架线式电机车改造蓄电池电机车研究和应用

一、概述

赤峰柴矿公司采区 1、2、3 号井各中段主运输巷规格 、毛石运输采用 0.75m³矿车铲装，CJY5-6GB/250V 型单架线式电机车牵引，架线电压 250V。

单架线式电机车供电方式是电流经过变电器后进入机车，给电动机供电，再经过轨道流回。存在用电安全隐患，易发生触电危险伤害，受架线影响，生产效率低，用电效率低、运输能力差，因此机车成本高、不易维护。并且由于是用架线供电，因此运输距离受限。

二、存在问题：

㈠架线对于巷道的尺寸与行人安全的影响。主运输巷道个别位置岩石破碎的严重,采用钢拱架支护后规格减小到 2m*2m，致使架线高度不足，行人与架线安全距离变小，增加了触电的风险。虽未造成安全事故，但存在较大的安全隐患；受电弓举升张力不够，接触面易产生火花，缩短了架线和集电器使用寿命，加大了检修维护工作量，运行维护成本成倍增加。

㈡杂散电流的危害。在单架线牵引网络中，轨道兼做回流导体，单轨道与巷道底板之间无电气绝缘，本应全部经钢轨回流到硅整流柜的的电流，将有一部分不经轨道流回牵引变电所。这一部分不经钢轨流回牵引变电所的电流称之为杂散

电流。在牵引变电所和电机车之间，靠近电机车一半的距离上杂散电流从钢轨流入大地，即钢轨电位高于大地电位。在另一半距离上，杂散电流从大地进入钢轨，并返回牵引变电所，即在靠近牵引变电所的一半距离，钢轨电位低于大地电位。这样在牵引变电所到电机车之间形成了两个区域：阳极区和阴极区。

及实际测量结果，两个区域电位的高低和对地电位的对称度取决于钢轨的回流情况。如轨道在电气上是短路的，则电机车的回流电流都变成杂散电流。

1—整流柜；2—馈电点；3—架线；4—钢轨；5—钢轨电位；6—大地电位；7—回电点；

㈢杂散电流的危害性：

⒈杂散电流并不失其电流的性质，即总是走电阻较小的路径。因此，杂散电流将流经与大地相通的金属管道及电缆外皮等金属导电体。在这些金属导体上也将形成阳极区和阴极区。由于井下的潮湿及酸性水的存在，因而会在金属导体的阳极区产生电解腐蚀现象。腐蚀作用的大小与杂散电流的大小及通过电流的延续时间的长短有关。当电缆外皮局部被蚀穿后，水分进入电缆会使绝缘遭到破坏，引发事故。

⒉引发导爆管误爆，掘进工作面的轨道与大巷轨道相连，当大巷有电机车运行时，掘进工作面轨道对地有电位。若电雷管的两根脚线分别碰到轨道和接地网相连的水管、风管，钢轨就会通过电雷管放电，当放电电流大于雷管引爆电流，就会使雷管提前引爆，造成严重事故。

⒊生产影响。据不完全统计，因电机车和架线检修，影响运输量约30 车/月（维修时长6 小时）。

三、解决方案措施

㈠架线式电机车改为蓄电池组供电。因巷道规格小，利用原电机车的牵引电机，将架线式供电改造为蓄电池组供电，牵引电机供电电压不变，拆除巷道内原有架线，彻底消除架线与行人距离小的安全隐患。

㈡将电阻调速方式改为矿安型直流斩波调速。采用 ZKT-2*150/250 矿用防爆型斩波调速器，替代电阻调速器。本装置由IGBT 斩波器、控制电源、控制器、平波电感等元件组成。斩波器为大功率开关器件，驱动电路选用电荷泵稳流电路及组合元件组成，使整改电路元件少、安装方便、调试容易、工作可靠。

㈢蓄电池电机车一般配备 2 套蓄电池组，在各中段设置充电硐室，并配备好充电设备。电量使用到一定程度即更换满电的蓄电池组，并给电量不足的电池组充电。

㈣蓄电池电机车是通过电池组直接给牵引电机供电。其优点是摆脱了架线的束缚，在产量小、巷道不规则的条件下更具优势，且初期不需要太多的建设。又因为是电池直接供电，使用环境更为灵活。

㈤充电硐室氢气检测与风机联动。充电硐室内经常存放和有正在充电的蓄电池机车，蓄电池组内装有大量的电解液并需要经常补充，充电时电化学反应产生的硫酸蒸汽对作业人员的呼吸系统有强烈的刺激作用；同时铅酸蓄电池在充电过程中电解液分解还会产生大量氢气，当氢气浓度过高时对人的呼吸也有影响（其在空气中的浓度应小于 0.5% ）；氢气密度小于空气，容易在硐室顶部聚集；氢气还是易燃气体，与空气混合浓度达到4.0%~75%时，遇明火或高温就会发生爆炸。

充电硐室内设置了独立的回风巷道，铅酸蓄电池充电过程中产生的浓硫酸蒸汽和氢气发散在空气中，可经回风巷道循环到硐室外。外部设置了机械通风装置，压入式通风，手动/自动两种工作方式。当多台蓄电池组同时充电时，会因蓄电池化学反应强烈造成硐室内浓硫酸蒸汽和氢气超标，当氢气浓度达到 5%下限值时，氢气浓度报警器发出报警信号，同时接通内部继电器常开触点闭合，启动 YBT42-2 轴流通风机，使充电硐室内风流强制循环，将浓硫酸蒸汽和氢气经回风巷道排出。以保持充电硐室内良好的空气成分，维护作业人员的健康和确保矿井安全。

每台电机车配备 2 组蓄电池和 1 台智能充电装置。同时对电机车制动装置、声光信号、电源开关、安全棚部分进行更换（选用具备MA 或KA 标志的备件）。

㈥技术要求如下：

⒈现有 CJY5-6GB/250V 型架线式电机车参数表

电源装置和司控器之间安装1 只225A 直流断路器，用于司控器故障时快速分断供电电源。防爆插头除内置保险管（100A），具有防爆功能外那还具有过流保护作用。智能快速充电机接头和目前的已经改造完毕的蓄电池电机车具有互换性。改造后的电机车外观尺寸满足生产运输要求，适应生产现场。

三、改造后效果：

⒈拆除电机车供电架线，改变供电方式，彻底消除架线与行人距离小的安全隐患，保障井下安全生产。

⒉减少整流柜12 面，减少了长距离供电带来的电压降和线路损耗。

⒊将电阻调速方式改为直流斩波调速，装置电路简单，无失控现象，很少更换触头，大大减少了维修工作量。电机车在力矩不变的情况下起动平稳，调速均匀，过载能力强，机械冲击小，延长设备使用寿命。节约电能30%左右。

⒋整机维护量明显减少，生产运输有了保障。

⒌规范和调整了运输工艺，充分调动生产组织和人员分配，有效保障安全运输作业任务。

⒍消除了井下架线供电引起的杂散电流对电子导爆管触发误爆的隐患。

四、经济效益和社会效益

㈠1、2、3 号井电机车改造完成后，不再使用整流柜，后期井巷开拓及延伸不再需要购置整流柜和安装架线。特别是 1、2 号井各中段北沿探矿线路 1500 多米，若采用架线供电需增加整流柜 6 面以补充电压降。直接经济效益 3.8 万元*6 台=22.8 万元。

㈡改善了井下运输环境，提高了运输效率，极大的保障了井下作业人员安全，降低人工检修时间和维修费用，实现运输管理本质安全，避免安全责任事故，是矿山标准化运输典型推广应用案例。

参考文献

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[2] 广州新线蓄电池电力工程车电气系统设计[J]. 郭婉露;彭新平;刘世杰;付金;刘欢.电力机车与城轨车

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[3] ZER3 型蓄电池电力工程车主电路接地保护电路的优化设计[J]. 刘欢;刘世杰;郭婉露;王文丰.技术与市场,2016(06)