及容量计算

电动机技术、电控技术和动力技术是架空线式电机车的三大核心技术。架空线式电机车的动力总能量需要满负荷运行一次进出煤矿部门。这与车辆重量、额定载重、行驶里程和行驶条件密切相关。由于矿山边坡较大，边坡对里程影响较大，无法按常规里程计算方法确定输出动力总能量。同一辆车在不同坡度下的里程曲线如下页图5 所示。

图5 不同坡度下的里程

架空线式轨道电机车，主要是拉煤、运送物料及上下班人员，架空线电压550 V，轨距60 cm，以前在运输过程中出现问题，无法与调度室和前后车辆取得联系，出现问题的区域无法掌握。引进此设备后，地面设备通过二级交换机与井下千兆工业环网相连，通过工业环网实现与井下调度室通信，运输现场的矿用基站通过二级交换机与调度室进行通信。基站与基站之间采用光纤级联，经汇总后接入高性能矿用网络交换机中。基站由矿用稳压电源提供工作电源，电源具有后备电源功能，当外电断电后，可维持基站和读卡分站工作2 h 以上。基站控制并管理信号机、读卡分站设备，相互之间通过总线式通信。车载通信控制器与手持智能终端通过由基站组建的WI-FI 无线网络进行通信，接收调度室主控系统下发的监控信息。井下LED 显示屏通过交换机或者基站，经工业环网来接收调度室主控系统发送的信息并显示。通信控制器实时监测车辆位置信息，实时上报车辆运行信息。以实现以下功能：精确定位功能、显示与监控功能、调度功能、报警功能、备用电源功能、查询功能、管理功能、重演功能、故障诊断功能、集成联网功能、LED 屏信息发布功能、故障安全功能、可拓展功能。

3 结语

通过对矿井架空线式电机车系统运行方式及关键技术的研究，基本解决了关键技术。为了使系统稳定可靠运行，进一步推进工业化，还需要对系统的技术进行逐一验证，特别是电气系统需要投入大量的能源。如果架空线式电机车系统运行稳定可靠，可以给矿山辅助架空线运营带来二次变化，甚至影响其他行业（金属矿山）的架空线运营方式。