新能源电池系统在焊轨绿色施工中的应用

摘要：在地铁、国铁隧道内的焊轨施工中使用发电机会产生有毒有害尾气、粉尘和噪声，危及施工人员的健康和安全，为此提出了使用新能源电池系统替换发电机的建议，该套系统静音、无污染，在降低能耗的同时为施工人员提供了良好的作业环境，符合节能环保要求。

关键词：焊轨;新能源;逆变;磷酸铁锂电池

0 引言

地铁、国铁隧道内焊轨施工属于有限空间作业，隧道内通风不畅，发电机排放的有毒有害气体和作业中产生的粉尘不易消散，同时发电机工作过程中产生较大噪声，施工人员长时间在此种环境下工作将严重影响其身体健康，还可能引发有害气体中毒事件，危及施工人员的生命安全。在此背景下，研发新能源电池系统替换发电机成为了大势所趋。我公司于2019年7月开始在石家庄地铁试用了一套新能源电池系统样机，该套设备静音、无污染，在降低能耗的同时为施工人员提供了良好的作业环境，符合节能环保要求。

1 设计方案介绍

使用新能源电池系统替换发电机的方案是将焊轨后续工位柴（汽）油小型发电机全部更换为新能源电池系统，达到节能环保、降噪降尘、使用便捷的目的。新能源电池系统采用锂电池充电模式，并经直流逆变及变频技术，将直流电逆变变频为电机运行所需要的交流电。充电一次能够满足单班工作8～10 h的工况需求。

经现场实际调研，焊轨后续施工现场工作流程分4项，分别为除锈工位、正火工位、粗磨工位、细磨工位。其中，除锈工位使用直向砂輪机2台，正火工位使用自吸泵1台，粗磨工位使用直向砂轮机2台，细磨工位使用仿形机1台和角向磨光机1台。

除锈工位用电设备使用220 V电压，功率为2×1.05 kW;正火工位用电设备使用220 V电压，功率为0.125 kW;粗磨工位用电设备使用220 V电压，功率为2×1.05 kW;细磨工位用电设备使用380 V电压，功率为2.2 kW。

锂电池组采用多个3.2 V、6 Ah磷酸铁锂电池组成一个整体，设计DC64 V，容量90 Ah;单相逆变器额定功率3 500 W，三相逆变器额定功率8 000 W。

整套系统采用模块化组合，用快速航插连接，实现现场快速便捷连接使用要求。

新能源电池系统实物如图1所示。

2 新能源电池系统现场使用情况及应用优势

2.1    现场使用情况

2019年7月20日，新能源电池系统在石家庄地铁焊轨施工现场细磨工位和粗磨工位进行使用，并对工作量、耗电情况、工作时间及故障问题进行了记录。

新能源电池系统充电一次，在粗磨工位使用时长为6～7 h，工作量达22～26个焊头;在细磨工位使用时长为6～7 h，工作量达22～26个焊头，基本满足现场施工需要。

新能源电池系统施工现场使用情况如图2所示。

2.2    应用优势

（1）采用磷酸铁锂电池作为储能设备，技术成熟，安全，循环寿命长，自放电率小，无记忆效应，一般情况下其循环运用寿命可以达2 000次。

（2）采用新能源电池系统替换发电机，可以避免使用和储存散装汽油的风险，而且使用成本较低。同时在现场使用可以发现，新能源电池系统调试正常后，故障率较低，省去了维修传统发电机的时间和费用。

（3）采用新能源电池系统后，现场作业环境得到了极大提升，消除了传统发电机尾气排放有毒有害气体危及施工人员健康安全的风险，得到了现场施工人员的广泛好评。

3 新能源电池系统存在的问题及优化建议

3.1    存在问题

（1）新能源电池系统整体重量达110～130 kg，现场机具上下道及长距离搬运不方便;

（2）三相逆变器使用过程中，前后75 m范围内对探伤仪信号造成干扰，致使探伤仪草状波明显跳动，无法作业。

3.2    优化建议

3.2.1    电池轻量化及续航能力的优化建议

（1）原有电池系统为单个磷酸铁锂电池组成的一个整体，我们考虑将电池系统拆分为4个电池组进行串联，每个电池组采用5块3.2 V、200 Ah的磷酸铁锂电池串联形式，每块磷酸铁锂电池重量为4 kg。电池系统额定能量UI=（3.2×5）×4×200=12.8 kWh。

（2）每个电池组的理论重量为20 kg，整个电池系统重量约为80～100 kg，每个电池组可拆分单独充电。充电采用3 kW、60 V直流充电器，可用市电或发电机充电，充电时间4～5 h。

（3）电池在工作过程中会散发大量热量，为保证安全，我们建议改进的电池组和电池系统外壳均采用铝质材料，表面做氧化处理，这样既不消耗能源，保证散热，还可以起到绝缘作用。同时上盖面做防水弹性贴，免受隧道内滴水或潮湿环境的影响。

电池组及电池系统模型分别如图3、图4所示。

3.2.2    对探伤仪干扰的优化建议

针对电瓶驱动设备对探伤仪的干扰，我们建议从工装入手，将现有的用电设备（直向砂轮机、角向磨光机、仿形机）用电由交流方式改为直流方式，即采用直流无刷电机，配合相应电池系统选型，这样可以省去直流电源逆变交流电源，避免逆变器工作对探伤仪造成干扰，而且可以使整体系统减重。

4 结语

新能源电池系统在焊轨施工中的应用是工程建设项目实行节能环保措施的最好实践。截至目前新能源电池系统在石家庄地铁现场施工使用近半年，系统整体运行稳定，现场作业环境得到了极大提升，保证了现场施工人员的身体健康，后续将进一步研究电池组使用寿命和低温下电池组续航能力等相关问题。

[参考文献]

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[2] 张友军.DC/AC逆变器技术及其应用综述[J].电气开关，2004，42（6）：18-22.

[3] 张嵩，丁广乾，胡铁军，等.磷酸铁锂电池性能与应用研究[J].山东电力技术，2012（3）：65-68.

收稿日期：2020-01-22

作者简介：陶旭（1986—），男，陕西西安人，工程师，研究方向：钢轨焊接。