火災監測預警在鐵路牽引供電系統的應用

牛衛東

（國能朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，山西忻州 034100）

0 引言

朔黃鐵路山西段位于晉北山區，為溫帶大陸性氣候，常年干燥、少雨，自然植被多山區森林和荊條雜草。鐵路牽引接觸網通常都是沿著鐵路線路進行架設的，其主要特點是線路比較長、覆蓋面積比較廣、暴露在山區野外等，容易受到外界自然災害的侵襲而導致故障發生。火山是影響鐵路牽引接觸網的一個重要因素，本文就重點探究山火對鐵路牽引供電設備的影響。

1 山火對接觸網線路的危害

春冬季節山火在我國很多地區頻繁發生，對鐵路供電線路的影響嚴重，山火的發生很容易導致鐵路供電系統跳閘或者被燒毀等，存在著極大安全隱患，對鐵路運輸是一種很大的威脅。

1.1 對鐵路牽引供電系統中絕緣子的影響

對硅橡膠進行垂直水平燃燒試驗，可知在高于200 ℃的環境下硅橡膠復合絕緣子的絕緣性能迅速下降，硅橡膠絕緣外層出現流膠外皮硬化等特性。在高于300 ℃溫度的環境下，供電系統中的瓷絕緣子的性能會大幅降低，并且其表面會出現裂痕麻點現象。而鋼化玻璃絕緣子，如果溫度超過330 ℃，其性能就會急速下降且其邊緣出現裂痕現象（圖1）。

圖1 絕緣子耐高溫測試數據

由圖1 可以看出，高溫環境持續時間越長，供電系統中絕緣子的絕緣性能失去的就會越快。如果山火爆發引起火災并引起絕緣子環境溫度持續升高，那么在用水撲滅火災的過程中，絕緣子一旦受到水的沖刷就極易發生裂痕或酥裂現象。另外，山火會伴隨大量的煙灰和濃煙，這樣很容易增加絕緣子表面的煙灰密度，從而導致其憎水性和自清潔能力大幅下降，進而加大污閃跳閘的概率。

1.2 對接觸導線、附加導線的影響

目前鐵路接觸導線采用銅材料導線，附加導線材料一般為鋼芯鋁絞線與鋼絞線，山火發生所造成的高溫環境會給牽引供電系統中的各種導線造成較大負面作用，尤其是溫度上升到400 ℃的時候，供電系統中的附加導線、接觸導線等的彈性就會消失，會膨脹且大幅下垂，這樣就更易導致導線與周圍環境接觸的跳閘事故。另外，山火還會導致供電系統各種導線的快速老化，從而增加其危險系數。

1.3 對鐵路運輸的影響

相關研究表明，火是帶電體，當火焰燒到帶電線路上時帶電線路會短路或接地。鐵路線路附近山火過大，火焰燒到接觸網線索上時會造成設備短路接地，造成供電設備無法正常運行、列車運行中斷，影響鐵路運輸效率。

2 山火監測預警信息應用

為降低山火隱患對鐵路運輸安全的威脅，防范山火引起線路跳閘，鐵路單位曾加多種直接、便捷的線路山火預警監測方式。

2.1 鐵路沿線可視化山火預警信息應用

鐵路單位對山火的監察主要由機車運行前端視頻、固定攝像視頻監測，兩種監測方式已大范圍使用，沿線電力通道已實現全覆蓋，目前應用的視頻監控設備均可對外力、山火、異物等各類隱患進行預警。經多年的發展，現場實際運行中，利用大量的電力通道發生山火的圖片建立起了豐富的線路山火模型庫，通過不斷的訓練和機器學習，利用“人車地”技術，可以在后臺通過機器學習準確地分析出其中是否發生山火、進而給出預警信息，能夠滿足實際線路運維工作中對山火隱患預警的需求（圖2）。

圖2 山火監測界面

2.2 鐵路沿線紅外山火預警信息應用

鐵路單位對針對輸電線路的山火預警現狀，利用紅外成像圖像技術，紅外熱成像（IRT）技術使用紅外相機采集被測物體和周圍環境輻射的紅外線，將被測物體和周圍環境發出的紅外熱信號轉換成電信號，并生產相應的熱場分布溫度圖。該技術的便利性、靈活性、可靠性和非接觸性等優點使其在火災預警，特定倉庫監控和設備故障診斷等領域具有較好的優勢，同時受到電磁干擾小，可實現實時監測且檢測區域廣，被廣泛使用。通過物體輻射的波長與該物體溫度之間維恩位移定律為：

式中 T——熱力學溫度，K

λ——輻射波長，μm

由公式可知，物體的溫度越高，其輻射波長越小；相反，溫度較低的物體輻射出較長的波長。利用不同溫度物體向外輻射的波長的不同來判斷是否有火情出現，能夠對輸電線路附近環境的實時監測，能及時有效地發現和控制火情，改善輸電線路周圍的運行環境，保證供電的可靠性。

3 鐵路供電線路山火跳閘原因分析

3.1 山火造成牽引供電設備跳閘事故案例

2022 年12 月13 日15：16：26，某牽引變電站下行線211 供電臂距離I 段保護動作，15：16：28 重合成功。

從相關跳閘參數可知，T 線短路電流與F 線短路電流相近，可懷疑為T 線與F 線短路接地造成設備跳閘（表1）。

表1 變電所饋線斷路器跳閘技術參數統計

經現場檢查，發現區間261#（K116+900）正饋線絕緣子外表發黑，最下面一片鐵帽邊緣有輕微燒灼有燒灼痕跡，在大風作用下火勢較猛，火苗竄到正饋線絕緣子高度，造成T 線、F 線短路跳閘（圖3）。

圖3 山火現場

3.2 事故原因分析

鐵路牽引供電系統中的線路大多數為裸導線，主要是通過空氣與大地周圍進行絕緣。環境溫度、山火發生帶來的微小顆粒和電導率會導致空氣的絕緣效果嚴重下降。按照鐵路運行檢修規程中相關標準，接觸網25 kV 帶電導線距離峭壁、擋土墻和巖石地段最小處安全距離為300 mm。

當周圍發生火災時，只要火焰達到一定高度就可隨時燒向線索，從而造成跳閘事故（表2）。

表2 跳閘的相關技術參數統計

3.3 導線放電過程分析

在高護坡、高路塹地段火災發生過程中，會產生非常多的細小顆粒散布到空氣中，這時帶點介質及其容易附著在空氣當中的顆粒上面，并跟隨空氣流動上升，持續不斷地聚集在帶電電場周圍，以及牽引供電線路帶電導線附近的電荷區域。空氣中的帶電顆粒和導線表面空氣中的電荷發生碰撞之后會出現電子崩，由于帶有電荷的導線和地面之間所產生的場強非常地弱，因此電子崩不會繼續發展下去。

山火燃燒使得周圍環境溫度快速升高，鐵路供電系統中的導線被持續加熱，從而導線中大量的電子發生逸出，當地面和供電系統中導線之間的電量超過一定數量時，空氣中的帶有正電的顆粒就會與電子之間進行復合，從而使得周圍電場急速畸變而迸發出光子，出現光子游離的情況，這樣就形成衍生電子崩。該電子崩與之前的主電子崩進行匯合形成流注通道，同時擊穿空氣間隙，從而造成放電跳閘事故。

4 牽引供電線路山火災害防范措施

（1）提升鐵路線路巡視強度。首先工作人員必須詳細、全面地弄清楚容易發生火災的具體區域和低段，對相關區域同鐵路其他專業溝通進行聯合整治，在秋收后組織人員清理線路附近的雜草、護坡周圍的荊條等易燃物，以建立鐵路線路間起防火隔離帶。

（2）加大鐵路線路周圍防山火宣傳力度。鐵路部門工作負責人要積極和鐵路途徑政府部門聯合協作，做好防火救火安全常識的宣傳與教育工作。通過聯合舉辦相關知識講座、網絡宣傳等方式來對鐵路附近的居民進行防火救火知識和相關法律法規的宣傳與教育，同時做好與居民群眾聯系的暢通工作，以便做到一旦發生山火能夠及時進行撲救。

（3）建立聯絡機制。通過與列車司機、車站、鐵路派出所等單位建立鐵路沿線發現火情交換信息機制，一旦山火火勢較大難以進行撲救，一定要及時通知鐵路供電部門要求行立即停電，以免造成更大的災害。

（4）充分利用防山火現代技術。一方面要在鐵路線路的桿塔上面安裝視頻監控系統。針對容易發生山火的地段進行24 h 不間斷實時監控，同時要安裝報警系統，一旦發生山火苗頭就立即報警提醒鐵路線路維護工作人員及時采取合理措施進行防護和撲救。另一方面要采取使用較好的耐火材料導線，防止由于山火導致高溫而使導線發生較大垂弧、導致跳閘事故。另外，也可以利用現代化科學技術實現山區火災無人巡視，這樣既可以節省人力又可以提高巡視效果。

5 結束語

近年來，隨著鐵路牽引供電系統結構的愈加復雜和鐵路貫通、自閉配電線路經過山地林區，可以說山火已經成為引起鐵路牽引供電系統發生跳閘事故的主要因素之一。鐵路系統和相關部門必須引起高度重視，自覺提升工作人員的火災巡視和火災撲救能力，不斷加強山火安全教育工作，防止山火所導致的鐵路供電事故的發生。