城市轨道交通供电系统风险分析与防范研究

2023-02-02李立新房慧辰赵伟浩李全阳许红杰

现代职业安全 2023年12期

李立新房慧辰赵伟浩李全阳许红杰

（1.天津东方泰瑞科技有限公司，天津 300113；2.天津一号线轨道交通运营有限公司，天津 300350）

0 引言

城市轨道交通供电系统作为其基础设施之一，承担着向列车提供稳定可靠电力的重要任务。然而，由于供电系统的复杂性和特殊性，其存在一系列的潜在风险，可能会对轨道交通的正常运营和乘客的安全产生重大影响。因此，对城市轨道交通供电系统的风险进行深入分析和研究，是确保供电系统的可靠性和安全性的关键所在。企业通过识别和评估风险，可以采取相应的管理措施，减少事故的发生，提高供电系统的运行效率和稳定性[1-3]。

1 供电系统研究

城市轨道交通供电系统一般包括中压供电网络、牵引供电系统、动力照明供电系统、电力监控系统、杂散电流防护系统。牵引供电系统又包括牵引变电所与牵引网；动力照明供电系统又包括降压变电所与动力照明配电系统。

1.1 中压供电网络

中压供电网络是城市轨道交通供电系统的起始环节，其主要功能是将高压输电线路的电能转换为适合城市轨道交通的中压电能。中压供电网络由变电站、开关站等设施组成，通过中压配电线路将电能输送到各个牵引变电所和动力照明变电所。中压供电网络的稳定性和可靠性对于整个供电系统的运行起着关键作用。中压网络接线原则每个分区由主变电所引两路独立电缆回路供电，中压网络线路末端电压损失不宜超过其额定电压值的5%。

1.2 牵引供电系统

牵引供电系统是为城市轨道交通列车提供动力的关键子系统。它由牵引变电所和牵引网两部分组成。牵引变电所主要负责将中压电能转换为适合列车运行的直流电，供给牵引网。牵引网则是一种通过接触线与集电装置实现列车动力传输的系统，它覆盖在铁路轨道上方，为列车提供电力。牵引供电系统的安全性和稳定性直接影响着列车的正常运行和乘客的出行体验。

正线牵引变电所分布方案是根据线路平纵断面状况、行车组织方案、车辆编组及负荷需求等条件，通过牵引供电计算确定，为保证工程的供电可靠性。

1.3 动力照明供电系统

动力照明供电系统为城市轨道交通车站和隧道等区域提供照明和辅助设备的电力。它由降压变电所和动力照明配电系统组成。降压变电所将中压电能转换为适合照明和辅助设备的低压电能。动力照明配电系统负责将电能输送到车站、站台、通道等各个照明设备和辅助设备。动力照明供电系统的稳定性和效率对于乘客的安全和舒适乘车环境至关重要。

每个地下车站一般设置一座降压变电所（当该站设有牵引变电所时与其合建，形成牵引降压混合变电所），降压变电所设置在车站重负荷端，以减少供电距离。车站内灯具均采用LED 节能型灯具。站台板下安全照明及疏散指示照明采用LED 灯。地下区间正常照明及应急照明均采用防水、防尘、防震LED节能型灯具。照明设计为既可以就地控制（站厅、站台为照明配电室）也可以由设在车站综合控制室BAS系统控制，在照明配电室公共区照明配电箱的馈出回路中设照明控制模块。公共区及隧道内的应急照明可由FAS 系统强启。

1.4 电力监控系统

电力监控系统用于实时监测和管理城市轨道交通供电系统的运行状态。它包括监控中心、监测设备和数据传输系统等组成部分。电力监控系统可以对供电设备进行远程监控和故障诊断，及时发现并解决潜在问题，提高供电系统的可靠性和运行效率。

电力监控系统（SCADA）对牵引降压混合变电所、降压变电所、牵引网等主要供电设施的运行状态及杂散电流的相关参数进行实时监视、控制、数据采集及处理，实现供电设备的自动化调度管理，以确保牵引供电系统和全线的电力变配电系统安全可靠和经济运行。

电力监控系统分为三层：控制中心主站系统、数据传输通信通道、被控站系统。被控站设在牵引降压混合所。监控系统的功能：控制中心主站采用计算机网络技术，整个监控系统按功能分散、任务分担、信息共享的原则设计。被控站为设在各所的综合自动化系统，负责执行端的数据采集、发送及执行监控中心下达的命令。

整个系统能利用显示终端和大屏幕显示器组对各变电所的运行状态进行远方监视，具有遥控、遥信、遥测、遥调功能，并对事故故障信号进行处理，包括灯光、音响信号及记录；系统具有计算、制表等功能，以及在线自检、防干扰、系统自启动、自恢复等功能。

1.5 杂散电流防护

杂散电流防护系统用于防止城市轨道交通供电系统产生的杂散电流对其他设备和系统造成干扰和损害。它采用接地措施和屏蔽装置等技术手段，有效地限制和隔离杂散电流的传播，确保供电系统的稳定运行和其他设备的正常工作。

1.5.1 杂散电流防护方案

1）应确保畅通的牵引回流系统。

2）回流轨系统采用绝缘法安装，以减少杂散电流。

3）利用整体道床内部钢筋作主排流网。盾构隧道采用隔离法。

4）为限制迷流对隧道内各种金属管线的腐蚀及侵入，对管线的布置及接地不可与隧道结构钢筋有直接接触。

5）道床结构段端部必须引出测量和连接端子，以便在适当时机将屏蔽网全部连通。

6）在各牵引变电所内设置排流柜，当轨道绝缘水平降低时启动排流柜排流，限制杂散电流对隧道结构钢筋及隧道内金属构件的腐蚀。并控制杂散电流向隧道外扩散。

7）对地铁内部的金属管线及设备加强绝缘防腐，并限制杂散电流对金属管线及设备的侵入及向地铁系统外部泄漏。

8）迷流防护的测量端子、排流端子尽量采用埋入式端子，其安装位置应靠近走行轨，保证区间作业人员行走安全。

1.5.2 杂散电流监测系统

在车站两端以内50 m 左右的上下行道床及主体结构钢筋上分别设置监测点，在区间内的上下行道床及主体结构钢筋上每250 m 分别设置一处监测点，监测点由传感器和参比电极组成，传感器将采集的模拟信号转换为数字信号，并送至牵引所监测装置进行信息处理，所内监测装置可对传感器实时发布指令进行监测，并将处理信息通过牵引所自动化装置送至控制中心，进行全线的信息处理。监测系统由参比电极、测量端子、传感器、转接器、监测装置及信息传输通道组成。

2 供电系统风险分析

地铁供电系统是城市轨道交通系统中最为重要的基础能源设施，负责为地铁车辆和动力照明负荷提供电源。城市轨道交通用电系统多数为一级用电负荷，须由可靠的电源保证。地铁供电系统要保证轨道交通畅通无阻，安全、可靠、正常运营，防止各类电气事故和灾害的发生。供电系统主要风险及系统可靠性的影响因素如下。

2.1 触电

1）地铁是以电能为牵引动力的城市公共交通运输方式，车辆为电动车组，工程涉及的电气设备种类多、数量多，电压等级不同（高、低、交、直、强、弱）、线路长，容量大；各种高低压变配电装置、动力设备、照明设备、控制电器、电气线路等。如果设计、制造、安装未按有关标准、规范执行；缺少接地、接零保护及剩余电流保护等安全保护措施或保护措施失灵；缺少安全管理，未实施严格的规章制度和操作规程，使运行和维护不当；或因环境条件恶劣（潮湿、腐蚀、振动、高低温等）；或设备自然老化及意外原因遭到破坏与损伤，导致带电部位裸露，当人体不慎触及或过分靠近带电部位及异常情况的跨步电压等，有可能发生电击、电灼伤的触电事故。特别是在检查、检修作业中发生触电事故概率较大。

2）牵引供电接触网有直流电压，正常情况下，对周围的金属结构物会产生静电感应和过电压，若防护措施不当或损坏，当人体不慎触及带电金属结构物，可能发生触电事故。架空接触网检修、维护中易发生触电事故，还易发生高处坠落、车辆伤害事故。

3）日常有带电检修作业，若检修人员违犯操作规程、未佩戴有效的劳动防护用品或使用的工器具绝缘电阻不符合要求，均可能导致检修人员触电。

4）触电事故的特点：事故多因缺乏安全用电知识或不遵守安全操作规程，违章作业所致；低压（220 V ～380 V）触电事故多发。

2.2 火灾、爆炸

1）电气系统的设备、装置、线路因短路、过载、接地、接触不良等故障，会产生电气火花、电弧或者过热，若控制、隔离等防护措施设置不当或失效，均可引起电气火灾。当有瞬时超强短路、过载电流流过时，还会使导线（含母线、开关、触头等）过热，因金属迅速气化而引起爆炸。

2）瓷绝缘由于破损、裂纹及表面严重污秽，其表面绝缘电阻大幅度下降，在空气潮湿或过电压情况下发生电晕、击穿，会使电气设备的瓷绝缘爆裂。

3）由于电缆防护层和绝缘层是由可燃物组成的，若电缆选型、购置、安装不符合工艺规范和安全性要求，或使用中长时间过负荷运行、散热不良，或受外力破坏短路击穿，或因动火作业等外部火源靠近，都会引起电缆着火。由于电气火灾有沿着线路迅速蔓延的特点，如不及时扑灭，会导致事故扩大。

4）不良的自然条件（风、雨、雪、高低温）和工作环境（小动物进入、导电性粉尘、燃爆物堆放、振动、外力破坏等）也可能造成电气设备和线路的绝缘破坏，引发火灾或爆炸事故。

2.3 中毒窒息

35 kV 侧开关柜配置SF6 断路器。SF6 气体相对空气密度为5.11 kg/m3，一旦泄漏并积存于室内空间下部，若通风不好，当SF6 浓度超标、空气中含氧量低于18%时，人员就有缺氧窒息危险。另外SF6 本身虽无毒，但在电弧的高温作用下会分解出或反应生成一些有毒的低氟化物，或与所含微量水分反应产生氟化氢等有强烈腐蚀性的剧毒物质，一旦泄漏会导致人员中毒，尤其当屋内检修SF6 断路器时，若不按规程规定进行或处理不当，其危险更大。另外，电缆绝缘层着火分解出来的有毒气体也能产生使人中毒窒息危险。由于地下相对密闭，危害性更大。

2.4 高处坠落及物体打击

供电系统高处维护检修作业时，若梯、凳、台等的防护措施不符合规范要求，监护不到位，作业人员未佩戴安全带时，有发生高处坠落的危险；也有高处作业人员携带的工具、物品失手坠落，伤及地面人员的物体打击危险。

2.5 电磁辐射

地铁的供变电系统和牵引系统辐射的电磁波可能对线路两侧居民区开路电视信号的接收产生一定的影响。接触网故障放电与受流器离线放电、变电所内变电设施和整流设施运行都会产生高频电磁波，对人有电磁辐射危险。电磁辐射会使人体组织、器官受到伤害，造成功能障碍，甚至会引发人身事故和设备事故。

2.6 电腐蚀

电腐蚀是杂散电流流经地下金属物，如土建结构的钢筋、设备的金属外壳、金属管道、电缆外皮等产生的电化学腐蚀，破坏其强度，降低使用寿命，若维护检修不及时，将威胁列车安全运营，同时杂散电流流经路径产生对地电压，严重时危及人身安全。

2.7 断电危险

电能的供应和传输是地下铁道安全、可靠运行的保证，尽管采取各种措施以保证供电的连续和可靠，但外部城网供电与内部供电网络都不可能永久零故障，中断或部分中断供电的可能是存在的。地铁作为城市交通骨干线路，是出行人员集中的公共场所，特别是地下段，若一旦供电中断，除影响正常运营外，各种不安全因素都有可能造成人员伤害、社会影响和经济损失。

电力系统过电压主要有雷电过电压、操作过电压和谐振过电压；其中谐振过电压在正常运行操作中出现频繁，其危害性较大；过电压一旦发生，往往造成电气设备损坏和大面积的停电事故。特别在中低压电网中过电压事故大多数都是由谐振现象引起的。

继电保护装置是保证电网安全稳定运行的重要设施，在运行中发生误动或拒动，将可能导致电力系统的稳定被破坏、造成相关重大设备严重损坏、或电网瓦解的大面积停电事故。

3 管理措施分析与研究

有效的管理措施对于减少地铁供电系统的风险至关重要。为了应对这些风险，以下是一些管理措施建议：

1）针对触电风险，交通运营公司应按照相关标准和规范设计、制造和安装电气设备，并确保设备的保护措施齐全。严格的安全管理措施、规章制度和操作规程的实施能够确保运营和维护的安全性。此外，定期进行设备检查和维护，及时更换老化设备，修复受损的部件，能够减少触电事故的潜在风险。提供必要的安全培训，确保所有工作人员了解并遵守安全操作规程也是必要的。

2）要应对火灾和爆炸风险，交通运营公司必须定期检查和维护电气设备，确保其正常运行和防护措施的有效性。保持设备的良好通风和散热，以防止过热引发火灾和爆炸。同时，要确保控制、隔离和灭火设备的有效性，并及时处理潜在的引发火灾的因素，如瓷绝缘件。适当的防护措施和培训也很重要，以确保员工能够正确操作和应对火灾和爆炸风险。

3）针对中毒和窒息风险，交通运营公司需要严格遵守操作规程，正确操作、维护和处理SF6 断路器，确保其不泄漏并保持良好的通风状态。此外，也需要对工作人员提供适当的防护设备和培训，以防止中毒和窒息的危险。定期检查电缆绝缘层和防护设施的完整性，可以避免有毒气体泄漏和中毒风险。

4）针对高处坠落和物体打击风险，交通运营公司需要针对员工工作情况提供适当的安全设备和培训，确保在高处维护和检修作业中的员工佩戴安全带并采取防护措施。监护和监督高处作业，确保防护措施符合规范要求。此外，正确使用和固定工具和物品，以防止意外坠落和物体打击也很重要。

5）针对电磁辐射风险，交通运营公司需要根据相关标准和规范限制供变电系统和牵引系统产生的电磁辐射，确保其不会对居民区电视信号和人体健康产生重大影响。定期检测和评估电磁辐射水平，并采取必要的措施以保护员工和居民的健康。

6）针对电腐蚀风险，交通运营公司需要建立定期的维护计划，及时处理电腐蚀问题，防止其对地下金属物和使用寿命造成威胁。保持设备的良好绝缘和接地，以减少对地电压的产生也是重要的措施之一。

7）为了应对断电危险，交通运营公司应配备备用电源和自动切换装置，以确保供电连续性。定期检查和维护外部城网供电和内部供电网络，以减少中断供电的可能性。制定应急响应计划，以便及时应对断电情况，并保障乘客和员工的安全。

所有这些管理措施应与适当的培训和教育配套使用，以确保员工和运营人员了解和遵守相关的安全规定和操作指南。