接触网作业车平台转向报警装置的设计与应用

2021-03-29林拥军唐金胜安生禄赵万友

电气化铁道 2021年1期

林拥军，唐金胜，安生禄，赵万友

0 引言

随着我国铁路建设的发展，铁路干线基本实现全电气化和复线运行，铁路运力得到了极大提升。接触网是沿铁路线上空架设的为电力机车提供电力的特殊形式输电线路，担负着将从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务，其质量和工作状态将直接影响电气化铁路的运输能力。由于接触网露天设置，且无备用，线路上的负荷又是随着电力机车的运行而沿接触线移动和变化的，因此对接触网进行及时维护极为重要。

在铁路运营阶段，接触网作业主要是对接触网进行日常维护与维修，以保障铁路运输安全畅通。根据线路的实际情况，接触网作业窗口一般分为垂直天窗和V形天窗。垂直天窗是指在列车运行图中开设一个形状如矩形的空白运行段，以保证在上下行线均停电的情况下对线路进行综合维修作业；V形天窗是指电气化双线铁路依照供电臂的结构分别对上下行正线进行停电检修的天窗[1]。为确保满足铁路高速度、高密度、高可靠性、高效率运输组织目标的实现，许多既有200 km/h运营铁路干线的轨道、接触网、特殊构筑物检修天窗均由垂直天窗改为V形天窗[2]。由于V形天窗的特殊性，管理指挥工作量及检修人员的安全风险都比垂直天窗要大。

1 V 形天窗安全因素分析

V形天窗作业在一定程度上可以大大提高铁路运输能力，但同时也存在一些潜在安全风险。一方面，因邻线有电，检修作业过程中易受感应电压影响，增加了检修人员感应电伤害几率[3]，使得检修作业危险性大大增加。文献[4]以复线区段区间为例，分别计算了不停电接触线对停电接触线带来的电影响及磁影响。文献[5]对接触网感应电压和穿越电流的成因、特点及危害进行了分析比较，并提出了相应的防护措施。综合来看，在接触网V形天窗作业中合理地挂设地线是防止感应电危害的关键。一方面，作业人员及携带的工器具、材料等误入带电线路，会造成线路运行受阻或行车事故等。同时，在邻线带电的情况下，必须禁止作业平台向带电线路侧旋转，而实际作业过程中往往出现人员操作失误或机械限位失效导致平台误转。工作人员临场操作失误导致作业平台错误地转向带电一侧的接触网，往往会造成工作人员触电或接触网短路等危害。虽然在轨道车平台使用操作方面各用户单位都制定了严格的使用操作规范及完善的卡控措施，但因人员疏忽或其他环境原因造成人身伤害事故仍然时有发生。因此，在现有人防条件基础上，为彻底杜绝此类误转向安全事故发生，有必要采取更加可靠的技防措施。

为了有效防止V 形天窗内作业车平台误转向导致触电事故发生，本文提出通过电场监测的方法监测施工线和邻线接触网带电情况，并通过逻辑控制电路禁止作业车平台转向带电侧，从而保障作业安全。

2 接触网电场分布

监测接触网带电情况需要准确掌握接触网电场强度及分布。文献[6]采用Ansoft 对不同线间距下的接触网电场分布情况进行了仿真，对验电死区的原因进行了分析。文献[7]通过有限元方法对二维电磁场进行了求解，结合工程实际适当简化接触网模型，采用自适应网格剖分的有限元方法，基于Ansoft Maxwell 建立NF 和AT 两种供电方式下接触网二维模型，求解在路基区间的工频电场环境。结果表明，采用自适应网格剖分的有限元方法电场计算结果和实测值接近。

本文采用ANSYS 对接触网27.5 kV 工频电场进行有限元分析。接触网和承力索处电位为27.5 kV，地面电位为零。建立简化有限元分析模型，设置边界条件后进行计算。接触网电位和电场分布如图1、图2 所示。

图1 电位分布云图（单位：V）

图2 电场分布云图（单位：V/m）

由云图可见，接触网和承力索周围电场强度可达5 000 V/m，向外侧逐渐减小。当实时测量出空间工频电场强度，就能根据接触网电场强度及分布特点判断接触网是否带电。

3 电场监测单元设计

在交变电场的作用下，金属电极表面会感应出与待测电场同频率变化的感应电荷，对该感应电荷进行相应处理，得到与待测电场中成比例关系的电场测量信号，根据相应的数学关系计算出待测点的电场强度，从而实现电场强度测量。

将交变电场传感器2 个电极间产生的感应电流或感应电压作为被测信号：当传感器的2 个电极在内部经电阻短接时，感应电压在电阻上产生感应电流即可作为测量信号；当传感器的2 个电极间接入测量电容时，感应电荷在电容上产生的感应电压也可作为测量信号。

通过变换器对电极上的信号进行采样，然后对采样的信号进行放大，最后通过模数转换将信号转换为数字信号进行处理。由于电场采集器可等效为一个电容传感器，信号采集单元将通过放大电路将电极上的微弱信号变换为电压信号。信号处理电路设计时采用了滤波电路，抑制环境中的高频分量。设计一级选频放大器，该放大器为窄带放大器，对50 Hz 分量具有较高的增益，其他频率分量呈现低增益。由于输入信号为非常微弱的交流小信号，故在设计上需采用低噪运放进行前端的设计，采用高信噪比运放作为采集单元。原理如图3 所示。

图3 电场测量原理

根据电场监测电路原理设计制作电路功能模块，并封装在塑料盒体中，塑料盒体上预留安装接口及电源与信号接口，制成具备工程应用条件的电场监测单元。电场监测单元外形如图4 所示，主要参数如表1 所示。

图4 电场监测单元

表1 电场监测单元主要参数

4 电场监测单元外场测试

电场监测传感组件安装于作业车平台远端两侧，随V 形天窗作业任务进行现场实际测试。

下文对作业区间电场测试情况进行分析。其中，VL为指作业车1 端行驶方向左侧检测数据，VR为右侧数据。VL、VR为无量纲数据，与电场强度成正比。

（1）作业车行驶在专用线上，远离接触网带电区，测试数据小，VL= 0.065，VR= 0.06（图5）。

图5 专用线上测试数据

（2）作业车接近场站，靠近带电接触网，右侧传感器数值明显增大，VL= 0.23，VR= 1.515，如图6 所示。

图6 接近场站测试数据

（3）车辆进入带电区，正上方接触网带电，传感器数值达到最大，VL= 4.53，VR= 4.5（图7）。

图7 接触网带电区数据

（4）上方接触网断电，右侧邻线带电，右侧传感器数值较大，VL= 1.55，VR= 4.42（图8）。

图8 邻线带电测试数据

（5）作业区间恢复供电，测试数据由小达到最大，VL= 4.53，VR= 4.5，如图9 所示。

图9 恢复供电测试数据

（6）车辆远离带电区，传感器数值逐渐减小，如图10 所示。

图10 远离带电区测试数据

通过实际测试，电场监测单元能准确测量作业车施工过程中各工况下接触网带电情况，从而能对施工线路及邻线是否带电进行准确判断。

5 转向报警装置组成及工作流程

转向报警装置由2 个电场监测单元和1 个控制箱组成。电场监测单元对作业平台左右两侧的电场强度同时进行测量，测量数据传送给控制箱，通过PLC 对电场强度数据进行对比分析，判断接触网是否带电。如果平台误转向邻线非作业带电接触网侧，则作业平台转向报警装置自动报警。同时，通过逻辑控制电路，禁止平台转向带电一侧。工作原理如图11 所示。