隨著新能源汽車的快速發(fā)展，在礦井輔助運(yùn)輸方式中，礦用蓄電池電機(jī)車應(yīng)用越來越廣泛，為之配套的驅(qū)動電控系統(tǒng)、信號燈指揮系統(tǒng)、車載充電控制系統(tǒng)、充電系統(tǒng)以及輔助運(yùn)輸車輛高精度導(dǎo)航定位系統(tǒng)、充電樁監(jiān)控管理平臺等技術(shù)已非常完善。

地面公共新能源汽車充電站及充電樁的設(shè)計已經(jīng)有相關(guān)的地方行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模、設(shè)計、施工、驗收以及運(yùn)行和維護(hù)，都有明確規(guī)定。但在煤炭行業(yè)中，缺少相關(guān)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范，針對煤炭行業(yè)的特殊性，如何設(shè)計出安全可靠、滿足實(shí)際需求、減少投資的礦用蓄電池電機(jī)車充配電系統(tǒng)，缺乏相關(guān)的案例分析。

基于此，筆者分析探討礦用蓄電池電機(jī)車充配電系統(tǒng)中涉及到的設(shè)備性能參數(shù)、運(yùn)行工況，結(jié)合具體工程案例，提出了一種礦用蓄電池電機(jī)車充配電系統(tǒng)設(shè)計思路。

文章來源：《智能礦山》2025年第9期“革新·改造：優(yōu)秀 QC 成果”欄目

作者簡介：張杰，高級工程師，主要從事礦井及選煤廠供配電、自動控制系統(tǒng)等電氣設(shè)計工作。E-mail：250167376@qq.com

作者單位：中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司西安分公司

引用格式：張杰.礦用蓄電池電機(jī)車充配電系統(tǒng)設(shè)計探討[J].智能礦山，2025，6(9)：41-44.

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充電樁及充電樁配置

1.1 充電樁類型

全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，電動汽車成了可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。充電樁作為電動汽車發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，經(jīng)歷了從無到有，從單一到多元、從非智能到智能充儲機(jī)器人的發(fā)展歷程。按輸出電流類型分類，充電樁分為交流充電樁和直流充電樁2大類型。

（1）交流充電樁

交流充電樁本身不具有充電功能，只單純提供電力輸出接口，必須連接到電動車或電機(jī)車車載充電機(jī)，才能為電動汽車電池充電。因車載充電機(jī)功率較小，交流充電樁無法實(shí)現(xiàn)快速充電，交流充電樁稱作慢充。單相慢充車載充電機(jī)功率主要在7.2～11 kW，三相慢充車載充電機(jī)的功率可達(dá)22 kW。由于慢充輸出功率低，充電速度慢，充滿一般需要6～8 h，適用于家用、商場、超市停車場等場所。

（2）直流充電樁

直流充電樁輸出電流為直流，直接為電動汽車電池充電，一般采用三相四線制，功率大于交流慢充功率，輸出電壓和電流可調(diào)范圍大，可實(shí)現(xiàn)快速充電，因此直流充電樁為快充。目前快充的主流充電模塊為15 kW，直流充電樁功率主要為30、45、60、80、120 kW的容量層級，每個充電樁可配置2個或多個充電槍，形成多個充電終端，主要適用于高速公路服務(wù)區(qū)、大型停車場、星級酒店、大型辦公建筑等場所。

煤礦用蓄電池電機(jī)車，充電可在地面或井下進(jìn)行。當(dāng)設(shè)置在地面充電時，充電樁可選用慢充或快充；當(dāng)設(shè)置在井下時，充電樁選用礦用隔爆型，礦用隔爆型充電機(jī)輸入電壓為AC660 V或AC1 140 V，額定輸出直流電壓為DC24~284 V可調(diào)，額定輸出直流電流0～200 A可調(diào)，標(biāo)稱功率分40、60、80、120 kW。

1.2 充電樁配置設(shè)計

煤礦井下采用“四六”工作制，每天3班工作，1班準(zhǔn)備。礦用蓄電池電機(jī)車作為礦井輔助運(yùn)輸?shù)闹饕O(shè)備，工作方式必須和井下工作制保持一致，在每個工作班，負(fù)責(zé)將下井工作人員、下井材料等輸送到指定工作面。

井下運(yùn)送人員車輛、運(yùn)輸材料車輛，井下灑水降塵車輛，均選用礦用蓄電池電機(jī)車。根據(jù)礦用蓄電池電機(jī)車的類型、蓄電池容量參數(shù)，電能計算為，式中：為電能，為充電功率，為充電時間。計算出充電時間，計算結(jié)果可作為選擇充電機(jī)類型的重要依據(jù)，礦用蓄電池電機(jī)車充電時間見表1。

表1 礦用蓄電池電機(jī)車充電時間

根據(jù)《電動汽車充電樁及充電樁建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DB13（J）/T 269-2018第4.3.2條，新建建筑物的停車場和城市公共停車場的電動汽車停車位配建指標(biāo)見表2。

表2 電動汽車停車位配建指標(biāo)

《電動汽車充電樁及充電樁建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中根據(jù)車位數(shù)量、使用場所，規(guī)定配置不同數(shù)量的充電樁，符合不同場所地面電動車充電實(shí)際需求。筆者研究了此充電車位配建指標(biāo)與煤礦充電樁的實(shí)際運(yùn)行工況。合理選擇充電機(jī)類型、配置充電機(jī)數(shù)量，滿足各類電機(jī)車充電需要，是設(shè)計過程中的重要考慮因素。

（1）煤礦用蓄電池電機(jī)車使用存在自身特點(diǎn)，一般換班使用頻次較高，其他時間使用頻次較低，結(jié)合礦用蓄電池電機(jī)車容量、充電時間，合理配置不同類型和數(shù)量的充電機(jī)。

（2）煤礦充電樁無經(jīng)營目的，選取充電樁時，應(yīng)從充電時間滿足生產(chǎn)需要角度出發(fā)，由表1數(shù)據(jù)分析可知，慢充充電時間為3.3～15.29 h；快充充電時間為0.58～2.68 h；大功率快充充電時間為0.38～1.78 h。井下采用“四六”制，每班都需要電機(jī)車運(yùn)人、運(yùn)材料，故充電時間需<6 h，否則可能影響礦井生產(chǎn)需要。

鑒于此，煤礦充電樁應(yīng)以快充充電樁為主，少部分大功率充電樁為輔的原則，配置礦用蓄電池電機(jī)車充電樁，滿足大部分車輛在0.38～3 h充滿，延長電池的使用壽命，一般快充時間越短，充電電壓高、電流大，相比對電池的傷害也較大。

充配電系統(tǒng)負(fù)荷計算及示例分析

2.1 充配電系統(tǒng)負(fù)荷計算

充電設(shè)備負(fù)荷容量根據(jù)充電站內(nèi)充電機(jī)的輸入容量、充電機(jī)數(shù)量、充電機(jī)需用系數(shù)、充電機(jī)同時系數(shù)、功率因數(shù)cos及發(fā)展系數(shù)確定，負(fù)荷計算中的2個重要參數(shù)的數(shù)據(jù)取值見表3和表4。

表3 需用系數(shù)選擇

表4 充電樁同時系數(shù)選擇

表3表明30 kW直流充電設(shè)備的需用系數(shù)取0.4～0.8，60 kW直流充電設(shè)備的需用系數(shù)取0.2～0.7，交/直流一體式充電設(shè)備的需用系數(shù)取0.3～0.6。由于煤礦蓄電池電機(jī)車充電樁功率以中功率充電樁為主，輔助少部分大功率充電樁為輔的原則，煤礦充電系統(tǒng)需用系數(shù)建議取值0.2～0.7，中功率充電樁數(shù)量較多時取上限，大功率充電樁數(shù)量較多時取下限。同時系數(shù)的取值，根據(jù)設(shè)備數(shù)量，當(dāng)靠近某一檔臺數(shù)時，靠近表中臺數(shù)取下限值，在兩檔臺數(shù)中間取上限值，用于供電干線的負(fù)荷計算時取上限值。

2.2 充電機(jī)配置及負(fù)荷計算示例

某煤礦井下輔助運(yùn)輸選擇礦用蓄電池電機(jī)車，分別選運(yùn)人用礦用防爆蓄電池電機(jī)車4輛、指揮用礦用防爆蓄電池電機(jī)車3輛、運(yùn)材料用礦用防爆蓄電池電機(jī)車17輛、灑水用礦用防爆蓄電池電機(jī)車1輛。各車輛最大班作業(yè)時間、往返1次循環(huán)時間見表5。

表5 各車輛最大班作業(yè)時間平衡表

表5表明，井下共4個工作面，當(dāng)輪班換休時，最短往返1次循環(huán)時間0.61 h，最長循環(huán)時間1.21 h（耗時長短與工作面距離有關(guān)）。由于煤礦井下采用“四六”工作制，選擇充電機(jī)時，要求在1個換休班時間內(nèi)，除去1個班內(nèi)最長往返時間后，在剩余的時間內(nèi)必須保證蓄電池車充滿，即充電時間≤4.79 h（=6-1.21）。

鑒于此工況，結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)分析結(jié)論，分別選40 kW和60 kW的2種類型充電機(jī)。40 kW充電機(jī)用于運(yùn)人和灑水蓄電池電機(jī)車充電用；60 kW充電機(jī)用于指揮和材料用蓄電池電機(jī)車充電用。

（1）根據(jù)電機(jī)車數(shù)量、倒班時間（6 h/班）及充電時間，運(yùn)人和灑水蓄電池電機(jī)車共5輛（單臺充電時間_max=0.58～0.75 h充滿，表1數(shù)據(jù)），配置充電機(jī)數(shù)量=（_max）/=（5×0.75）/4.79=0.8臺，理論計算1臺即可滿足，考慮備用1臺，40 kW的充電機(jī)數(shù)量按2臺配置。

（2）指揮和材料用蓄電池電機(jī)車共20輛（單臺充電時間0.9～1.78 h充滿，表1數(shù)據(jù)），=（_max）/=（20×1.78）/4.79=7.4臺，取整，充電機(jī)數(shù)量按8臺配置，考慮備用1臺，共配置60 kW的充電機(jī)數(shù)量9臺。

（3）根據(jù)負(fù)荷計算公式，需用系數(shù)=0.8，單臺₄₀=37.43 kV·A， ₆₀=49.1 kV·A，則充電機(jī)負(fù)荷總?cè)萘?/span>=0.74（1×37.43+8×49.1）=318.4 kV·A。根據(jù)變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍為0.65～0.85，配電變壓器容量可選擇500 kV·A或400 kV·A，考慮發(fā)展系數(shù)1.5，最終變壓器容量選擇800 kV·A。

充電樁供配電系統(tǒng)設(shè)計

為滿足蓄電池電機(jī)車充電需要，在地面無軌膠輪車庫設(shè)充電機(jī)，所有需要充電的蓄電池電機(jī)車，均在地面無軌膠輪車庫內(nèi)完成。如果井下輔助運(yùn)距較遠(yuǎn)，需在井下設(shè)置充電硐室，蓄電池電機(jī)車在充電硐室內(nèi)完成充電，此時充電機(jī)選用礦用隔爆型充電機(jī)，負(fù)荷計算及數(shù)量配置，與地面相同。

（1）供配電系統(tǒng)負(fù)荷等級

根據(jù)《煤炭工業(yè)礦井設(shè)計規(guī)范》GB 50215—2015第12.4.1條，蓄電池電機(jī)車充電機(jī)不屬于一、二級負(fù)荷，故按三級負(fù)荷供電，充配電系統(tǒng)采用單回路電源供電。

（2）配電系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計手冊》第4.3.2條，配電變壓器的長期工作負(fù)荷率不宜>85%，同時考慮礦井開拓延伸后，會增加蓄電池電機(jī)車數(shù)量，故充電機(jī)的發(fā)展系數(shù)按1.5倍考慮，充配電系統(tǒng)總負(fù)荷容量為=1.5×=1.5×318.4=477.6 kV·A，配電變壓器容量/0.65=477.6/0.65=734.8 kV·A，最終選擇1臺800 kV·A干式變壓器。

由于充電機(jī)單臺功率較大，所有充電機(jī)均采用放射式供電方式。向充電機(jī)供電的電源側(cè)低壓斷路器，選用有剩余電流保護(hù)功能的斷路器，動作電流不小于設(shè)備正常運(yùn)行時漏電電流最大值2倍，動作時間≤0.1 s。

配電系統(tǒng)采用TN-S接地型式。由于充電機(jī)內(nèi)部元器件采用可控硅、整流管等電子元器件，在運(yùn)行過程中，會產(chǎn)生大量諧波，同時系統(tǒng)功率因數(shù)要求>0.9，故在變壓器低壓側(cè)集中設(shè)置1套低壓SVG動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償及諧波治理。

（3）充電機(jī)安裝位置

充電機(jī)為柜機(jī)，采用落地安裝方式。安裝位置按功率由近至遠(yuǎn)方式布置，即大功率充電機(jī)優(yōu)先布置靠近變電所，依次布置小功率充電機(jī)。

充配電系統(tǒng)智能監(jiān)控系統(tǒng)

在《煤礦安全規(guī)程》2024版第524條，電量超過2 kW·h的鋰電池動力裝置應(yīng)當(dāng)具有遠(yuǎn)程連續(xù)監(jiān)測與安全預(yù)警功能；在《電動汽車充電樁及充電樁建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》DB13（J）/T 269—2018第6.2.1、6.4、6.5條，充配電系統(tǒng)設(shè)計時需考慮電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、電能計量裝置、監(jiān)控系統(tǒng)，為充配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行保駕護(hù)航。由于以上系統(tǒng)均為成熟技術(shù)，筆者不再展開討論，但在設(shè)計此類項目時，應(yīng)配套相關(guān)監(jiān)控系統(tǒng)，保證充配電系統(tǒng)的安全性、可靠性。

結(jié) 語

通過對充電樁性能參數(shù)、礦用蓄電池電機(jī)車性能參數(shù)的分析，結(jié)合煤炭行業(yè)電機(jī)車的運(yùn)行循環(huán)周期、充電時間等因素，提出充電樁選型、負(fù)荷計算、充配電系統(tǒng)設(shè)計方法，為煤礦蓄電池電機(jī)車充配電系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。充電樁、充電機(jī)設(shè)計時，需綜合考慮礦用蓄電池電機(jī)車、礦用防爆充電機(jī)、充電監(jiān)控系統(tǒng)、充電管理云平臺等技術(shù)發(fā)展和設(shè)備更新，結(jié)合用戶需求，設(shè)計安全、可靠、經(jīng)濟(jì)且滿足用戶實(shí)際需求的礦用蓄電池電機(jī)車充配電系統(tǒng)。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

期刊簡介

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