林擁軍，唐金勝，安生祿，趙萬(wàn)友

0 引言

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的發(fā)展，鐵路干線基本實(shí)現(xiàn)全電氣化和復(fù)線運(yùn)行，鐵路運(yùn)力得到了極大提升。接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設(shè)的為電力機(jī)車提供電力的特殊形式輸電線路，擔(dān)負(fù)著將從牽引變電所獲得的電能直接輸送給電力機(jī)車使用的重要任務(wù)，其質(zhì)量和工作狀態(tài)將直接影響電氣化鐵路的運(yùn)輸能力。由于接觸網(wǎng)露天設(shè)置，且無(wú)備用，線路上的負(fù)荷又是隨著電力機(jī)車的運(yùn)行而沿接觸線移動(dòng)和變化的，因此對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行及時(shí)維護(hù)極為重要。

在鐵路運(yùn)營(yíng)階段，接觸網(wǎng)作業(yè)主要是對(duì)接觸網(wǎng)進(jìn)行日常維護(hù)與維修，以保障鐵路運(yùn)輸安全暢通。根據(jù)線路的實(shí)際情況，接觸網(wǎng)作業(yè)窗口一般分為垂直天窗和V形天窗。垂直天窗是指在列車運(yùn)行圖中開(kāi)設(shè)一個(gè)形狀如矩形的空白運(yùn)行段，以保證在上下行線均停電的情況下對(duì)線路進(jìn)行綜合維修作業(yè)；V形天窗是指電氣化雙線鐵路依照供電臂的結(jié)構(gòu)分別對(duì)上下行正線進(jìn)行停電檢修的天窗[1]。為確保滿足鐵路高速度、高密度、高可靠性、高效率運(yùn)輸組織目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，許多既有200 km/h運(yùn)營(yíng)鐵路干線的軌道、接觸網(wǎng)、特殊構(gòu)筑物檢修天窗均由垂直天窗改為V形天窗[2]。由于V形天窗的特殊性，管理指揮工作量及檢修人員的安全風(fēng)險(xiǎn)都比垂直天窗要大。

1 V 形天窗安全因素分析

V形天窗作業(yè)在一定程度上可以大大提高鐵路運(yùn)輸能力，但同時(shí)也存在一些潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。一方面，因鄰線有電，檢修作業(yè)過(guò)程中易受感應(yīng)電壓影響，增加了檢修人員感應(yīng)電傷害幾率[3]，使得檢修作業(yè)危險(xiǎn)性大大增加。文獻(xiàn)[4]以復(fù)線區(qū)段區(qū)間為例，分別計(jì)算了不停電接觸線對(duì)停電接觸線帶來(lái)的電影響及磁影響。文獻(xiàn)[5]對(duì)接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓和穿越電流的成因、特點(diǎn)及危害進(jìn)行了分析比較，并提出了相應(yīng)的防護(hù)措施。綜合來(lái)看，在接觸網(wǎng)V形天窗作業(yè)中合理地掛設(shè)地線是防止感應(yīng)電危害的關(guān)鍵。一方面，作業(yè)人員及攜帶的工器具、材料等誤入帶電線路，會(huì)造成線路運(yùn)行受阻或行車事故等。同時(shí)，在鄰線帶電的情況下，必須禁止作業(yè)平臺(tái)向帶電線路側(cè)旋轉(zhuǎn)，而實(shí)際作業(yè)過(guò)程中往往出現(xiàn)人員操作失誤或機(jī)械限位失效導(dǎo)致平臺(tái)誤轉(zhuǎn)。工作人員臨場(chǎng)操作失誤導(dǎo)致作業(yè)平臺(tái)錯(cuò)誤地轉(zhuǎn)向帶電一側(cè)的接觸網(wǎng)，往往會(huì)造成工作人員觸電或接觸網(wǎng)短路等危害。雖然在軌道車平臺(tái)使用操作方面各用戶單位都制定了嚴(yán)格的使用操作規(guī)范及完善的卡控措施，但因人員疏忽或其他環(huán)境原因造成人身傷害事故仍然時(shí)有發(fā)生。因此，在現(xiàn)有人防條件基礎(chǔ)上，為徹底杜絕此類誤轉(zhuǎn)向安全事故發(fā)生，有必要采取更加可靠的技防措施。

為了有效防止V 形天窗內(nèi)作業(yè)車平臺(tái)誤轉(zhuǎn)向?qū)е掠|電事故發(fā)生，本文提出通過(guò)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)的方法監(jiān)測(cè)施工線和鄰線接觸網(wǎng)帶電情況，并通過(guò)邏輯控制電路禁止作業(yè)車平臺(tái)轉(zhuǎn)向帶電側(cè)，從而保障作業(yè)安全。

2 接觸網(wǎng)電場(chǎng)分布

監(jiān)測(cè)接觸網(wǎng)帶電情況需要準(zhǔn)確掌握接觸網(wǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度及分布。文獻(xiàn)[6]采用Ansoft 對(duì)不同線間距下的接觸網(wǎng)電場(chǎng)分布情況進(jìn)行了仿真，對(duì)驗(yàn)電死區(qū)的原因進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7]通過(guò)有限元方法對(duì)二維電磁場(chǎng)進(jìn)行了求解，結(jié)合工程實(shí)際適當(dāng)簡(jiǎn)化接觸網(wǎng)模型，采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分的有限元方法，基于Ansoft Maxwell 建立NF 和AT 兩種供電方式下接觸網(wǎng)二維模型，求解在路基區(qū)間的工頻電場(chǎng)環(huán)境。結(jié)果表明，采用自適應(yīng)網(wǎng)格剖分的有限元方法電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值接近。

本文采用ANSYS 對(duì)接觸網(wǎng)27.5 kV 工頻電場(chǎng)進(jìn)行有限元分析。接觸網(wǎng)和承力索處電位為27.5 kV，地面電位為零。建立簡(jiǎn)化有限元分析模型，設(shè)置邊界條件后進(jìn)行計(jì)算。接觸網(wǎng)電位和電場(chǎng)分布如圖1、圖2 所示。

圖1 電位分布云圖（單位：V）

圖2 電場(chǎng)分布云圖（單位：V/m）

由云圖可見(jiàn)，接觸網(wǎng)和承力索周圍電場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)5 000 V/m，向外側(cè)逐漸減小。當(dāng)實(shí)時(shí)測(cè)量出空間工頻電場(chǎng)強(qiáng)度，就能根據(jù)接觸網(wǎng)電場(chǎng)強(qiáng)度及分布特點(diǎn)判斷接觸網(wǎng)是否帶電。

3 電場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元設(shè)計(jì)

在交變電場(chǎng)的作用下，金屬電極表面會(huì)感應(yīng)出與待測(cè)電場(chǎng)同頻率變化的感應(yīng)電荷，對(duì)該感應(yīng)電荷進(jìn)行相應(yīng)處理，得到與待測(cè)電場(chǎng)中成比例關(guān)系的電場(chǎng)測(cè)量信號(hào)，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系計(jì)算出待測(cè)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量。

將交變電場(chǎng)傳感器2 個(gè)電極間產(chǎn)生的感應(yīng)電流或感應(yīng)電壓作為被測(cè)信號(hào)：當(dāng)傳感器的2 個(gè)電極在內(nèi)部經(jīng)電阻短接時(shí)，感應(yīng)電壓在電阻上產(chǎn)生感應(yīng)電流即可作為測(cè)量信號(hào)；當(dāng)傳感器的2 個(gè)電極間接入測(cè)量電容時(shí)，感應(yīng)電荷在電容上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓也可作為測(cè)量信號(hào)。

通過(guò)變換器對(duì)電極上的信號(hào)進(jìn)行采樣，然后對(duì)采樣的信號(hào)進(jìn)行放大，最后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。由于電場(chǎng)采集器可等效為一個(gè)電容傳感器，信號(hào)采集單元將通過(guò)放大電路將電極上的微弱信號(hào)變換為電壓信號(hào)。信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了濾波電路，抑制環(huán)境中的高頻分量。設(shè)計(jì)一級(jí)選頻放大器，該放大器為窄帶放大器，對(duì)50 Hz 分量具有較高的增益，其他頻率分量呈現(xiàn)低增益。由于輸入信號(hào)為非常微弱的交流小信號(hào)，故在設(shè)計(jì)上需采用低噪運(yùn)放進(jìn)行前端的設(shè)計(jì)，采用高信噪比運(yùn)放作為采集單元。原理如圖3 所示。

圖3 電場(chǎng)測(cè)量原理

根據(jù)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)電路原理設(shè)計(jì)制作電路功能模塊，并封裝在塑料盒體中，塑料盒體上預(yù)留安裝接口及電源與信號(hào)接口，制成具備工程應(yīng)用條件的電場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元。電場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元外形如圖4 所示，主要參數(shù)如表1 所示。

圖4 電場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元

表1 電場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元主要參數(shù)

4 電場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元外場(chǎng)測(cè)試

電場(chǎng)監(jiān)測(cè)傳感組件安裝于作業(yè)車平臺(tái)遠(yuǎn)端兩側(cè)，隨V 形天窗作業(yè)任務(wù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試。

下文對(duì)作業(yè)區(qū)間電場(chǎng)測(cè)試情況進(jìn)行分析。其中，VL為指作業(yè)車1 端行駛方向左側(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)，VR為右側(cè)數(shù)據(jù)。VL、VR為無(wú)量綱數(shù)據(jù)，與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。

（1）作業(yè)車行駛在專用線上，遠(yuǎn)離接觸網(wǎng)帶電區(qū)，測(cè)試數(shù)據(jù)小，VL= 0.065，VR= 0.06（圖5）。

圖5 專用線上測(cè)試數(shù)據(jù)

（2）作業(yè)車接近場(chǎng)站，靠近帶電接觸網(wǎng)，右側(cè)傳感器數(shù)值明顯增大，VL= 0.23，VR= 1.515，如圖6 所示。

圖6 接近場(chǎng)站測(cè)試數(shù)據(jù)

（3）車輛進(jìn)入帶電區(qū)，正上方接觸網(wǎng)帶電，傳感器數(shù)值達(dá)到最大，VL= 4.53，VR= 4.5（圖7）。

圖7 接觸網(wǎng)帶電區(qū)數(shù)據(jù)

（4）上方接觸網(wǎng)斷電，右側(cè)鄰線帶電，右側(cè)傳感器數(shù)值較大，VL= 1.55，VR= 4.42（圖8）。

圖8 鄰線帶電測(cè)試數(shù)據(jù)

（5）作業(yè)區(qū)間恢復(fù)供電，測(cè)試數(shù)據(jù)由小達(dá)到最大，VL= 4.53，VR= 4.5，如圖9 所示。

圖9 恢復(fù)供電測(cè)試數(shù)據(jù)

（6）車輛遠(yuǎn)離帶電區(qū)，傳感器數(shù)值逐漸減小，如圖10 所示。

圖10 遠(yuǎn)離帶電區(qū)測(cè)試數(shù)據(jù)

通過(guò)實(shí)際測(cè)試，電場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元能準(zhǔn)確測(cè)量作業(yè)車施工過(guò)程中各工況下接觸網(wǎng)帶電情況，從而能對(duì)施工線路及鄰線是否帶電進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

5 轉(zhuǎn)向報(bào)警裝置組成及工作流程

轉(zhuǎn)向報(bào)警裝置由2 個(gè)電場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元和1 個(gè)控制箱組成。電場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元對(duì)作業(yè)平臺(tái)左右兩側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給控制箱，通過(guò)PLC 對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，判斷接觸網(wǎng)是否帶電。如果平臺(tái)誤轉(zhuǎn)向鄰線非作業(yè)帶電接觸網(wǎng)側(cè)，則作業(yè)平臺(tái)轉(zhuǎn)向報(bào)警裝置自動(dòng)報(bào)警。同時(shí)，通過(guò)邏輯控制電路，禁止平臺(tái)轉(zhuǎn)向帶電一側(cè)。工作原理如圖11 所示。

圖11 轉(zhuǎn)向報(bào)警裝置原理

轉(zhuǎn)向報(bào)警裝置工作流程如圖12 所示。

圖12 轉(zhuǎn)向報(bào)警裝置工作流程

6 效益分析

接觸網(wǎng)作業(yè)車平臺(tái)轉(zhuǎn)向裝置能有效防止V 形天窗作業(yè)過(guò)程中平臺(tái)誤轉(zhuǎn)向帶電側(cè)接觸網(wǎng)，從而避免人員和設(shè)備遭受損害，為軌道車正常作業(yè)提供保障，避免因事故造成作業(yè)施工中斷或延遲，該裝置具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。