中国煤科北京华宇张杰高工：矿用蓄电池电机车充配电系统设计探讨

2025年10月16日 15:30 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

随着新能源汽车的快速发展，在矿井辅助运输方式中，矿用蓄电池电机车应用越来越广泛，为之配套的驱动电控系统、信号灯指挥系统、车载充电控制系统、充电系统以及辅助运输车辆高精度导航定位系统、充电桩监控管理平台等技术已非常完善。

地面公共新能源汽车充电站及充电桩的设计已经有相关的地方行业标准，对电动汽车充电基础设施的规模、设计、施工、验收以及运行和维护，都有明确规定。但在煤炭行业中，缺少相关的设计标准、设计规范，针对煤炭行业的特殊性，如何设计出安全可靠、满足实际需求、减少投资的矿用蓄电池电机车充配电系统，缺乏相关的案例分析。

基于此，笔者分析探讨矿用蓄电池电机车充配电系统中涉及到的设备性能参数、运行工况，结合具体工程案例，提出了一种矿用蓄电池电机车充配电系统设计思路。

文章来源：《智能矿山》2025年第9期“革新·改造：优秀 QC 成果”栏目

作者简介：张杰，高级工程师，主要从事矿井及选煤厂供配电、自动控制系统等电气设计工作。E-mail：250167376@qq.com

作者单位：中煤科工集团北京华宇工程有限公司西安分公司

引用格式：张杰.矿用蓄电池电机车充配电系统设计探讨[J].智能矿山，2025，6(9)：41-44.

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充电桩及充电桩配置

1.1 充电桩类型

全球能源结构的转变，电动汽车成了可持续发展的重要组成部分。充电桩作为电动汽车发展的重要基础设施，经历了从无到有，从单一到多元、从非智能到智能充储机器人的发展历程。按输出电流类型分类，充电桩分为交流充电桩和直流充电桩2大类型。

（1）交流充电桩

交流充电桩本身不具有充电功能，只单纯提供电力输出接口，必须连接到电动车或电机车车载充电机，才能为电动汽车电池充电。因车载充电机功率较小，交流充电桩无法实现快速充电，交流充电桩称作慢充。单相慢充车载充电机功率主要在7.2～11 kW，三相慢充车载充电机的功率可达22 kW。由于慢充输出功率低，充电速度慢，充满一般需要6～8 h，适用于家用、商场、超市停车场等场所。

（2）直流充电桩

直流充电桩输出电流为直流，直接为电动汽车电池充电，一般采用三相四线制，功率大于交流慢充功率，输出电压和电流可调范围大，可实现快速充电，因此直流充电桩为快充。目前快充的主流充电模块为15 kW，直流充电桩功率主要为30、45、60、80、120 kW的容量层级，每个充电桩可配置2个或多个充电枪，形成多个充电终端，主要适用于高速公路服务区、大型停车场、星级酒店、大型办公建筑等场所。

煤矿用蓄电池电机车，充电可在地面或井下进行。当设置在地面充电时，充电桩可选用慢充或快充；当设置在井下时，充电桩选用矿用隔爆型，矿用隔爆型充电机输入电压为AC660 V或AC1 140 V，额定输出直流电压为DC24~284 V可调，额定输出直流电流0～200 A可调，标称功率分40、60、80、120 kW。

1.2 充电桩配置设计

煤矿井下采用“四六”工作制，每天3班工作，1班准备。矿用蓄电池电机车作为矿井辅助运输的主要设备，工作方式必须和井下工作制保持一致，在每个工作班，负责将下井工作人员、下井材料等输送到指定工作面。

井下运送人员车辆、运输材料车辆，井下洒水降尘车辆，均选用矿用蓄电池电机车。根据矿用蓄电池电机车的类型、蓄电池容量参数，电能计算为，式中：为电能，为充电功率，为充电时间。计算出充电时间，计算结果可作为选择充电机类型的重要依据，矿用蓄电池电机车充电时间见表1。

表1 矿用蓄电池电机车充电时间

根据《电动汽车充电桩及充电桩建设技术标准》DB13（J）/T 269-2018第4.3.2条，新建建筑物的停车场和城市公共停车场的电动汽车停车位配建指标见表2。

表2 电动汽车停车位配建指标

《电动汽车充电桩及充电桩建设技术标准》中根据车位数量、使用场所，规定配置不同数量的充电桩，符合不同场所地面电动车充电实际需求。笔者研究了此充电车位配建指标与煤矿充电桩的实际运行工况。合理选择充电机类型、配置充电机数量，满足各类电机车充电需要，是设计过程中的重要考虑因素。

（1）煤矿用蓄电池电机车使用存在自身特点，一般换班使用频次较高，其他时间使用频次较低，结合矿用蓄电池电机车容量、充电时间，合理配置不同类型和数量的充电机。

（2）煤矿充电桩无经营目的，选取充电桩时，应从充电时间满足生产需要角度出发，由表1数据分析可知，慢充充电时间为3.3～15.29 h；快充充电时间为0.58～2.68 h；大功率快充充电时间为0.38～1.78 h。井下采用“四六”制，每班都需要电机车运人、运材料，故充电时间需<6 h，否则可能影响矿井生产需要。

鉴于此，煤矿充电桩应以快充充电桩为主，少部分大功率充电桩为辅的原则，配置矿用蓄电池电机车充电桩，满足大部分车辆在0.38～3 h充满，延长电池的使用寿命，一般快充时间越短，充电电压高、电流大，相比对电池的伤害也较大。

充配电系统负荷计算及示例分析

2.1 充配电系统负荷计算

充电设备负荷容量根据充电站内充电机的输入容量、充电机数量、充电机需用系数、充电机同时系数、功率因数cos及发展系数确定，负荷计算中的2个重要参数的数据取值见表3和表4。

表3 需用系数选择

表4 充电桩同时系数选择

表3表明30 kW直流充电设备的需用系数取0.4～0.8，60 kW直流充电设备的需用系数取0.2～0.7，交/直流一体式充电设备的需用系数取0.3～0.6。由于煤矿蓄电池电机车充电桩功率以中功率充电桩为主，辅助少部分大功率充电桩为辅的原则，煤矿充电系统需用系数建议取值0.2～0.7，中功率充电桩数量较多时取上限，大功率充电桩数量较多时取下限。同时系数的取值，根据设备数量，当靠近某一档台数时，靠近表中台数取下限值，在两档台数中间取上限值，用于供电干线的负荷计算时取上限值。

2.2 充电机配置及负荷计算示例

某煤矿井下辅助运输选择矿用蓄电池电机车，分别选运人用矿用防爆蓄电池电机车4辆、指挥用矿用防爆蓄电池电机车3辆、运材料用矿用防爆蓄电池电机车17辆、洒水用矿用防爆蓄电池电机车1辆。各车辆最大班作业时间、往返1次循环时间见表5。

表5 各车辆最大班作业时间平衡表

表5表明，井下共4个工作面，当轮班换休时，最短往返1次循环时间0.61 h，最长循环时间1.21 h（耗时长短与工作面距离有关）。由于煤矿井下采用“四六”工作制，选择充电机时，要求在1个换休班时间内，除去1个班内最长往返时间后，在剩余的时间内必须保证蓄电池车充满，即充电时间≤4.79 h（=6-1.21）。

鉴于此工况，结合表1中的数据分析结论，分别选40 kW和60 kW的2种类型充电机。40 kW充电机用于运人和洒水蓄电池电机车充电用；60 kW充电机用于指挥和材料用蓄电池电机车充电用。

（1）根据电机车数量、倒班时间（6 h/班）及充电时间，运人和洒水蓄电池电机车共5辆（单台充电时间_max=0.58～0.75 h充满，表1数据），配置充电机数量=（_max）/=（5×0.75）/4.79=0.8台，理论计算1台即可满足，考虑备用1台，40 kW的充电机数量按2台配置。

（2）指挥和材料用蓄电池电机车共20辆（单台充电时间0.9～1.78 h充满，表1数据），=（_max）/=（20×1.78）/4.79=7.4台，取整，充电机数量按8台配置，考虑备用1台，共配置60 kW的充电机数量9台。

（3）根据负荷计算公式，需用系数=0.8，单台₄₀=37.43 kV·A， ₆₀=49.1 kV·A，则充电机负荷总容量=0.74（1×37.43+8×49.1）=318.4 kV·A。根据变压器经济运行范围为0.65～0.85，配电变压器容量可选择500 kV·A或400 kV·A，考虑发展系数1.5，最终变压器容量选择800 kV·A。

充电桩供配电系统设计

为满足蓄电池电机车充电需要，在地面无轨胶轮车库设充电机，所有需要充电的蓄电池电机车，均在地面无轨胶轮车库内完成。如果井下辅助运距较远，需在井下设置充电硐室，蓄电池电机车在充电硐室内完成充电，此时充电机选用矿用隔爆型充电机，负荷计算及数量配置，与地面相同。

（1）供配电系统负荷等级

根据《煤炭工业矿井设计规范》GB 50215—2015第12.4.1条，蓄电池电机车充电机不属于一、二级负荷，故按三级负荷供电，充配电系统采用单回路电源供电。

（2）配电系统设计

根据《民用建筑电气设计手册》第4.3.2条，配电变压器的长期工作负荷率不宜>85%，同时考虑矿井开拓延伸后，会增加蓄电池电机车数量，故充电机的发展系数按1.5倍考虑，充配电系统总负荷容量为=1.5×=1.5×318.4=477.6 kV·A，配电变压器容量/0.65=477.6/0.65=734.8 kV·A，最终选择1台800 kV·A干式变压器。

由于充电机单台功率较大，所有充电机均采用放射式供电方式。向充电机供电的电源侧低压断路器，选用有剩余电流保护功能的断路器，动作电流不小于设备正常运行时漏电电流最大值2倍，动作时间≤0.1 s。

配电系统采用TN-S接地型式。由于充电机内部元器件采用可控硅、整流管等电子元器件，在运行过程中，会产生大量谐波，同时系统功率因数要求>0.9，故在变压器低压侧集中设置1套低压SVG动态无功补偿装置，实现无功补偿及谐波治理。

（3）充电机安装位置

充电机为柜机，采用落地安装方式。安装位置按功率由近至远方式布置，即大功率充电机优先布置靠近变电所，依次布置小功率充电机。

充配电系统智能监控系统

在《煤矿安全规程》2024版第524条，电量超过2 kW·h的锂电池动力装置应当具有远程连续监测与安全预警功能；在《电动汽车充电桩及充电桩建设技术标准》DB13（J）/T 269—2018第6.2.1、6.4、6.5条，充配电系统设计时需考虑电气火灾监控系统、电能计量装置、监控系统，为充配电系统的安全运行保驾护航。由于以上系统均为成熟技术，笔者不再展开讨论，但在设计此类项目时，应配套相关监控系统，保证充配电系统的安全性、可靠性。

结语

通过对充电桩性能参数、矿用蓄电池电机车性能参数的分析，结合煤炭行业电机车的运行循环周期、充电时间等因素，提出充电桩选型、负荷计算、充配电系统设计方法，为煤矿蓄电池电机车充配电系统的设计提供参考。充电桩、充电机设计时，需综合考虑矿用蓄电池电机车、矿用防爆充电机、充电监控系统、充电管理云平台等技术发展和设备更新，结合用户需求，设计安全、可靠、经济且满足用户实际需求的矿用蓄电池电机车充配电系统。

编辑丨李莎

审核丨赵瑞

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