礦用車的架線輔助供電技術(shù)

在能源問(wèn)題日益被關(guān)注的情況下，架線輔助供電系統(tǒng)也將逐漸受到重視。

如德國(guó)的Siemens公司可以根據(jù)礦山運(yùn)行數(shù)據(jù)如工作循環(huán)、生產(chǎn)率需求、運(yùn)輸線路坡度、油價(jià)電價(jià)等方面內(nèi)容為礦山提供架線輔助供電系統(tǒng)的可行性分析和制訂具體方案，經(jīng)驗(yàn)證明生產(chǎn)率的提高和能源、維護(hù)費(fèi)用的降低能為礦山提供可觀的收益，成本收回期一般在1到3年；還有Siemens的新型的交流驅(qū)動(dòng)在輔助架線系統(tǒng)的性能更為強(qiáng)大，在運(yùn)行工況下能提供高達(dá)5200hp的動(dòng)力輸出，這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)當(dāng)前任何一款礦用卡車的引擎功率，使車輛的坡道運(yùn)行速度成倍提升，縮短工作循環(huán)周期、提高生產(chǎn)率，如果工作循環(huán)時(shí)間能減少20%，那么32輛卡車的工作效率就與柴油動(dòng)力的40臺(tái)相當(dāng)......

相比以前的直流傳動(dòng)技術(shù)，采用Siemens交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)的卡車可以在任何速度下進(jìn)入架線運(yùn)行狀態(tài)，并且不受輔助供電電壓的限制，另外，車載系統(tǒng)可以匹配當(dāng)前1400-1600V的直流線路，也可以使用新型更高效的2600V供電線路，甚至混合運(yùn)行模式，可以自動(dòng)檢測(cè)線路電壓，根據(jù)電壓自動(dòng)選擇驅(qū)動(dòng)方式：高壓時(shí)（如2600V）直接由外部電能驅(qū)動(dòng)或低壓時(shí)(如1400V)柴油機(jī)輔助驅(qū)動(dòng)。目前GE等公司的直流驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用還占主要地位，不過(guò)交流驅(qū)動(dòng)是將來(lái)的趨勢(shì)......

Siemens還改進(jìn)了受電弓，它裝有導(dǎo)線位置傳感器和并且延伸范圍更大、承受導(dǎo)線的起伏和反彈能力更強(qiáng)；公司還可提供架線輔助供電系統(tǒng)的組合式的地面設(shè)備，可移動(dòng)性更好......

日本的Hitachi-Euclid和Komatsu一些型號(hào)的礦用車可提供工廠預(yù)裝的架線輔助供電系統(tǒng)，如Komatsu在去年發(fā)布了新型的860E AC電傳動(dòng)礦用自卸車，其有效載荷為254噸，動(dòng)力系統(tǒng)是2014kW的增壓引擎，此車型今年開(kāi)始限量生產(chǎn)，明年將進(jìn)行批量生產(chǎn)。

可選裝原廠架線輔助供電系統(tǒng)的小松860E AC：



架線輔助供電運(yùn)行相對(duì)于常規(guī)柴油動(dòng)力的優(yōu)勢(shì)比較：

◆生產(chǎn)率最大化
坡道運(yùn)行速度更快（尤其采用新型的交流驅(qū)動(dòng)卡車時(shí)），上坡時(shí)的卡車速度不再由車載引擎決定，而由外部供電決定：

速度、能量關(guān)系式：速度＝能量（動(dòng)力）/[車輛總重量×9.8×坡度（%）]

由于外部電能輸入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)功率，所以卡車速度的會(huì)大大提升（如2700hp柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的卡車采用架線輔助供電時(shí)動(dòng)力提升到了5200hp，所以速度相應(yīng)提高了90%），這樣就能加快工作循環(huán)或使用較少的車輛。

◆降低燃料消耗和發(fā)動(dòng)機(jī)維修、保養(yǎng)費(fèi)用，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命
如果是常規(guī)柴油動(dòng)力，那么70-80%的燃料被消耗在坡道上，而架線輔助供電可以大降降低這項(xiàng)費(fèi)用，并且發(fā)動(dòng)機(jī)的維修和保養(yǎng)間隔與燃料消耗量成正比，因此此間隔能延長(zhǎng)2-3倍。

◆延長(zhǎng)輪馬達(dá)電樞的壽命
由于上坡速度加快，大負(fù)荷的坡道運(yùn)行時(shí)間縮短，牽引電機(jī)的發(fā)熱量大大減少。

◆對(duì)環(huán)境更友好
采用架線輔助供電時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)基本牌怠速狀態(tài)，廢氣排放和噪音都明顯減少，提高了空氣質(zhì)量，這點(diǎn)在深凹露天礦尤為重要。

南非Grootegeluk煤礦的常規(guī)動(dòng)力與架線供電對(duì)比：

1967年美國(guó)Kennecott Copper銅業(yè)公司在新墨西哥州的Chiao進(jìn)行了第一次采用架線輔助供電系統(tǒng)的大型電傳動(dòng)自卸車可行性研究和樣機(jī)試驗(yàn)，所用的車型是Unit Rig的M100，它裝備了700hp的發(fā)動(dòng)機(jī)和GE的推進(jìn)馬達(dá)，結(jié)果證明采用架線輔助運(yùn)行能讓這個(gè)裝載了123短噸的大家伙在7%的坡道上提高車速136%，不過(guò)當(dāng)時(shí)柴油機(jī)功率有限，自卸車的速度都不高。 

1967年的M100：



根據(jù)KCC的經(jīng)驗(yàn)，加拿大Quebec Cartier礦業(yè)公司在它的Lac Jeaniae鐵礦，于1971年將整個(gè)生產(chǎn)都改為架線輔助運(yùn)行，車型包括85短噸KW Dart和Unit Rig M85以及100短噸的Unit Rig M100，直到1977年該礦因鐵礦石采盡為止，整個(gè)系統(tǒng)使用期間，實(shí)現(xiàn)了提高生產(chǎn)率27%，在坡道上減少燃油消耗87%。



南非的Palabora礦山公司在經(jīng)過(guò)論證實(shí)地測(cè)試后，于1981年將其75臺(tái)170短噸的Unit Rig卡車改裝成架線輔助供電方式，供電電壓為1200V，由位于駕駛室上前方的氣動(dòng)集電桿連接到卡車...

復(fù)雜的集電裝置：

簡(jiǎn)單了解一下此技術(shù)的發(fā)展以及誰(shuí)使用了它：

車輛通過(guò)外部供電行駛的想法由來(lái)已久，早在1869年，移居到美國(guó)的Charles J.Van Depoele發(fā)明了一臺(tái)集電桿受電的有軌道電車系統(tǒng)，并在1882-1883年的芝加哥工業(yè)博覽會(huì)上進(jìn)行了短軌運(yùn)行，這個(gè)概念在許多鐵路上采用，應(yīng)用于許多國(guó)家的鐵路上和電車上；在歐洲，因1882年在柏林做了水平雙導(dǎo)線供電的車輛運(yùn)行試驗(yàn)，Werner Von Siemens被認(rèn)為是“電車之父”...

1889年時(shí)的電車：



意大利北部Valtellina的水電站大壩建設(shè)時(shí)曾使用了電車系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)工地中有16車三軸的卡車和4車雙軸的牽引車，它們直接由高架線提供的650V直流電進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行時(shí)間為1938-1962年。

1940年的電車：

美國(guó)內(nèi)華達(dá)州的Barrick Goldstrike Mines的輔助系統(tǒng)開(kāi)始于1993年，它的架線系統(tǒng)由Siemens提供，Caribou公司進(jìn)行安裝，此系統(tǒng)也參照了Palabora的模式，不過(guò)尺寸進(jìn)行了放大以適應(yīng)該礦較大型號(hào)的190短噸卡車，為高負(fù)載的懸吊架線結(jié)構(gòu)，1994年10月時(shí)有50臺(tái)Komatsu 685E投入使用，后來(lái)又增加到了74臺(tái)，線路長(zhǎng)度也加長(zhǎng)到了4.5千米，但是由于礦山計(jì)劃的改變，這此車可能在8年之前退役。

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同樣屬于南非ISCOR的Grootegeluk煤礦也使用了此技術(shù)，并于2001年改為交流驅(qū)動(dòng)，其電桿的跨度為50米，移動(dòng)整流站接收11千伏的交流電并向兩根高架線提供電能用于驅(qū)動(dòng)卡車，主要車型有Komatsu 730E、Maranthon_LeTourneau 2200和Euclid R280AC。



贊比亞的Lumwana銅礦是非洲大陸上最大的單體銅礦，2007年時(shí)Siemens為提供了27臺(tái)卡車的架線輔助供電系統(tǒng)，采用新型的交流驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

南非ISCOR（南非鋼鐵公司）的Sishen鐵礦在1979年時(shí)，由于油價(jià)飛漲和南非政府呼吁減少礦物燃料的使用，建造了7.7千米的輔助供電線路，并于1982年初完成了66臺(tái)170短噸的卡車的改造。由于此礦山的使用需要，這個(gè)系統(tǒng)在以前經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重新的設(shè)計(jì)，使車輛能在任何地點(diǎn)進(jìn)入或退出架線運(yùn)行狀態(tài)，并且相關(guān)電力設(shè)備的可移動(dòng)性增強(qiáng)，此系統(tǒng)供電線路的電壓為1200V。

這里運(yùn)行有較多型號(hào)和數(shù)量的卡車：



納米比亞Nchanga露天礦的部分車型也在上個(gè)世紀(jì)的80年代使用了輔助供電的方式，這些卡車都是GE的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使用集電桿進(jìn)行連接，目前都已退役。



力拓集團(tuán)的納米比亞Rossing Uranium鈾礦是Palabora的兄弟礦，在Palabora使用了輔助架線之后，該礦也參照此模式進(jìn)行了安裝。目前有24臺(tái)730E使用架線輔助供電方式，還有3臺(tái)小松的PC5500-6液壓鏟。

總的來(lái)說(shuō)架線輔助供電在全球的應(yīng)用還很少，除了確實(shí)不適用的礦山之外，其不夠普及可能是什么原因？

◆不熟悉、不了解
許多用戶并不知道架線輔助供電所能提供的優(yōu)勢(shì)。

◆認(rèn)為系統(tǒng)建設(shè)、維護(hù)和車輛安裝的輔助設(shè)備費(fèi)用高、回收投資其長(zhǎng)
生產(chǎn)率的提高，尤其對(duì)于交流驅(qū)動(dòng)卡車，能源和車輛修保養(yǎng)費(fèi)用的節(jié)省，通常能在1-3年收回設(shè)備投資。

◆靈活性不如常規(guī)動(dòng)力車型
這一點(diǎn)可以說(shuō)是其最大不足，導(dǎo)致許多現(xiàn)有的露天礦不適用于架線輔助供電，不過(guò)每個(gè)新礦山在設(shè)計(jì)時(shí)都可以考慮使用此技術(shù)。



這是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，也許不適合于所有的礦山，用還是不用，這是個(gè)問(wèn)題，當(dāng)然要專業(yè)公司進(jìn)行可行性論證和分析。有多少用戶會(huì)對(duì)它有興趣很難說(shuō)，是常規(guī)柴油動(dòng)力還是架線輔助供電運(yùn)行，你想好了嗎？

International Salt公司在密西根州的地下礦，通過(guò)將直流電動(dòng)機(jī)直接安裝在差動(dòng)器上將一批20短噸的Euclid改裝成了電驅(qū)動(dòng)形式，并且將發(fā)動(dòng)機(jī)換成了蓄電池，在沒(méi)有外部能量輸入時(shí)驅(qū)動(dòng)車輛，這些設(shè)備從1939年開(kāi)始成功使用了二十余年。

1956年，Riverside水泥公司把4輛30短噸的Kenworth機(jī)械傳動(dòng)后卸式自卸車，通過(guò)安裝一臺(tái)350HP牽引電動(dòng)機(jī)到差動(dòng)器上，取代機(jī)械傳動(dòng)變?yōu)殡妭鲃?dòng)，架線系統(tǒng)通過(guò)集電桿裝置把電力送到牽引電動(dòng)機(jī)，供電電壓為550V，使用輔助供電系統(tǒng)后，車輛的坡道運(yùn)行速度增加了一倍，另外由于工作地點(diǎn)的特殊性還使用了電纜卷盤，這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行了15年直到車隊(duì)退役。

當(dāng)年30短噸的Kenworth：



在尋找高負(fù)載坡道運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)方案時(shí)，Berkeley露天銅礦認(rèn)為電驅(qū)動(dòng)的運(yùn)輸車比機(jī)械驅(qū)動(dòng)的效率更高，于是在1958年，它們向有電驅(qū)動(dòng)車輛生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的R.G.LeTourneau求助，兩年后，一臺(tái)以過(guò)測(cè)試后的60短噸非路面卡車被送到了Berkeley，這臺(tái)車用柴油機(jī)帶動(dòng)車載直流電機(jī)發(fā)電驅(qū)動(dòng)輪轂電機(jī)行走，后來(lái)R.G.將電驅(qū)動(dòng)技術(shù)向前推進(jìn)了一步，于是出現(xiàn)了架線輔助供電的車型，這臺(tái)原型車就是TR-60，為大型露天礦的坡道運(yùn)行而設(shè)計(jì)，它是一臺(tái)60短噸承載能力的鉸接式車型，最初裝有一臺(tái)335hp的Cummins發(fā)動(dòng)機(jī)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在脫離架線時(shí)動(dòng)力不足，后來(lái)改成了雙引擎，動(dòng)力增加了一倍，載重量也提高到了75短噸，TR-60的整個(gè)工作生涯都在Berkeley的露天銅礦度過(guò)，現(xiàn)如今保存于Butte Mining礦山博物館。

工程機(jī)械領(lǐng)域的傳奇人物---R.G.LeTourneau先生：

架線輔助供電運(yùn)行是電傳動(dòng)自卸車的一大特點(diǎn)，此技術(shù)主要適用于坡度較大的深凹露天礦或者是柴油價(jià)格遠(yuǎn)高于電價(jià)的地區(qū)等，一般是在坑內(nèi)、水平路面和破碎站附近時(shí)由柴油機(jī)提供動(dòng)力，坡道運(yùn)行時(shí)進(jìn)行輔助供電驅(qū)動(dòng)，此時(shí)引擎僅作怠速運(yùn)轉(zhuǎn)且只需為卡車的助力轉(zhuǎn)向等能耗低的設(shè)備提供能量即可。

架線輔助供電運(yùn)行：



任何東西都不是萬(wàn)能的，當(dāng)然架線輔助供電也不會(huì)例外，它也有自身的缺陷和應(yīng)用的特定條件，不過(guò)隨著技術(shù)的進(jìn)步，這方面的限制和影響會(huì)越來(lái)越小：

卡車架線輔助供電系統(tǒng)的主要問(wèn)題是初次投資增加、道路靈活性受限制以及在維修和改造方面的花費(fèi)。路面平坦是采用該系統(tǒng)的首要條件。由于該系統(tǒng)采用架空電線通過(guò)集電弓向卡車電動(dòng)輪供電，因此必須保證集電弓與電線的接觸良好，這就要求路面平坦，起伏在集電弓容許的范圍之內(nèi)；另一方面由于架線汽車運(yùn)行較快且受到架空線的限制，會(huì)出現(xiàn)超越其它燃油車輛的情況，就要求道路寬度較一般情況更寬以便超車，卡車的轉(zhuǎn)彎半徑也不應(yīng)小于200m，以保證轉(zhuǎn)向順利。一般情況下，應(yīng)盡量保證卡車在水平路段進(jìn)人架線系統(tǒng)；同時(shí)為充分體現(xiàn)架線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，所有重車上坡段均應(yīng)布置在架線系統(tǒng)內(nèi)。經(jīng)濟(jì)效益方面，要滿足年爬坡運(yùn)量大于1600萬(wàn)t·km和每L柴油價(jià)／每kW·h電價(jià)大于4的兩項(xiàng)條件，項(xiàng)目投資就可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益；另外當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)要能提供所需負(fù)荷......

架線輔助供電曾在上個(gè)世紀(jì)70年代南非得到較多應(yīng)用，其主要原因是石油禁運(yùn)和相對(duì)便宜的電價(jià)；80年代的能源危機(jī)，也使架線輔助供電的應(yīng)用得到了進(jìn)一步的發(fā)展，以減少能源的消耗。最初的系統(tǒng)主要由礦山的內(nèi)部工程人員開(kāi)發(fā)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒(méi)有哪個(gè)廠家提供現(xiàn)成的設(shè)備，在今天，許多的礦用卡車制造商都可以提供原廠的架線輔助供電版本的車型。

除了經(jīng)濟(jì)性的要求之外，也有一些礦山為了其它目的如降低噪音和污染的目的來(lái)使用架線系統(tǒng)，包括Barrick Mine和澳大利亞新南威爾士的Mount Arthur North煤礦等。

以上是全球礦山正在使用或曾經(jīng)使用過(guò)架線輔助供電系統(tǒng)的部分礦山和大型工程。另外在我國(guó)的寶日希勒露天礦，為降低生產(chǎn)成本和改善礦坑內(nèi)的大氣環(huán)境，符合目前國(guó)家節(jié)能減排的產(chǎn)業(yè)要求，也準(zhǔn)備采用架線輔助供電技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)......



架線輔助運(yùn)行系統(tǒng)的原理并不復(fù)雜，在一條坡道上配有二根接觸導(dǎo)線，自卸車通過(guò)受電弓(或集電桿)接到接觸導(dǎo)線上，然后用一定的控制方式把架線電壓加到卡車的直流或交流牽引電機(jī)，架線輔助運(yùn)行系統(tǒng)由主要有下幾個(gè)部分：

1、電源供電設(shè)備 
2、集線裝置
3、受電器裝置 
4、自卸車系統(tǒng)

◆電源供電設(shè)備——是接收、變換、分配電能的環(huán)節(jié)，包括線路隔離開(kāi)關(guān)、變壓器、整流器、流斷路器等。從理論上，供電系統(tǒng)可以是直流或交流，目前的應(yīng)用大都采用直流供電系統(tǒng)，利用切換串聯(lián)降壓電阻調(diào)節(jié)車速，控制系統(tǒng)相對(duì)交流供電簡(jiǎn)單。但隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，PLC技術(shù)的應(yīng)用，交流供電控制復(fù)雜的問(wèn)題已經(jīng)很好解決。交流供電系統(tǒng)造價(jià)低、效率高的優(yōu)點(diǎn)很明顯。

供電設(shè)備的變壓器，整流器的規(guī)格要根據(jù)平均負(fù)荷和峰值負(fù)荷，并按礦內(nèi)架線運(yùn)行的自卸車數(shù)量比例進(jìn)行選擇。交直流斷路器等保護(hù)器件的規(guī)格則須根據(jù)計(jì)算出來(lái)的故障條件選定。電源供電設(shè)備應(yīng)有完整的兩套，其中一套作為備用。

◆集線裝置——常用的有導(dǎo)線懸吊架線結(jié)構(gòu)和匯流條架線結(jié)構(gòu)兩種。

導(dǎo)線懸吊架線結(jié)構(gòu)是靠導(dǎo)線自重拉緊的，在周圍環(huán)境溫度較高的條件下，為防止導(dǎo)線下垂就需要相對(duì)短的電桿跨距(與匯流條架線結(jié)構(gòu)相比較)，還需要拉緊裝置用于維修和調(diào)節(jié)弛度，此方式安裝安裝較容易、投資少。

匯流條架線結(jié)構(gòu)適用于高生產(chǎn)能力(運(yùn)輸密度大)和坡度為8％或更大的礦山條件。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是電流容量大、壽命長(zhǎng)、電壓降小、所需變電站少，另外它的安全更好、故障率也低，但是投資較大。

◆受電器裝置——相應(yīng)有受電弓式和集電桿滑塊式兩種供選擇，兩種都是氣動(dòng)上舉式，為了得到良好的電流接收而沒(méi)有電弧產(chǎn)生，受電器對(duì)架線導(dǎo)體接觸壓力有重要意義，壓力不應(yīng)小于規(guī)定數(shù)值，但同時(shí)壓力也不應(yīng)太大，以致產(chǎn)生大的磨擦損耗，受電器應(yīng)該在架線導(dǎo)體高度的工作范圍內(nèi)保證壓力變化很小。

對(duì)受電器接觸導(dǎo)體的要求是：導(dǎo)電性能良好、機(jī)械耐磨性能好、比重小，常用的材料有以下幾種。 
金屬材料：銅、鋼、鋁
粉末冶金材料：基材為銑或銅 
碳質(zhì)材料；純石墨或含金屬石墨 
其中金屬石墨性能最佳，價(jià)格也最高。

受電弓式的優(yōu)點(diǎn)是操作方便，不受入口限制，可隨時(shí)隨處進(jìn)入架線運(yùn)行狀態(tài)；集電桿滑塊式則需要入口導(dǎo)向盤，司機(jī)操作相對(duì)困難。

◆自卸車系統(tǒng)——分級(jí)電阻系統(tǒng)算是目前比較好的選擇，它在性能、可靠性、自重、尺寸和成本方面都有優(yōu)勢(shì)。

架線運(yùn)行車輛行走的線路設(shè)計(jì)和坡道寬度等方面的設(shè)計(jì)也需要注意，制造商已經(jīng)注意到了這個(gè)問(wèn)題并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了快速安裝和拆除系統(tǒng)，不過(guò)這種情況在設(shè)計(jì)時(shí)還是要盡量避免為好。架線輔助供電的主要費(fèi)用在卡車的改裝、變電站、高架線系統(tǒng)和電力傳輸，或許可以用租賃的方式可以減少這些開(kāi)銷。

早期的架線輔助供電技術(shù)主要依賴于低電價(jià)和高油價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行成本的減少，高性能交流傳動(dòng)技術(shù)的出現(xiàn)，使得架線輔助供電的優(yōu)勢(shì)變得更大。

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