林擁軍，唐金勝，安生祿，趙萬友

0 引言

隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展，鐵路干線基本實現(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)行而沿接觸線移動和變化的，因此對接觸網(wǎng)進(jìn)行及時維護(hù)極為重要。

在鐵路運(yùn)營階段，接觸網(wǎng)作業(yè)主要是對接觸網(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)行圖中開設(shè)一個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)的實現(xiàn)，許多既有200 km/h運(yùn)營鐵路干線的軌道、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，但同時也存在一些潛在安全風(fēng)險。一方面，因鄰線有電，檢修作業(yè)過程中易受感應(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)危險性大大增加。文獻(xiàn)[4]以復(fù)線區(qū)段區(qū)間為例，分別計算了不停電接觸線對停電接觸線帶來的電影響及磁影響。文獻(xiàn)[5]對接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓和穿越電流的成因、特點及危害進(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，會造成線路運(yùn)行受阻或行車事故等。同時，在鄰線帶電的情況下，必須禁止作業(yè)平臺向帶電線路側(cè)旋轉(zhuǎn)，而實際作業(yè)過程中往往出現(xiàn)人員操作失誤或機(jī)械限位失效導(dǎo)致平臺誤轉(zhuǎn)。工作人員臨場操作失誤導(dǎo)致作業(yè)平臺錯誤地轉(zhuǎn)向帶電一側(cè)的接觸網(wǎng)，往往會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)車平臺誤轉(zhuǎn)向?qū)е掠|電事故發(fā)生，本文提出通過電場監(jiān)測的方法監(jiān)測施工線和鄰線接觸網(wǎng)帶電情況，并通過邏輯控制電路禁止作業(yè)車平臺轉(zhuǎn)向帶電側(cè)，從而保障作業(yè)安全。

2 接觸網(wǎng)電場分布

監(jiān)測接觸網(wǎng)帶電情況需要準(zhǔn)確掌握接觸網(wǎng)電場強(qiáng)度及分布。文獻(xiàn)[6]采用Ansoft 對不同線間距下的接觸網(wǎng)電場分布情況進(jìn)行了仿真，對驗電死區(qū)的原因進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[7]通過有限元方法對二維電磁場進(jìn)行了求解，結(jié)合工程實際適當(dāng)簡化接觸網(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計算結(jié)果和實測值接近。

本文采用ANSYS 對接觸網(wǎng)27.5 kV 工頻電場進(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。建立簡化有限元分析模型，設(shè)置邊界條件后進(jìn)行計算。接觸網(wǎng)電位和電場分布如圖1、圖2 所示。

圖1 電位分布云圖（單位：V）

圖2 電場分布云圖（單位：V/m）

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

3 電場監(jiān)測單元設(shè)計

在交變電場的作用下，金屬電極表面會感應(yīng)出與待測電場同頻率變化的感應(yīng)電荷，對該感應(yīng)電荷進(jìn)行相應(yīng)處理，得到與待測電場中成比例關(guān)系的電場測量信號，根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學(xué)關(guān)系計算出待測點的電場強(qiáng)度，從而實現(xiàn)電場強(qiáng)度測量。

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

通過變換器對電極上的信號進(jìn)行采樣，然后對采樣的信號進(jìn)行放大，最后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行處理。由于電場采集器可等效為一個電容傳感器，信號采集單元將通過放大電路將電極上的微弱信號變換為電壓信號。信號處理電路設(shè)計時采用了濾波電路，抑制環(huán)境中的高頻分量。設(shè)計一級選頻放大器，該放大器為窄帶放大器，對50 Hz 分量具有較高的增益，其他頻率分量呈現(xiàn)低增益。由于輸入信號為非常微弱的交流小信號，故在設(shè)計上需采用低噪運(yùn)放進(jìn)行前端的設(shè)計，采用高信噪比運(yùn)放作為采集單元。原理如圖3 所示。

圖3 電場測量原理

根據(jù)電場監(jiān)測電路原理設(shè)計制作電路功能模塊，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接口，制成具備工程應(yīng)用條件的電場監(jiān)測單元。電場監(jiān)測單元外形如圖4 所示，主要參數(shù)如表1 所示。

圖4 電場監(jiān)測單元

表1 電場監(jiān)測單元主要參數(shù)

4 電場監(jiān)測單元外場測試

電場監(jiān)測傳感組件安裝于作業(yè)車平臺遠(yuǎn)端兩側(cè)，隨V 形天窗作業(yè)任務(wù)進(jìn)行現(xiàn)場實際測試。

下文對作業(yè)區(qū)間電場測試情況進(jìn)行分析。其中，VL為指作業(yè)車1 端行駛方向左側(cè)檢測數(shù)據(jù)，VR為右側(cè)數(shù)據(jù)。VL、VR為無量綱數(shù)據(jù)，與電場強(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)，測試數(shù)據(jù)小，VL= 0.065，VR= 0.06（圖5）。

圖5 專用線上測試數(shù)據(jù)

（2）作業(yè)車接近場站，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 接近場站測試數(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 鄰線帶電測試數(shù)據(jù)

（5）作業(yè)區(qū)間恢復(fù)供電，測試數(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)測試數(shù)據(jù)

通過實際測試，電場監(jiān)測單元能準(zhǔn)確測量作業(yè)車施工過程中各工況下接觸網(wǎng)帶電情況，從而能對施工線路及鄰線是否帶電進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

5 轉(zhuǎn)向報警裝置組成及工作流程

轉(zhuǎn)向報警裝置由2 個電場監(jiān)測單元和1 個控制箱組成。電場監(jiān)測單元對作業(yè)平臺左右兩側(cè)的電場強(qiáng)度同時進(jìn)行測量，測量數(shù)據(jù)傳送給控制箱，通過PLC 對電場強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，判斷接觸網(wǎng)是否帶電。如果平臺誤轉(zhuǎn)向鄰線非作業(yè)帶電接觸網(wǎng)側(cè)，則作業(yè)平臺轉(zhuǎn)向報警裝置自動報警。同時，通過邏輯控制電路，禁止平臺轉(zhuǎn)向帶電一側(cè)。工作原理如圖11 所示。

圖11 轉(zhuǎn)向報警裝置原理

轉(zhuǎn)向報警裝置工作流程如圖12 所示。

圖12 轉(zhuǎn)向報警裝置工作流程

6 效益分析

接觸網(wǎng)作業(yè)車平臺轉(zhuǎn)向裝置能有效防止V 形天窗作業(yè)過程中平臺誤轉(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)效益和社會效益。