接觸網(wǎng)作業(yè)車平臺轉(zhuǎn)向報警裝置的設(shè)計與應(yīng)用

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)線運行，鐵路運力得到了極大提升。接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設(shè)的為電力機車提供電力的特殊形式輸電線路，擔(dān)負著將從牽引變電所獲得的電能直接輸送給電力機車使用的重要任務(wù)，其質(zhì)量和工作狀態(tài)將直接影響電氣化鐵路的運輸能力。由于接觸網(wǎng)露天設(shè)置，且無備用，線路上的負荷又是隨著電力機車的運行而沿接觸線移動和變化的，因此對接觸網(wǎng)進行及時維護極為重要。

在鐵路運營階段，接觸網(wǎng)作業(yè)主要是對接觸網(wǎng)進行日常維護與維修，以保障鐵路運輸安全暢通。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行圖中開設(shè)一個形狀如矩形的空白運行段，以保證在上下行線均停電的情況下對線路進行綜合維修作業(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、高效率運輸組織目標(biāo)的實現(xiàn)，許多既有200 km/h運營鐵路干線的軌道、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[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[5]對接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓和穿越電流的成因、特點及危害進行了分析比較，并提出了相應(yīng)的防護措施。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)電場強度及分布。文獻[6]采用Ansoft 對不同線間距下的接觸網(wǎng)電場分布情況進行了仿真，對驗電死區(qū)的原因進行了分析。文獻[7]通過有限元方法對二維電磁場進行了求解，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度可達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度，就能根據(jù)接觸網(wǎng)電場強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度，從而實現(xiàn)電場強度測量。

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行采樣，然后對采樣的信號進行放大，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)計上需采用低噪運放進行前端的設(shè)計，采用高信噪比運放作為采集單元。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)車平臺遠端兩側(cè)，隨V 形天窗作業(yè)任務(wù)進行現(xiàn)場實際測試。

下文對作業(yè)區(qū)間電場測試情況進行分析。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)，與電場強度成正比。

（1）作業(yè)車行駛在專用線上，遠離接觸網(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）車輛進入帶電區(qū)，正上方接觸網(wǎng)帶電，傳感器數(shù)值達到最大，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）車輛遠離帶電區(qū)，傳感器數(shù)值逐漸減小，如圖10 所示。

圖10 遠離帶電區(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)的電場強度同時進行測量，測量數(shù)據(jù)傳送給控制箱，通過PLC 對電場強度數(shù)據(jù)進行對比分析，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)濟效益和社會效益。