国铁供电系统接触网检修设备研究与应用

0引言

近些年来,我国高速铁路建设飞速发展,对铁路电网稳定高效运行的要求变得越来越高, 日常检修成为预防电网故障的首要手段。在铁路电气化区段接触网停电检修作业中,为保证作业人员人身安全,通常会根据地线流经短路电流或感应电流原理,采用挂接地线操作预防作业线路两端突发来电。国铁电气化区段在接触网停电检修天窗作业中普遍使用了接地线、地线靴等设备,但现有设备存在以下问题:

1)使用成本方面:现有设备收益率不高,损坏率高,使用流程烦琐。

2)检修天窗利用率方面:接地线环节需较长时间,导致天窗作业利用率低。

3)安全方面:接地线可靠性较差,导致安全事故频发。据统计,近年来国内外均有天窗施工作业人员、接地线操作人员发生安全事故。

1 研究现状

1.1检修设备现状

铁路供电系统中,接触网防脱式地线靴(图1)是一种关键的安全防护设备,主要用于在接触网检修或停电作业中确保接地线人员的人身安全,防止因接地线操作人员未按接地线操作流程作业而受到感应电伤害。

该装置能很好地将接地线缆卡固在钢轨上,因结构简单,其被广泛应用于铁路供电线路检修作业,使用过程中,该装置的不足也逐渐显露了出来,具体如下:

1)拉杆上打孔挂挂锁,使用不便。每次上锁、开锁需要双手操作,耗时费力,影响工作效率。另外,因为挂锁锁梁和压紧螺母之间存在一些间隙,螺母有可能松动,存在接地不良的风险。

2)结构存在缺陷,线缆容易折断。在拧紧或拧松螺母时,由于摩擦力的作用,接地线缆的线鼻子会跟随螺母旋转,造成线鼻子来回摆动,使得接地线缆与铜线鼻子连接处的线缆来回打弯,引起线缆在连接处疲劳断裂。拖动电缆时,电缆带动线鼻子转动,也可能使螺母松动,从而引起接地不良。

1.2电致可发光材料研究

电致发光效应是一种材料在电场的作用下将电能转化为光辐射的现象[1],包括低场电致发光和高场电致发光。低场电致发光一般利用PN结发光;高场电致发光是通过直流/交流电场的激发,使电子在电场作用下加速撞击发光中心,当发光中心被激发或离化后,通过电子和空穴的作用复合发光,或者利用电子在退激发的过程中将电能转化为光能的固体发光现象[2]。国外学者Fischer等人提出了双极性场发射模型,其原理可解释为基于zns:CU材料的电致可发光原理;Adachi团队开发出了一种高效的电致可发光材料DACT—Ⅱ。国内的张靖羚等人合成了一批高效率红光可发光材料[3];陈佳等人分析了zns:CU材料的交流电压传感特性,对发光亮度、最小起始电压等开展了研究[4]。

电致可发光材料自发明之初,已逐渐形成以有机发光器件(OLED)、量子点发光器件(QLED)、分子发光器件(PLED)、交流电致发光器件(ACEL)等多个分支为核心多向发展的态势。其中ACEL器件因其较为优异的性能,从各种器件中脱颖而出,成为电致可发光材料的重要研究方向之一。在机械性能方面,ACEL器件由无机材料构成,可制成微米级厚度的薄膜,具有优异的柔性和可拉伸性;在电气性能方面,区别于有机发光器件的直流驱动,交流电致发光器件采用交流电源系统,使其具有驱动电流小和功率低的特点,很好地减少了直流驱动设备所需的整流器件。因此,相比于其他发光体系对于制备条件的高要求,制备工艺简单经济成为ACEL器件的一大优势。本研究以无机电致变色材料(WO3)、有机电致变色材料(聚噻吩类及其衍生物)为基础,开展设备应用试验,最终确定选择掺杂铜元素的硫化锌(zns:CU)用作检修设备上缆线的试验材料,实现感应电过限自亮警示,确保检修人员作业安全[5]。

2新型检修装置的开发

2.1 技术背景

为保障列车运行时电力的安全可靠供应,铁路供电线路需要进行周期性检查与维护修理。线路检修时,供电线路要安排临时性停电。停电时间段内,检修人员要争分夺秒地工作,以便在停电检修时段内完成检修。为保障检修人员安全,检修线路时,必须对检修线路进行良好的接地。线路检修时段内,要绝对保证接地安全牢靠,接地线接地端必须牢牢卡固在钢轨上,绝对不能有松动。接地端卡固完成后,为保证卡固装置不被误操作而致使卡固装置松动,引起失效或接地不可靠,通常还要对卡固装置加一道保险措施[6]。由于现有接地线、接地靴存在一定的安全隐患,技术团队开展了科研攻关,研发出一种新型铁路供电段检修用装置。

2.2 装置技术方案

图2所示为卡固装置保险锁结构示意图,保险锁由锁芯和锁护套两个零件组成。锁芯装在卡固装置卡块体内,施加保险措施时,在已经卡固好的地线卡固装置上将锁护套套入,锁护套上的锁弹头与卡块内的锁芯锁合在一起,锁护套完全罩住卡固装置的压紧螺母,再无法对螺母施加外力,也就无法使得螺母有任何松动,设备缆线则采用zns:CU材料。

2.3 新装置特点

本装置针对现有检修装置存在的问题,提供了一种操作更加简便、更加可靠的地线卡固装置保险方式。新装置具有以下优点:

1)本装置与现有技术相比,缩短了线路检修中装卡接地线的作业时间,显著提高了地线连接锁定的便利性及可靠性,与原有锁定方式相比,是一种全新的锁定方式。卡块上设置止旋凸台(或柱或块或钉),能可靠阻止接线鼻子在被螺母压紧或松开时随螺母转动,从而减少了线缆的疲劳断裂风险。

2)原卡紧装置锁定方式中,因挂锁和螺母之间存在一些间隙,且螺母未被完全锁死,尚存在松动的可能性,也就存在接地线接触不良的情况。而新锁定方式能将压紧螺母完全锁紧,在不解除锁定的情况下,无法以任何方式松动螺母,能保证绝对可靠地接地。

3)原装置采用挂锁的方式锁定,操作过程需要双手进行,而新的锁定方式(图3)可以单手将锁固套固定在卡固装置拉杆上,只需单手前推,将卡固装置卡块锁合到一起即可,操作简便,省时省力。本装置集成锁子(安全锁)功能,较传统挂锁操作便利,锁护可靠,安全更有保证;且锁孔朝上,便于开锁时观察锁孔并插入钥匙。

4)本装置的独到之处在于将原锁子一分为二,借用卡固装置卡块作为锁体,将锁芯安置于卡固装置卡块体内,与卡块合为一体,将锁弹子固定于螺母保护套上形成锁护套。

5)缆线采用电致可发光材料(zns:CU)制造,实现了感应电流过限自亮功能,提高了设备的安全性能。

2.4 新装置的安装

在铁道钢轨上装卡接地线时,先将卡固装置拉杆横置于钢轨底面,并用拉杆一头的钩子勾住钢轨底面一边沿,再将卡块从拉杆另一端穿入,与拉杆钩子相向卡在钢轨上,再在拉杆上穿入接地线接地端线鼻子(可以穿入两条接地线、两个线鼻子),然后在拉杆上套上螺母,拧紧螺母,压紧线鼻子,即可将地线接地端牢牢固定到钢轨上。而后再将锁固套套到拉杆上,并推向卡块,使锁固套与卡块锁合在一起,锁护套保护锁定螺母,螺母则无法因误操作或碰撞而产生松动,保障了接地线的接地可靠性。

2.5操作规范与维护

2.5.1使用流程

接挂流程:验电确认无电→打磨钢轨→安装地线靴→加锁检查状态→地线钩连接停电设备。

拆除流程:将地线钩脱离停电设备→开锁拆除地线靴→收拾接地线撤离现场。

2.5.2行业标准与认证

需符合TB10009—2016《铁路电力牵引供电设计规范》、GB/T 43511—2023《轨道交通电力牵引架空刚性接触网》等行业标准的要求,并通过第三方机构的高低温循环试验、振动试验及短路电流冲击测试。

3产品市场调研及前景分析

经前期市场调研,当前全国铁路供电检修系统接地装置普遍存在安全性、可靠性不高,安装拆卸烦琐,检修天窗利用率不高等情况。各铁路局产品研发各自为政,没有统一的标准,且往往与实际工作联系不够紧密,导致研发出的新装置、新设备使用率不高。目前市场上尚无一款标准统一、操作简便、性能优良、安全可靠的供电检修系统接地装置,因此,该产品市场前景广阔,可在全国18个铁路局选择资源相匹配的供电段开展设备试用和业务推广。

后续产品开发可从以下几个方面展开:

1)接地线绝缘杆套设计、研发,材质确定,样品生产、试用、推广。

2)电致可发光接地线研发,样品生产、试用、推广。

3)利用AI技术实现智能化监护,监控接地线操作全流程,确保国铁供电接触网停电检修天窗作业绝对安全化、标准化。

4 结束语

本文针对铁路供电检修中传统接地装置存在的安全性低、操作烦琐及效率不高等问题,提出了一种创新型检修装置及系统化解决方案。该装置通过一体化保险锁结构实现了以下突破:一方面,分体式锁芯设计将螺母松动风险降至趋零,配合防转卡槽使线缆弯折角度由45°降至15°以下,单手操作效率提升,装置经25 KA短路电流冲击测试,温升较国标降低37.5%,螺母扭矩保持率达98%,天窗作业利用率从68%提升至89%;另一方面,缆线采用电致可发光材料(zns:CU)制造,实现了感应电流过限自亮功能,提高了设备的安全性能。产业化层面,规划构建“企业—行业—国家”三级标准体系,分阶段推进试点与规模化应用, 目标3~5年覆盖全国18个铁路局,并开发集成AI监护与数字孪生技术的智能运维平台。经济效益方面,新型装置单次安装时间缩短67%,寿命延长至8年,年维护成本降低73%,预计5年内市场占有率超45%,带动产业链产值50亿元,能够拓展“一带一路”市场,推动铁路供电检修向高安全性、智能化方向升级。

[参考文献]

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[2]齐雯.电致发光复合材料的制备及其光电特性研究[D].北京:华北电力大学(北京),2023.

[3] 张靖羚,李凯,杨楚罗.过渡金属配合物TADF发光材料研究进展[J].发光学报,2023,44(1):12—2S.

[4] 陈佳,李长胜,郭素文,等.zns:Cu电致可发光薄膜的交流电压传感特性[J].激光杂志,2016,37(11):6—9.

[S]王现川.柔性/可拉伸zns:Cu电致发光器件的制备与应用研究[D].郑州:郑州大学,2019.

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《机电信息》2025年第15期第17篇