火灾监测预警在铁路牵引供电系统的应用

2024-01-03牛卫东

设备管理与维修 2023年22期

牛卫东

（国能朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

朔黄铁路山西段位于晋北山区，为温带大陆性气候，常年干燥、少雨，自然植被多山区森林和荆条杂草。铁路牵引接触网通常都是沿着铁路线路进行架设的，其主要特点是线路比较长、覆盖面积比较广、暴露在山区野外等，容易受到外界自然灾害的侵袭而导致故障发生。火山是影响铁路牵引接触网的一个重要因素，本文就重点探究山火对铁路牵引供电设备的影响。

1 山火对接触网线路的危害

春冬季节山火在我国很多地区频繁发生，对铁路供电线路的影响严重，山火的发生很容易导致铁路供电系统跳闸或者被烧毁等，存在着极大安全隐患，对铁路运输是一种很大的威胁。

1.1 对铁路牵引供电系统中绝缘子的影响

对硅橡胶进行垂直水平燃烧试验，可知在高于200 ℃的环境下硅橡胶复合绝缘子的绝缘性能迅速下降，硅橡胶绝缘外层出现流胶外皮硬化等特性。在高于300 ℃温度的环境下，供电系统中的瓷绝缘子的性能会大幅降低，并且其表面会出现裂痕麻点现象。而钢化玻璃绝缘子，如果温度超过330 ℃，其性能就会急速下降且其边缘出现裂痕现象（图1）。

图1 绝缘子耐高温测试数据

由图1 可以看出，高温环境持续时间越长，供电系统中绝缘子的绝缘性能失去的就会越快。如果山火爆发引起火灾并引起绝缘子环境温度持续升高，那么在用水扑灭火灾的过程中，绝缘子一旦受到水的冲刷就极易发生裂痕或酥裂现象。另外，山火会伴随大量的烟灰和浓烟，这样很容易增加绝缘子表面的烟灰密度，从而导致其憎水性和自清洁能力大幅下降，进而加大污闪跳闸的概率。

1.2 对接触导线、附加导线的影响

目前铁路接触导线采用铜材料导线，附加导线材料一般为钢芯铝绞线与钢绞线，山火发生所造成的高温环境会给牵引供电系统中的各种导线造成较大负面作用，尤其是温度上升到400 ℃的时候，供电系统中的附加导线、接触导线等的弹性就会消失，会膨胀且大幅下垂，这样就更易导致导线与周围环境接触的跳闸事故。另外，山火还会导致供电系统各种导线的快速老化，从而增加其危险系数。

1.3 对铁路运输的影响

相关研究表明，火是带电体，当火焰烧到带电线路上时带电线路会短路或接地。铁路线路附近山火过大，火焰烧到接触网线索上时会造成设备短路接地，造成供电设备无法正常运行、列车运行中断，影响铁路运输效率。

2 山火监测预警信息应用

为降低山火隐患对铁路运输安全的威胁，防范山火引起线路跳闸，铁路单位曾加多种直接、便捷的线路山火预警监测方式。

2.1 铁路沿线可视化山火预警信息应用

铁路单位对山火的监察主要由机车运行前端视频、固定摄像视频监测，两种监测方式已大范围使用，沿线电力通道已实现全覆盖，目前应用的视频监控设备均可对外力、山火、异物等各类隐患进行预警。经多年的发展，现场实际运行中，利用大量的电力通道发生山火的图片建立起了丰富的线路山火模型库，通过不断的训练和机器学习，利用“人车地”技术，可以在后台通过机器学习准确地分析出其中是否发生山火、进而给出预警信息，能够满足实际线路运维工作中对山火隐患预警的需求（图2）。

图2 山火监测界面

2.2 铁路沿线红外山火预警信息应用

铁路单位对针对输电线路的山火预警现状，利用红外成像图像技术，红外热成像（IRT）技术使用红外相机采集被测物体和周围环境辐射的红外线，将被测物体和周围环境发出的红外热信号转换成电信号，并生产相应的热场分布温度图。该技术的便利性、灵活性、可靠性和非接触性等优点使其在火灾预警，特定仓库监控和设备故障诊断等领域具有较好的优势，同时受到电磁干扰小，可实现实时监测且检测区域广，被广泛使用。通过物体辐射的波长与该物体温度之间维恩位移定律为：

式中 T——热力学温度，K

λ——辐射波长，μm

由公式可知，物体的温度越高，其辐射波长越小；相反，温度较低的物体辐射出较长的波长。利用不同温度物体向外辐射的波长的不同来判断是否有火情出现，能够对输电线路附近环境的实时监测，能及时有效地发现和控制火情，改善输电线路周围的运行环境，保证供电的可靠性。

3 铁路供电线路山火跳闸原因分析

3.1 山火造成牵引供电设备跳闸事故案例

2022 年12 月13 日15：16：26，某牵引变电站下行线211 供电臂距离I 段保护动作，15：16：28 重合成功。

从相关跳闸参数可知，T 线短路电流与F 线短路电流相近，可怀疑为T 线与F 线短路接地造成设备跳闸（表1）。

表1 变电所馈线断路器跳闸技术参数统计

经现场检查，发现区间261#（K116+900）正馈线绝缘子外表发黑，最下面一片铁帽边缘有轻微烧灼有烧灼痕迹，在大风作用下火势较猛，火苗窜到正馈线绝缘子高度，造成T 线、F 线短路跳闸（图3）。

图3 山火现场

3.2 事故原因分析

铁路牵引供电系统中的线路大多数为裸导线，主要是通过空气与大地周围进行绝缘。环境温度、山火发生带来的微小颗粒和电导率会导致空气的绝缘效果严重下降。按照铁路运行检修规程中相关标准，接触网25 kV 带电导线距离峭壁、挡土墙和岩石地段最小处安全距离为300 mm。

当周围发生火灾时，只要火焰达到一定高度就可随时烧向线索，从而造成跳闸事故（表2）。

表2 跳闸的相关技术参数统计

3.3 导线放电过程分析

在高护坡、高路堑地段火灾发生过程中，会产生非常多的细小颗粒散布到空气中，这时带点介质及其容易附着在空气当中的颗粒上面，并跟随空气流动上升，持续不断地聚集在带电电场周围，以及牵引供电线路带电导线附近的电荷区域。空气中的带电颗粒和导线表面空气中的电荷发生碰撞之后会出现电子崩，由于带有电荷的导线和地面之间所产生的场强非常地弱，因此电子崩不会继续发展下去。

山火燃烧使得周围环境温度快速升高，铁路供电系统中的导线被持续加热，从而导线中大量的电子发生逸出，当地面和供电系统中导线之间的电量超过一定数量时，空气中的带有正电的颗粒就会与电子之间进行复合，从而使得周围电场急速畸变而迸发出光子，出现光子游离的情况，这样就形成衍生电子崩。该电子崩与之前的主电子崩进行汇合形成流注通道，同时击穿空气间隙，从而造成放电跳闸事故。

4 牵引供电线路山火灾害防范措施

（1）提升铁路线路巡视强度。首先工作人员必须详细、全面地弄清楚容易发生火灾的具体区域和低段，对相关区域同铁路其他专业沟通进行联合整治，在秋收后组织人员清理线路附近的杂草、护坡周围的荆条等易燃物，以建立铁路线路间起防火隔离带。

（2）加大铁路线路周围防山火宣传力度。铁路部门工作负责人要积极和铁路途径政府部门联合协作，做好防火救火安全常识的宣传与教育工作。通过联合举办相关知识讲座、网络宣传等方式来对铁路附近的居民进行防火救火知识和相关法律法规的宣传与教育，同时做好与居民群众联系的畅通工作，以便做到一旦发生山火能够及时进行扑救。

（3）建立联络机制。通过与列车司机、车站、铁路派出所等单位建立铁路沿线发现火情交换信息机制，一旦山火火势较大难以进行扑救，一定要及时通知铁路供电部门要求行立即停电，以免造成更大的灾害。

（4）充分利用防山火现代技术。一方面要在铁路线路的杆塔上面安装视频监控系统。针对容易发生山火的地段进行24 h 不间断实时监控，同时要安装报警系统，一旦发生山火苗头就立即报警提醒铁路线路维护工作人员及时采取合理措施进行防护和扑救。另一方面要采取使用较好的耐火材料导线，防止由于山火导致高温而使导线发生较大垂弧、导致跳闸事故。另外，也可以利用现代化科学技术实现山区火灾无人巡视，这样既可以节省人力又可以提高巡视效果。