礦井無軌架線車試驗系統開發及測試*

仇衛建

(中國煤炭科工集團太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

近年來，無軌膠輪車輔助運輸技術快速發展，雖然其已在煤礦的安全高效生產中發揮了重要作用，但是也存在一些問題，如：防爆柴油機的尾氣排放使煤礦巷道廢氣濃度升高[1]，嚴重影響員工身體健康，且與我國節能減排的發展戰略相悖；煤礦普遍存在采區水平落差大、運行坡度較長的情況，防爆柴油機車經常面臨上坡過載、下坡制動器熱失效的難題。基于此，中國煤炭科工集團與神東煤炭集團合作開發了礦井雙動力無軌架線車輔助運輸系統。為了驗證該系統的可靠性和可行性，按照設計方案在地面建立試驗系統[2-4]，采用現場模擬試驗方法對供電系統、接觸網懸掛形式、弓網關系進行驗證。通過積累前期數據，為后續項目的順利實施奠定實踐基礎。

1 總體設計

在廠區建設一段礦井無軌架線車試驗用架空線網，擬定架線位置為2號廠房的北側和東側，試驗段總長度約400 m，其中包含一條轉彎半徑8 m的彎道以及一條坡度為14°的坡道。其供電系統原理及整流變電所分別如圖1、圖2所示。

圖1 供電系統原理

圖2 整流變電所

試驗段采用室內網柵圍欄變電站供電，變電所主要包括交流饋線柜、整流器柜、直流饋線柜、直流隔離開關柜、電容濾波和絕緣監測柜、再生制動能量吸收裝置(含斬波柜和電阻柜)。變電站中的進線開關柜配備綜合保護測控裝置，能實現過電流保護、漏電保護、過電壓保護、電流速斷保護和過負荷保護等多方位保護。整流器柜具有模塊故障保護、過流和過壓保護等。 為了保證運行維護人員和設備的安全，不同設備之間設有可靠的聯鎖機構，包括開門跳閘聯鎖、開關動作聯鎖等。地面設置制動電阻箱，其通過檢測接觸網電壓調節斬波器導通比來改變制動電阻消耗功率。 根據電機變頻控制提出的濾波需求，在增加電容濾波功能的同時集成絕緣監測功能。

2 接觸網架設及懸掛技術

目前，接觸網的主要結構形式[5-6]分為4種：

a.架空懸掛式，即輸電線路架設在線路的正上方，通過車頂部的受電弓與接觸線的滑動摩擦獲得電能，這種形式應用非常廣泛，常稱之為架線。

b.地面第三軌形式，即導電軌設置在行走鋼軌的側面，通過車輛轉向架上的受電靴與導電軌的滑動接觸而獲得電能，該形式常被用于地鐵與輕軌。

c.剛性復線式，即匯流排設置在行走軌梁或行走軌線的側壁上。

d.應用在城市無軌電車和鋼索鐵道中的架空復線式。

煤礦巷道具有以下特殊性：

a.項目應用于地下250 m的煤礦運輸系統中，對接觸網系統脫弓、拉弧有著嚴格的要求。

b.無軌交通系統的車輛在運行時路面與接觸網無法保持“平行”，對弓網的跟隨性要求很高。

c.受隧道/巷道的低凈空、高濕度的環境等條件限制，結合柔性鏈形懸掛接觸網系統在坡道安裝中的局限性，本項目采用剛性懸掛式接觸網系統(見圖3)。

1-導軌；2-滑觸線；3-接地線；4-滑觸線；5-減震絕緣端子；6-門架。

3 礦用自動上網受電弓技術

受電弓是礦井無軌架線車的主要電氣設備，承擔地面設備與車載設備的接口作用[7]。受電弓具備在距導向板最近的導軌0.5 m范圍內利用電液控制系統一鍵啟動自動捕捉入網的功能。為了保證受流穩定性，受電弓采用輔助軌導向頂滑式設計，其主要特點如下：

a.導向軌能起到穩定受電弓的作用，入網后，受電弓的輪子卡住導向軌，受電弓向上或左右的自由度被導向軌限制，這樣能保證碳刷與銅排的良好接觸，避免由于受電弓左右擺動而使銅排滑出碳刷(見圖4)。

圖4 受電弓結構示意圖

b.頂滑式設計是碳刷在滑觸線的下方，有利于受電弓的快速入網與脫網。

c.滑觸頭采用冗余設計，同一根滑觸線接觸的2個碳刷在2個獨立的小四連桿機構上，通過彈簧的拉力保證其與滑觸線接觸，在車輛顛簸時，至少能保證1個碳刷與滑觸線接觸，從而保證受流的可靠性。

4 測試分析

測試分為接觸網的電氣試驗、受電弓自動上網試驗及試驗車輛的冷滑試驗兩個階段。

4.1 接觸網的電氣試驗

接觸網的電氣試驗目的是獲取受電弓的滑動、受流等參數，以測試設計的合理性，并分析改進方案及后期其他測試技術與試驗裝置的可靠性。試驗方法是使用工裝將弓頭安裝上網，并用起吊帶拉動弓頭在導軌上滑動，測試項目及試驗結果見表1。

表1 接觸網的電氣試驗

測試結果表明：接觸網絕緣效果良好，接地電阻為0.3 Ω，遠低于煤礦井下的2 Ω技術要求；滑觸線接觸電阻為2～3 mΩ，通電后碳刷未磨合情況下的發熱量稍大，其溫度為42.3 ℃，分析原因是線網初安裝導線表面存在銅銹，摩擦副不穩定，需要弓網進一步磨合。現場電氣測試結果見圖5、圖6。

圖5 靜態接觸電阻測試結果

圖6 接觸發熱測試結果

4.2 受電弓自動捕捉上網、冷滑及低壓受流試驗

受電弓的自動捕捉上網、冷滑及低壓受流試驗的目的是獲取集電弓與接觸網的自動捕捉上網、滑動、受流和壽命等參數，以測試設計的合理性，并分析改進方案及后期其他測試技術與試驗裝置的可靠性。試驗儀器和設備有試驗車輛(見圖7)、DC30A穩壓穩流電源、示波器、測速儀、卷尺和扁銅導線等。測試項目及試驗結果見表2。

圖7 試驗車輛偏移線網2.5 m直線行駛

表2 自動捕捉上網、冷滑及低壓受流試驗項目和結果

大量測試結果顯示：上下線最大時間在15 s以內，滿足20 s的設計要求；試驗車輛直線段受流穩定性試驗滿足最大車速25 km/h的設計要求；受電弓與接觸網滑觸良好，運行穩定，表明該系統是可靠的。

5 結論

a.開發了首個DC1500V無軌膠輪架線車地面試驗系統，能夠滿足裝備功率不大于250 kW的礦井無軌架線車的高壓調試、跑合試驗以及出廠檢驗的要求。

b.開發了適用于煤礦井下特定條件的集電裝置，其具有雙重補償功能，跟隨性好，受流質量高，采用電液控制，能夠自動上網和下網，從而實現集電裝置的自動化控制。

c.開發了一套車輛無人駕駛控制系統，使用無人駕駛車輛進行高壓受電試驗。經過多次測試，該系統操控靈敏、可靠，安全有效地完成了車載受電系統的冷滑試驗、高壓受流試驗和絕緣監測試驗，保障了人員安全。該試驗系統的成功研制，實現了地面無軌電車向礦山行業的推廣與應用，對煤礦無軌輔助運輸技術提升具有積極作用。