城市軌道交通供電系統(tǒng)自動(dòng)地線裝置的研制

肖世雄

（深圳市地鐵三號(hào)線運(yùn)營(yíng)分公司，518172，深圳∥高級(jí)工程師）

我國(guó)城市軌道交通普遍采用直流電作為列車(chē)的牽引動(dòng)力，牽引供電方式有柔性接觸網(wǎng)、剛性接觸網(wǎng)和接觸軌三種。但是無(wú)論是采用哪一種供電方式，在對(duì)高壓設(shè)備本體及周邊設(shè)備設(shè)施進(jìn)行檢修維護(hù)時(shí)，均需要對(duì)高壓設(shè)備本體停電并掛設(shè)可靠的接地短路線（簡(jiǎn)稱“地線”）。目前，地線掛設(shè)普遍采用人工掛設(shè)的方式：由專業(yè)人員先用直流專用驗(yàn)電器對(duì)接觸網(wǎng)／軌進(jìn)行驗(yàn)電，驗(yàn)明無(wú)電后，再將專用直流金屬地線掛接鋼軌和接觸網(wǎng)／軌；鋼軌和接觸網(wǎng)／軌由金屬地線短路后，即使在人員作業(yè)期間發(fā)生變電所誤送電的事件，也可保證短路大電流經(jīng)地線通過(guò)鋼軌流回變電所負(fù)極柜的母排，實(shí)現(xiàn)斷路器聯(lián)跳斷電，以達(dá)到保護(hù)作業(yè)人員人身安全的作用。

1 人工掛設(shè)地線方式的弊端

1.1 安全隱患

（1）專用直流金屬地線由于經(jīng)常使用，易磨耗和損壞，在鋼軌或接觸軌連接處可能出現(xiàn)掛接不牢靠的現(xiàn)象，使其失去保護(hù)作業(yè)區(qū)域內(nèi)人員人身安全的目的。

（2）在人工掛設(shè)地線的過(guò)程中，作業(yè)人員存在無(wú)意識(shí)碰觸金屬地線的可能，如果驗(yàn)電器失靈而接觸軌仍帶有較高殘余電壓，或接觸軌停電后變電所設(shè)備誤啟動(dòng)自動(dòng)重合閘，或人為誤送電，其中任何一種現(xiàn)象的出現(xiàn)，都勢(shì)必會(huì)對(duì)地線掛設(shè)人員的人身帶來(lái)觸電傷亡的危險(xiǎn)。

1.2 影響有效作業(yè)時(shí)間利用率

地鐵行業(yè)的設(shè)備設(shè)施檢修作業(yè)集中在夜間停運(yùn)時(shí)段，停電作業(yè)時(shí)間非常寶貴，而地線掛設(shè)工作繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)。目前，深圳地鐵龍崗線的地線掛設(shè)和拆除工作，在正線一般需要45 min；車(chē)輛段內(nèi)由于供電分區(qū)復(fù)雜，地線掛設(shè)點(diǎn)多，一般需要60～80 min。地線掛拆工作過(guò)多占用了設(shè)備設(shè)施的有效檢修時(shí)間，嚴(yán)重影響有效作業(yè)時(shí)間的利用率。

如果在正常運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生突發(fā)事件必須應(yīng)急搶修時(shí)，人工掛設(shè)地線耗時(shí)長(zhǎng)的缺點(diǎn)將嚴(yán)重影響應(yīng)急搶修的效率。

2 自動(dòng)地線裝置

在對(duì)地線掛設(shè)的工序流程、保護(hù)工作原理、相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究之后，作者首次提出了采用自動(dòng)地線裝置替代人工完成地線的掛設(shè)和拆除工作的設(shè)想，并積極組織專業(yè)人員對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行了可行性論證、技術(shù)方案確定和樣機(jī)研制等。

自動(dòng)地線裝置可替代傳統(tǒng)人工掛拆模式，在高壓牽引網(wǎng)／軌停電后，對(duì)作業(yè)檢修區(qū)域進(jìn)行接地保護(hù)，確保作業(yè)區(qū)域內(nèi)人員和地線掛設(shè)人員的人身安全。自動(dòng)地線裝置可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控，替代人工現(xiàn)場(chǎng)地線掛拆工作，快速完成地線的掛設(shè)和拆除，提高檢修作業(yè)的有效時(shí)間。

2.1 裝置主要構(gòu)成

自動(dòng)地線裝置由現(xiàn)場(chǎng)子站（裝置本體）和遠(yuǎn)程主站（監(jiān)控系統(tǒng)）兩部分組成（見(jiàn)圖1）。現(xiàn)場(chǎng)子站由儀表室、操作室、觀察窗和帶電警示燈組成。儀表室有前后兩個(gè)室門(mén)，前門(mén)內(nèi)有電動(dòng)操作面板（見(jiàn)圖2），面板上主要有于“電源”、“閉鎖”、“高壓帶電”、“故障指示”指示燈和“遠(yuǎn)方”、“就地”操作模式選擇開(kāi)關(guān)，以及就地電動(dòng)“分閘”與“合閘”操作按鈕；后門(mén)設(shè)置有裝置的電源控制開(kāi)關(guān)。

圖1 自動(dòng)地線裝置

圖2 電動(dòng)操作面板

操作室內(nèi)主要有電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、靜動(dòng)觸刀和手動(dòng)操作面板。自動(dòng)地線裝置的靜觸刀和動(dòng)觸刀分別與接觸軌和鋼軌連接；電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)由電機(jī)、主動(dòng)齒輪、與主動(dòng)齒輪嚙合的轉(zhuǎn)換齒輪及旋轉(zhuǎn)齒輪組成；手動(dòng)操作面板上主要有手動(dòng)操作孔，“合閘”與“分閘”指示燈，“手動(dòng)”、“電動(dòng)”和“閉鎖”模式選擇開(kāi)關(guān)，以及手動(dòng)離合按鈕。

遠(yuǎn)程主站主要由顯示器和主機(jī)構(gòu)成，用于遠(yuǎn)方遙控現(xiàn)場(chǎng)子站。現(xiàn)場(chǎng)子站操作室內(nèi)設(shè)有攝像頭，可通過(guò)遠(yuǎn)程主站的顯示器觀察靜、動(dòng)觸刀的工作位置狀態(tài)和動(dòng)作實(shí)時(shí)過(guò)程。圖3為遠(yuǎn)程主站監(jiān)控系統(tǒng)的可視畫(huà)面。

圖3 遠(yuǎn)程主站監(jiān)控系統(tǒng)可視畫(huà)面

2.2 裝置的技術(shù)特點(diǎn)

1）自動(dòng)地線裝置具有多重聯(lián)鎖功能，能夠杜絕誤操作，電氣安全可靠性高。

（1）設(shè)置雙重聯(lián)鎖，防止接觸軌帶電時(shí)合接地開(kāi)關(guān)。接觸軌帶電時(shí)，聯(lián)鎖功能確保裝置無(wú)法進(jìn)行電動(dòng)操作，并將帶電狀態(tài)傳輸給主機(jī)顯示器進(jìn)行報(bào)警。另用電氣和機(jī)械雙重作用對(duì)接地操作室門(mén)閉鎖，防止人為誤操作。

（2）操作面板設(shè)計(jì)有模式手柄，防止手動(dòng)和電動(dòng)并行操作。電動(dòng)操作模式下，轉(zhuǎn)換齒輪與旋轉(zhuǎn)齒輪嚙合，手動(dòng)操作插口被封堵，杜絕與手動(dòng)操作同時(shí)進(jìn)行；手動(dòng)操作模式下，轉(zhuǎn)換齒輪和旋轉(zhuǎn)齒輪脫離嚙合，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電機(jī)電源，同時(shí)手動(dòng)操作插口開(kāi)啟，能改換手動(dòng)操作搖柄控制動(dòng)、靜觸刀的分合閘。

（3）當(dāng)操作置于鎖定位置時(shí)，手動(dòng)操作插口被封堵，電機(jī)電源被切斷，所有操作無(wú)效，防止操作開(kāi)關(guān)誤碰、誤動(dòng)。

（4）遙控界面設(shè)計(jì)為應(yīng)答式操作模式，防止人為誤操作。

2）具有可視化功能，確保遠(yuǎn)程操作安全。

（1）裝置箱體設(shè)有觀察窗，工作人員能在現(xiàn)場(chǎng)直觀看到靜、動(dòng)觸刀位置狀態(tài)。

（2）在遠(yuǎn)程控制中設(shè)置可視化視窗功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)靜、動(dòng)觸刀位置狀態(tài)的遠(yuǎn)程可視，確保設(shè)備操作安全和運(yùn)行監(jiān)控。

（3）產(chǎn)品具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。打破傳統(tǒng)隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，大膽創(chuàng)新，最終設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出的產(chǎn)品體積不到普通隔離開(kāi)關(guān)體積的四分之一，適合地鐵現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜安裝空間的特點(diǎn)。

3 運(yùn)營(yíng)安全保障

3.1 作業(yè)人身安全保障

接觸軌高壓設(shè)備即使停電后仍然有可能存在較高的殘余電壓，變電所在停電后也存在設(shè)備誤啟動(dòng)、自動(dòng)重合閘或人為誤送電的風(fēng)險(xiǎn)，采用傳統(tǒng)人工接掛地線模式時(shí)，人員接觸高壓帶電設(shè)備觸電傷亡的風(fēng)險(xiǎn)很高。深圳地鐵龍崗線就曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)在停電后對(duì)接觸軌驗(yàn)電時(shí)，發(fā)現(xiàn)接觸軌仍帶有600 V 及其以上殘余電壓的事件，所幸未在此類(lèi)事件中出現(xiàn)人員觸電傷亡事故。

自動(dòng)地線裝置采用單片刀閘式動(dòng)觸刀與多片鴨嘴式（即前開(kāi)口式）靜觸刀的刀閘式電動(dòng)合分閘操作，不需要作業(yè)人員到接觸軌地線掛設(shè)點(diǎn)進(jìn)行人工掛拆。動(dòng)觸刀安裝在絕緣轉(zhuǎn)軸上，導(dǎo)電板安裝在絕緣子上，使動(dòng)觸刀、軟連接、導(dǎo)電板與大地、操作機(jī)構(gòu)金屬殼體均處于絕緣狀態(tài)，在接地通路被斷開(kāi)后（即分閘后），從鋼軌接入導(dǎo)電板的電纜不需要拆除；靜觸臂安裝在絕緣子上，使靜觸刀、靜觸臂與大地、操作機(jī)構(gòu)金屬殼體均處于絕緣狀態(tài)，在接地通路被斷開(kāi)后（即分閘后），從接觸軌接入靜觸臂的電纜不需要拆除。

另外，該裝置著重考慮了多重靈活操作的需求，設(shè)計(jì)了就地手動(dòng)、就地電動(dòng)和遠(yuǎn)程遙控三重操作模式，能在各種條件下（遠(yuǎn)程操作失效或裝置自身失電）實(shí)現(xiàn)非人工掛設(shè)地線的可靠性，能完全避免員工職業(yè)人身安全危害。

3.2 運(yùn)營(yíng)供電安全保障

自動(dòng)地線裝置的動(dòng)觸刀和靜觸刀于分閘位置時(shí)，兩者間斷口的工頻耐壓滿足1 min內(nèi)11 kV 的要求，兩者對(duì)地的工頻耐壓滿足1 min內(nèi)9.2 kV 要求。正常運(yùn)營(yíng)時(shí)段供電分區(qū)可以正常送電，不會(huì)因?yàn)樵撗b置的安裝和使用引發(fā)電客車(chē)日常運(yùn)營(yíng)的次生安全隱患。

3.3 降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度

由于全線（含正線、車(chē)輛段和停車(chē)場(chǎng)）地線掛設(shè)點(diǎn)多，尤其是在車(chē)輛段和停車(chē)場(chǎng)供電分區(qū)復(fù)雜地段地線掛設(shè)點(diǎn)十分分散，相距較遠(yuǎn)，加上地線自身質(zhì)量大，以及驗(yàn)電、放電設(shè)備多等因素，采用傳統(tǒng)人工接掛地線方式時(shí)作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度很大。采用自動(dòng)地線裝置后，可大幅度降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4 運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值

4.1 提高檢修作業(yè)時(shí)間利用率

傳統(tǒng)人工掛拆地線方式過(guò)多占用軌行區(qū)內(nèi)的有限檢修天窗時(shí)間，嚴(yán)重制約地鐵設(shè)備設(shè)施的作業(yè)工時(shí)利用率，而每天晚上的有效檢修施工作業(yè)時(shí)間不到3 h。

自動(dòng)地線裝置由遠(yuǎn)程遙控操作來(lái)實(shí)現(xiàn)，只需1人在3～5 min即可完成地線掛拆的所有工序，在相同的檢修天窗時(shí)間內(nèi)將有效作業(yè)時(shí)間增加40～60 min，提高各專業(yè)系統(tǒng)軌行區(qū)夜班作業(yè)工時(shí)有效利用率25%以上，大幅度提高檢修作業(yè)效率和檢修質(zhì)量。

特別是在運(yùn)營(yíng)時(shí)間如果發(fā)生緊急搶修時(shí)，該裝置的投用可快速確保搶修區(qū)域的作業(yè)安全，大大縮短搶修時(shí)間，保證運(yùn)營(yíng)秩序的快速，其意義尤為重大。

4.2 降低運(yùn)營(yíng)人力資源成本

深圳地鐵龍崗線全線地線掛設(shè)點(diǎn)多，采用傳統(tǒng)的人工掛拆地線模式，人力資源浪費(fèi)的弊端尤其突出：全線（含車(chē)輛段和停車(chē)場(chǎng)）最少需配置地線掛設(shè)人員68人。龍崗線運(yùn)營(yíng)開(kāi)通前，雖然對(duì)接掛地線模式進(jìn)行了詳細(xì)的論證研究，采用跨越供電分區(qū)掛設(shè)地線方式（即正線每?jī)蓚€(gè)牽引所掛設(shè)一組地線，牽引所之間采用聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通），很大限度減少地線掛設(shè)數(shù)量，但配合施工接掛地線工作所消耗人力仍然達(dá)40人。

自動(dòng)地線裝置安裝投用后，采用車(chē)站值班人員等兼職操作，供電專業(yè)用于配合接掛地線的人員可大幅度減少。按照深圳地鐵運(yùn)營(yíng)人員人均12.6萬(wàn)元／年的薪酬成本計(jì)算，采用自動(dòng)地線裝置與現(xiàn)有的越區(qū)人工掛設(shè)地線模式相比，每年可節(jié)約直接人力成本達(dá)504萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益巨大。

如果考慮由于軌行區(qū)作業(yè)效率提高而產(chǎn)生其他相關(guān)專業(yè)人力資源的節(jié)約成本，其經(jīng)濟(jì)效益更為可觀。根據(jù)龍崗線2012年軌道、信號(hào)、常規(guī)機(jī)電設(shè)備維修作業(yè)班次測(cè)算，采用自動(dòng)地線裝置后，可減少軌行區(qū)作業(yè)人員配置10%，折算人力資源薪酬成本每年可節(jié)約226.8萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用自動(dòng)地線裝置，切實(shí)可提高運(yùn)營(yíng)安全管理保障和降低運(yùn)營(yíng)管理成本，提高有效作業(yè)時(shí)間的利用率和降低人力資源成本，在運(yùn)營(yíng)管理模式上產(chǎn)生良性的連鎖反應(yīng)。雖然深圳地鐵龍崗線采用的是接觸軌供電方式，但自動(dòng)地線裝置同樣適用于采用接觸網(wǎng)供電方式的地鐵線路。

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