矿用车的架线辅助供电技术

在能源问题日益被关注的情况下，架线辅助供电系统也将逐渐受到重视。

如德国的Siemens公司可以根据矿山运行数据如工作循环、生产率需求、运输线路坡度、油价电价等方面内容为矿山提供架线辅助供电系统的可行性分析和制订具体方案，经验证明生产率的提高和能源、维护费用的降低能为矿山提供可观的收益，成本收回期一般在1到3年；还有Siemens的新型的交流驱动在辅助架线系统的性能更为强大，在运行工况下能提供高达5200hp的动力输出，这已远远超过当前任何一款矿用卡车的引擎功率，使车辆的坡道运行速度成倍提升，缩短工作循环周期、提高生产率，如果工作循环时间能减少20%，那么32辆卡车的工作效率就与柴油动力的40台相当......

相比以前的直流传动技术，采用Siemens交流驱动技术的卡车可以在任何速度下进入架线运行状态，并且不受辅助供电电压的限制，另外，车载系统可以匹配当前1400-1600V的直流线路，也可以使用新型更高效的2600V供电线路，甚至混合运行模式，可以自动检测线路电压，根据电压自动选择驱动方式：高压时（如2600V）直接由外部电能驱动或低压时(如1400V)柴油机辅助驱动。目前GE等公司的直流驱动的应用还占主要地位，不过交流驱动是将来的趋势......

Siemens还改进了受电弓，它装有导线位置传感器和并且延伸范围更大、承受导线的起伏和反弹能力更强；公司还可提供架线辅助供电系统的组合式的地面设备，可移动性更好......

日本的Hitachi-Euclid和Komatsu一些型号的矿用车可提供工厂预装的架线辅助供电系统，如Komatsu在去年发布了新型的860E AC电传动矿用自卸车，其有效载荷为254吨，动力系统是2014kW的增压引擎，此车型今年开始限量生产，明年将进行批量生产。

可选装原厂架线辅助供电系统的小松860E AC：



架线辅助供电运行相对于常规柴油动力的优势比较：

◆生产率最大化
坡道运行速度更快（尤其采用新型的交流驱动卡车时），上坡时的卡车速度不再由车载引擎决定，而由外部供电决定：

速度、能量关系式：速度＝能量（动力）/[车辆总重量×9.8×坡度（%）]

由于外部电能输入远远大于目前的柴油发动机功率，所以卡车速度的会大大提升（如2700hp柴油发动机的卡车采用架线辅助供电时动力提升到了5200hp，所以速度相应提高了90%），这样就能加快工作循环或使用较少的车辆。

◆降低燃料消耗和发动机维修、保养费用，延长发动机寿命
如果是常规柴油动力，那么70-80%的燃料被消耗在坡道上，而架线辅助供电可以大降降低这项费用，并且发动机的维修和保养间隔与燃料消耗量成正比，因此此间隔能延长2-3倍。

◆延长轮马达电枢的寿命
由于上坡速度加快，大负荷的坡道运行时间缩短，牵引电机的发热量大大减少。

◆对环境更友好
采用架线辅助供电时发动机基本牌怠速状态，废气排放和噪音都明显减少，提高了空气质量，这点在深凹露天矿尤为重要。

南非Grootegeluk煤矿的常规动力与架线供电对比：

1967年美国Kennecott Copper铜业公司在新墨西哥州的Chiao进行了第一次采用架线辅助供电系统的大型电传动自卸车可行性研究和样机试验，所用的车型是Unit Rig的M100，它装备了700hp的发动机和GE的推进马达，结果证明采用架线辅助运行能让这个装载了123短吨的大家伙在7%的坡道上提高车速136%，不过当时柴油机功率有限，自卸车的速度都不高。 

1967年的M100：



根据KCC的经验，加拿大Quebec Cartier矿业公司在它的Lac Jeaniae铁矿，于1971年将整个生产都改为架线辅助运行，车型包括85短吨KW Dart和Unit Rig M85以及100短吨的Unit Rig M100，直到1977年该矿因铁矿石采尽为止，整个系统使用期间，实现了提高生产率27%，在坡道上减少燃油消耗87%。



南非的Palabora矿山公司在经过论证实地测试后，于1981年将其75台170短吨的Unit Rig卡车改装成架线辅助供电方式，供电电压为1200V，由位于驾驶室上前方的气动集电杆连接到卡车...

复杂的集电装置：

简单了解一下此技术的发展以及谁使用了它：

车辆通过外部供电行驶的想法由来已久，早在1869年，移居到美国的Charles J.Van Depoele发明了一台集电杆受电的有轨道电车系统，并在1882-1883年的芝加哥工业博览会上进行了短轨运行，这个概念在许多铁路上采用，应用于许多国家的铁路上和电车上；在欧洲，因1882年在柏林做了水平双导线供电的车辆运行试验，Werner Von Siemens被认为是“电车之父”...

1889年时的电车：



意大利北部Valtellina的水电站大坝建设时曾使用了电车系统，当时工地中有16车三轴的卡车和4车双轴的牵引车，它们直接由高架线提供的650V直流电进行驱动，运行时间为1938-1962年。

1940年的电车：

美国内华达州的Barrick Goldstrike Mines的辅助系统开始于1993年，它的架线系统由Siemens提供，Caribou公司进行安装，此系统也参照了Palabora的模式，不过尺寸进行了放大以适应该矿较大型号的190短吨卡车，为高负载的悬吊架线结构，1994年10月时有50台Komatsu 685E投入使用，后来又增加到了74台，线路长度也加长到了4.5千米，但是由于矿山计划的改变，这此车可能在8年之前退役。

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同样属于南非ISCOR的Grootegeluk煤矿也使用了此技术，并于2001年改为交流驱动，其电杆的跨度为50米，移动整流站接收11千伏的交流电并向两根高架线提供电能用于驱动卡车，主要车型有Komatsu 730E、Maranthon_LeTourneau 2200和Euclid R280AC。



赞比亚的Lumwana铜矿是非洲大陆上最大的单体铜矿，2007年时Siemens为提供了27台卡车的架线辅助供电系统，采用新型的交流驱动技术。

南非ISCOR（南非钢铁公司）的Sishen铁矿在1979年时，由于油价飞涨和南非政府呼吁减少矿物燃料的使用，建造了7.7千米的辅助供电线路，并于1982年初完成了66台170短吨的卡车的改造。由于此矿山的使用需要，这个系统在以前经验的基础上进行了重新的设计，使车辆能在任何地点进入或退出架线运行状态，并且相关电力设备的可移动性增强，此系统供电线路的电压为1200V。

这里运行有较多型号和数量的卡车：



纳米比亚Nchanga露天矿的部分车型也在上个世纪的80年代使用了辅助供电的方式，这些卡车都是GE的驱动系统，使用集电杆进行连接，目前都已退役。



力拓集团的纳米比亚Rossing Uranium铀矿是Palabora的兄弟矿，在Palabora使用了辅助架线之后，该矿也参照此模式进行了安装。目前有24台730E使用架线辅助供电方式，还有3台小松的PC5500-6液压铲。

总的来说架线辅助供电在全球的应用还很少，除了确实不适用的矿山之外，其不够普及可能是什么原因？

◆不熟悉、不了解
许多用户并不知道架线辅助供电所能提供的优势。

◆认为系统建设、维护和车辆安装的辅助设备费用高、回收投资其长
生产率的提高，尤其对于交流驱动卡车，能源和车辆修保养费用的节省，通常能在1-3年收回设备投资。

◆灵活性不如常规动力车型
这一点可以说是其最大不足，导致许多现有的露天矿不适用于架线辅助供电，不过每个新矿山在设计时都可以考虑使用此技术。



这是一项复杂的工程，也许不适合于所有的矿山，用还是不用，这是个问题，当然要专业公司进行可行性论证和分析。有多少用户会对它有兴趣很难说，是常规柴油动力还是架线辅助供电运行，你想好了吗？

International Salt公司在密西根州的地下矿，通过将直流电动机直接安装在差动器上将一批20短吨的Euclid改装成了电驱动形式，并且将发动机换成了蓄电池，在没有外部能量输入时驱动车辆，这些设备从1939年开始成功使用了二十余年。

1956年，Riverside水泥公司把4辆30短吨的Kenworth机械传动后卸式自卸车，通过安装一台350HP牵引电动机到差动器上，取代机械传动变为电传动，架线系统通过集电杆装置把电力送到牵引电动机，供电电压为550V，使用辅助供电系统后，车辆的坡道运行速度增加了一倍，另外由于工作地点的特殊性还使用了电缆卷盘，这个系统运行了15年直到车队退役。

当年30短吨的Kenworth：



在寻找高负载坡道运行的经济方案时，Berkeley露天铜矿认为电驱动的运输车比机械驱动的效率更高，于是在1958年，它们向有电驱动车辆生产经验的R.G.LeTourneau求助，两年后，一台以过测试后的60短吨非路面卡车被送到了Berkeley，这台车用柴油机带动车载直流电机发电驱动轮毂电机行走，后来R.G.将电驱动技术向前推进了一步，于是出现了架线辅助供电的车型，这台原型车就是TR-60，为大型露天矿的坡道运行而设计，它是一台60短吨承载能力的铰接式车型，最初装有一台335hp的Cummins发动机，试验发现在脱离架线时动力不足，后来改成了双引擎，动力增加了一倍，载重量也提高到了75短吨，TR-60的整个工作生涯都在Berkeley的露天铜矿度过，现如今保存于Butte Mining矿山博物馆。

工程机械领域的传奇人物---R.G.LeTourneau先生：

架线辅助供电运行是电传动自卸车的一大特点，此技术主要适用于坡度较大的深凹露天矿或者是柴油价格远高于电价的地区等，一般是在坑内、水平路面和破碎站附近时由柴油机提供动力，坡道运行时进行辅助供电驱动，此时引擎仅作怠速运转且只需为卡车的助力转向等能耗低的设备提供能量即可。

架线辅助供电运行：



任何东西都不是万能的，当然架线辅助供电也不会例外，它也有自身的缺陷和应用的特定条件，不过随着技术的进步，这方面的限制和影响会越来越小：

卡车架线辅助供电系统的主要问题是初次投资增加、道路灵活性受限制以及在维修和改造方面的花费。路面平坦是采用该系统的首要条件。由于该系统采用架空电线通过集电弓向卡车电动轮供电，因此必须保证集电弓与电线的接触良好，这就要求路面平坦，起伏在集电弓容许的范围之内；另一方面由于架线汽车运行较快且受到架空线的限制，会出现超越其它燃油车辆的情况，就要求道路宽度较一般情况更宽以便超车，卡车的转弯半径也不应小于200m，以保证转向顺利。一般情况下，应尽量保证卡车在水平路段进人架线系统；同时为充分体现架线系统的优势，所有重车上坡段均应布置在架线系统内。经济效益方面，要满足年爬坡运量大于1600万t·km和每L柴油价／每kW·h电价大于4的两项条件，项目投资就可产生经济效益；另外当地电网要能提供所需负荷......

架线辅助供电曾在上个世纪70年代南非得到较多应用，其主要原因是石油禁运和相对便宜的电价；80年代的能源危机，也使架线辅助供电的应用得到了进一步的发展，以减少能源的消耗。最初的系统主要由矿山的内部工程人员开发，因为当时没有哪个厂家提供现成的设备，在今天，许多的矿用卡车制造商都可以提供原厂的架线辅助供电版本的车型。

除了经济性的要求之外，也有一些矿山为了其它目的如降低噪音和污染的目的来使用架线系统，包括Barrick Mine和澳大利亚新南威尔士的Mount Arthur North煤矿等。

以上是全球矿山正在使用或曾经使用过架线辅助供电系统的部分矿山和大型工程。另外在我国的宝日希勒露天矿，为降低生产成本和改善矿坑内的大气环境，符合目前国家节能减排的产业要求，也准备采用架线辅助供电技术进行生产......



架线辅助运行系统的原理并不复杂，在一条坡道上配有二根接触导线，自卸车通过受电弓(或集电杆)接到接触导线上，然后用一定的控制方式把架线电压加到卡车的直流或交流牵引电机，架线辅助运行系统由主要有下几个部分：

1、电源供电设备 
2、集线装置
3、受电器装置 
4、自卸车系统

◆电源供电设备——是接收、变换、分配电能的环节，包括线路隔离开关、变压器、整流器、流断路器等。从理论上，供电系统可以是直流或交流，目前的应用大都采用直流供电系统，利用切换串联降压电阻调节车速，控制系统相对交流供电简单。但随着电力电子技术的进步，PLC技术的应用，交流供电控制复杂的问题已经很好解决。交流供电系统造价低、效率高的优点很明显。

供电设备的变压器，整流器的规格要根据平均负荷和峰值负荷，并按矿内架线运行的自卸车数量比例进行选择。交直流断路器等保护器件的规格则须根据计算出来的故障条件选定。电源供电设备应有完整的两套，其中一套作为备用。

◆集线装置——常用的有导线悬吊架线结构和汇流条架线结构两种。

导线悬吊架线结构是靠导线自重拉紧的，在周围环境温度较高的条件下，为防止导线下垂就需要相对短的电杆跨距(与汇流条架线结构相比较)，还需要拉紧装置用于维修和调节弛度，此方式安装安装较容易、投资少。

汇流条架线结构适用于高生产能力(运输密度大)和坡度为8％或更大的矿山条件。这种结构的优点是电流容量大、寿命长、电压降小、所需变电站少，另外它的安全更好、故障率也低，但是投资较大。

◆受电器装置——相应有受电弓式和集电杆滑块式两种供选择，两种都是气动上举式，为了得到良好的电流接收而没有电弧产生，受电器对架线导体接触压力有重要意义，压力不应小于规定数值，但同时压力也不应太大，以致产生大的磨擦损耗，受电器应该在架线导体高度的工作范围内保证压力变化很小。

对受电器接触导体的要求是：导电性能良好、机械耐磨性能好、比重小，常用的材料有以下几种。 
金属材料：铜、钢、铝
粉末冶金材料：基材为铣或铜 
碳质材料；纯石墨或含金属石墨 
其中金属石墨性能最佳，价格也最高。

受电弓式的优点是操作方便，不受入口限制，可随时随处进入架线运行状态；集电杆滑块式则需要入口导向盘，司机操作相对困难。

◆自卸车系统——分级电阻系统算是目前比较好的选择，它在性能、可靠性、自重、尺寸和成本方面都有优势。

架线运行车辆行走的线路设计和坡道宽度等方面的设计也需要注意，制造商已经注意到了这个问题并且已经开发出了快速安装和拆除系统，不过这种情况在设计时还是要尽量避免为好。架线辅助供电的主要费用在卡车的改装、变电站、高架线系统和电力传输，或许可以用租赁的方式可以减少这些开销。

早期的架线辅助供电技术主要依赖于低电价和高油价来实现运行成本的减少，高性能交流传动技术的出现，使得架线辅助供电的优势变得更大。

受益匪浅啊！就是感觉受灵活性影响非常大！