城市軌道交通供電系統自動地線裝置的研制

肖世雄

（深圳市地鐵三號線運營分公司，518172，深圳∥高級工程師）

我國城市軌道交通普遍采用直流電作為列車的牽引動力，牽引供電方式有柔性接觸網、剛性接觸網和接觸軌三種。但是無論是采用哪一種供電方式，在對高壓設備本體及周邊設備設施進行檢修維護時，均需要對高壓設備本體停電并掛設可靠的接地短路線（簡稱“地線”）。目前，地線掛設普遍采用人工掛設的方式：由專業人員先用直流專用驗電器對接觸網／軌進行驗電，驗明無電后，再將專用直流金屬地線掛接鋼軌和接觸網／軌；鋼軌和接觸網／軌由金屬地線短路后，即使在人員作業期間發生變電所誤送電的事件，也可保證短路大電流經地線通過鋼軌流回變電所負極柜的母排，實現斷路器聯跳斷電，以達到保護作業人員人身安全的作用。

1 人工掛設地線方式的弊端

1.1 安全隱患

（1）專用直流金屬地線由于經常使用，易磨耗和損壞，在鋼軌或接觸軌連接處可能出現掛接不牢靠的現象，使其失去保護作業區域內人員人身安全的目的。

（2）在人工掛設地線的過程中，作業人員存在無意識碰觸金屬地線的可能，如果驗電器失靈而接觸軌仍帶有較高殘余電壓，或接觸軌停電后變電所設備誤啟動自動重合閘，或人為誤送電，其中任何一種現象的出現，都勢必會對地線掛設人員的人身帶來觸電傷亡的危險。

1.2 影響有效作業時間利用率

地鐵行業的設備設施檢修作業集中在夜間停運時段，停電作業時間非常寶貴，而地線掛設工作繁瑣、耗時長。目前，深圳地鐵龍崗線的地線掛設和拆除工作，在正線一般需要45 min；車輛段內由于供電分區復雜，地線掛設點多，一般需要60～80 min。地線掛拆工作過多占用了設備設施的有效檢修時間，嚴重影響有效作業時間的利用率。

如果在正常運營期間發生突發事件必須應急搶修時，人工掛設地線耗時長的缺點將嚴重影響應急搶修的效率。

2 自動地線裝置

在對地線掛設的工序流程、保護工作原理、相關的國家標準和行業標準進行深入研究之后，作者首次提出了采用自動地線裝置替代人工完成地線的掛設和拆除工作的設想，并積極組織專業人員對項目進行了可行性論證、技術方案確定和樣機研制等。

自動地線裝置可替代傳統人工掛拆模式，在高壓牽引網／軌停電后，對作業檢修區域進行接地保護，確保作業區域內人員和地線掛設人員的人身安全。自動地線裝置可實現遠程遙控，替代人工現場地線掛拆工作，快速完成地線的掛設和拆除，提高檢修作業的有效時間。

2.1 裝置主要構成

自動地線裝置由現場子站（裝置本體）和遠程主站（監控系統）兩部分組成（見圖1）。現場子站由儀表室、操作室、觀察窗和帶電警示燈組成。儀表室有前后兩個室門，前門內有電動操作面板（見圖2），面板上主要有于“電源”、“閉鎖”、“高壓帶電”、“故障指示”指示燈和“遠方”、“就地”操作模式選擇開關，以及就地電動“分閘”與“合閘”操作按鈕；后門設置有裝置的電源控制開關。

圖1 自動地線裝置

圖2 電動操作面板

操作室內主要有電動操作機構、靜動觸刀和手動操作面板。自動地線裝置的靜觸刀和動觸刀分別與接觸軌和鋼軌連接；電動操作機構由電機、主動齒輪、與主動齒輪嚙合的轉換齒輪及旋轉齒輪組成；手動操作面板上主要有手動操作孔，“合閘”與“分閘”指示燈，“手動”、“電動”和“閉鎖”模式選擇開關，以及手動離合按鈕。

遠程主站主要由顯示器和主機構成，用于遠方遙控現場子站。現場子站操作室內設有攝像頭，可通過遠程主站的顯示器觀察靜、動觸刀的工作位置狀態和動作實時過程。圖3為遠程主站監控系統的可視畫面。

圖3 遠程主站監控系統可視畫面

2.2 裝置的技術特點

1）自動地線裝置具有多重聯鎖功能，能夠杜絕誤操作，電氣安全可靠性高。

（1）設置雙重聯鎖，防止接觸軌帶電時合接地開關。接觸軌帶電時，聯鎖功能確保裝置無法進行電動操作，并將帶電狀態傳輸給主機顯示器進行報警。另用電氣和機械雙重作用對接地操作室門閉鎖，防止人為誤操作。

（2）操作面板設計有模式手柄，防止手動和電動并行操作。電動操作模式下，轉換齒輪與旋轉齒輪嚙合，手動操作插口被封堵，杜絕與手動操作同時進行；手動操作模式下，轉換齒輪和旋轉齒輪脫離嚙合，轉換開關斷開電機電源，同時手動操作插口開啟，能改換手動操作搖柄控制動、靜觸刀的分合閘。

（3）當操作置于鎖定位置時，手動操作插口被封堵，電機電源被切斷，所有操作無效，防止操作開關誤碰、誤動。

（4）遙控界面設計為應答式操作模式，防止人為誤操作。

2）具有可視化功能，確保遠程操作安全。

（1）裝置箱體設有觀察窗，工作人員能在現場直觀看到靜、動觸刀位置狀態。

（2）在遠程控制中設置可視化視窗功能，可實現對靜、動觸刀位置狀態的遠程可視，確保設備操作安全和運行監控。

（3）產品具有體積小、結構緊湊的特點。打破傳統隔離開關結構設計，優化產品結構，大膽創新，最終設計和生產出的產品體積不到普通隔離開關體積的四分之一，適合地鐵現場復雜安裝空間的特點。

3 運營安全保障

3.1 作業人身安全保障

接觸軌高壓設備即使停電后仍然有可能存在較高的殘余電壓，變電所在停電后也存在設備誤啟動、自動重合閘或人為誤送電的風險，采用傳統人工接掛地線模式時，人員接觸高壓帶電設備觸電傷亡的風險很高。深圳地鐵龍崗線就曾經出現過在停電后對接觸軌驗電時，發現接觸軌仍帶有600 V 及其以上殘余電壓的事件，所幸未在此類事件中出現人員觸電傷亡事故。

自動地線裝置采用單片刀閘式動觸刀與多片鴨嘴式（即前開口式）靜觸刀的刀閘式電動合分閘操作，不需要作業人員到接觸軌地線掛設點進行人工掛拆。動觸刀安裝在絕緣轉軸上，導電板安裝在絕緣子上，使動觸刀、軟連接、導電板與大地、操作機構金屬殼體均處于絕緣狀態，在接地通路被斷開后（即分閘后），從鋼軌接入導電板的電纜不需要拆除；靜觸臂安裝在絕緣子上，使靜觸刀、靜觸臂與大地、操作機構金屬殼體均處于絕緣狀態，在接地通路被斷開后（即分閘后），從接觸軌接入靜觸臂的電纜不需要拆除。

另外，該裝置著重考慮了多重靈活操作的需求，設計了就地手動、就地電動和遠程遙控三重操作模式，能在各種條件下（遠程操作失效或裝置自身失電）實現非人工掛設地線的可靠性，能完全避免員工職業人身安全危害。

3.2 運營供電安全保障

自動地線裝置的動觸刀和靜觸刀于分閘位置時，兩者間斷口的工頻耐壓滿足1 min內11 kV 的要求，兩者對地的工頻耐壓滿足1 min內9.2 kV 要求。正常運營時段供電分區可以正常送電，不會因為該裝置的安裝和使用引發電客車日常運營的次生安全隱患。

3.3 降低作業人員勞動強度

由于全線（含正線、車輛段和停車場）地線掛設點多，尤其是在車輛段和停車場供電分區復雜地段地線掛設點十分分散，相距較遠，加上地線自身質量大，以及驗電、放電設備多等因素，采用傳統人工接掛地線方式時作業人員勞動強度很大。采用自動地線裝置后，可大幅度降低作業人員的勞動強度。

4 運營經濟價值

4.1 提高檢修作業時間利用率

傳統人工掛拆地線方式過多占用軌行區內的有限檢修天窗時間，嚴重制約地鐵設備設施的作業工時利用率，而每天晚上的有效檢修施工作業時間不到3 h。

自動地線裝置由遠程遙控操作來實現，只需1人在3～5 min即可完成地線掛拆的所有工序，在相同的檢修天窗時間內將有效作業時間增加40～60 min，提高各專業系統軌行區夜班作業工時有效利用率25%以上，大幅度提高檢修作業效率和檢修質量。

特別是在運營時間如果發生緊急搶修時，該裝置的投用可快速確保搶修區域的作業安全，大大縮短搶修時間，保證運營秩序的快速，其意義尤為重大。

4.2 降低運營人力資源成本

深圳地鐵龍崗線全線地線掛設點多，采用傳統的人工掛拆地線模式，人力資源浪費的弊端尤其突出：全線（含車輛段和停車場）最少需配置地線掛設人員68人。龍崗線運營開通前，雖然對接掛地線模式進行了詳細的論證研究，采用跨越供電分區掛設地線方式（即正線每兩個牽引所掛設一組地線，牽引所之間采用聯絡開關導通），很大限度減少地線掛設數量，但配合施工接掛地線工作所消耗人力仍然達40人。

自動地線裝置安裝投用后，采用車站值班人員等兼職操作，供電專業用于配合接掛地線的人員可大幅度減少。按照深圳地鐵運營人員人均12.6萬元／年的薪酬成本計算，采用自動地線裝置與現有的越區人工掛設地線模式相比，每年可節約直接人力成本達504萬元，經濟效益巨大。

如果考慮由于軌行區作業效率提高而產生其他相關專業人力資源的節約成本，其經濟效益更為可觀。根據龍崗線2012年軌道、信號、常規機電設備維修作業班次測算，采用自動地線裝置后，可減少軌行區作業人員配置10%，折算人力資源薪酬成本每年可節約226.8萬元。

5 結語

綜上所述，采用自動地線裝置，切實可提高運營安全管理保障和降低運營管理成本，提高有效作業時間的利用率和降低人力資源成本，在運營管理模式上產生良性的連鎖反應。雖然深圳地鐵龍崗線采用的是接觸軌供電方式，但自動地線裝置同樣適用于采用接觸網供電方式的地鐵線路。

［1］于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統設計原理與應用［M］.成都：西南交通大學出版社，2008.

［2］于松偉，周菁，韓連祥，等.直流1500V 接觸軌系統的安全防護［J］.都市快軌交通，2010（1）：5.

［3］王金漢.從一起接觸軌短路事件談安全防范［J］.現代城市軌道交通，2006（5）：45.

［4］顧群益.北京地鐵接觸軌供電系統的安全管理［J］.都市快軌交通，2010（1）：27.

［5］于松偉.我國地鐵接觸軌技術發展綜述與研發建議［J］.快軌論壇，2004（2）：6.

［6］李文.接觸軌供電對地鐵運營的影響［J］.城市軌道交通研究，2010（11）：62.

［7］于海鵬.在DC1 500 V 接觸軌系統中采用接地隔離開關進行接地防護的可行性分析［J］.城市軌道交通研究，2013（11）：134.