0引言

近些年來(lái),我國(guó)高速鐵路建設(shè)飛速發(fā)展,對(duì)鐵路電網(wǎng)穩(wěn)定高效運(yùn)行的要求變得越來(lái)越高, 日常檢修成為預(yù)防電網(wǎng)故障的首要手段。在鐵路電氣化區(qū)段接觸網(wǎng)停電檢修作業(yè)中,為保證作業(yè)人員人身安全,通常會(huì)根據(jù)地線流經(jīng)短路電流或感應(yīng)電流原理,采用掛接地線操作預(yù)防作業(yè)線路兩端突發(fā)來(lái)電。國(guó)鐵電氣化區(qū)段在接觸網(wǎng)停電檢修天窗作業(yè)中普遍使用了接地線、地線靴等設(shè)備,但現(xiàn)有設(shè)備存在以下問(wèn)題:

1)使用成本方面:現(xiàn)有設(shè)備收益率不高,損壞率高,使用流程煩瑣。

2)檢修天窗利用率方面:接地線環(huán)節(jié)需較長(zhǎng)時(shí)間,導(dǎo)致天窗作業(yè)利用率低。

3)安全方面:接地線可靠性較差,導(dǎo)致安全事故頻發(fā)。據(jù)統(tǒng)計(jì),近年來(lái)國(guó)內(nèi)外均有天窗施工作業(yè)人員、接地線操作人員發(fā)生安全事故。

1 研究現(xiàn)狀

1.1檢修設(shè)備現(xiàn)狀

鐵路供電系統(tǒng)中,接觸網(wǎng)防脫式地線靴(圖1)是一種關(guān)鍵的安全防護(hù)設(shè)備,主要用于在接觸網(wǎng)檢修或停電作業(yè)中確保接地線人員的人身安全,防止因接地線操作人員未按接地線操作流程作業(yè)而受到感應(yīng)電傷害。

該裝置能很好地將接地線纜卡固在鋼軌上,因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,其被廣泛應(yīng)用于鐵路供電線路檢修作業(yè),使用過(guò)程中,該裝置的不足也逐漸顯露了出來(lái),具體如下:

1)拉桿上打孔掛掛鎖,使用不便。每次上鎖、開(kāi)鎖需要雙手操作,耗時(shí)費(fèi)力,影響工作效率。另外,因?yàn)閽戽i鎖梁和壓緊螺母之間存在一些間隙,螺母有可能松動(dòng),存在接地不良的風(fēng)險(xiǎn)。

2)結(jié)構(gòu)存在缺陷,線纜容易折斷。在擰緊或擰松螺母時(shí),由于摩擦力的作用,接地線纜的線鼻子會(huì)跟隨螺母旋轉(zhuǎn),造成線鼻子來(lái)回?cái)[動(dòng),使得接地線纜與銅線鼻子連接處的線纜來(lái)回打彎,引起線纜在連接處疲勞斷裂。拖動(dòng)電纜時(shí),電纜帶動(dòng)線鼻子轉(zhuǎn)動(dòng),也可能使螺母松動(dòng),從而引起接地不良。

1.2電致可發(fā)光材料研究

電致發(fā)光效應(yīng)是一種材料在電場(chǎng)的作用下將電能轉(zhuǎn)化為光輻射的現(xiàn)象[1],包括低場(chǎng)電致發(fā)光和高場(chǎng)電致發(fā)光。低場(chǎng)電致發(fā)光一般利用PN結(jié)發(fā)光;高場(chǎng)電致發(fā)光是通過(guò)直流/交流電場(chǎng)的激發(fā),使電子在電場(chǎng)作用下加速撞擊發(fā)光中心,當(dāng)發(fā)光中心被激發(fā)或離化后,通過(guò)電子和空穴的作用復(fù)合發(fā)光,或者利用電子在退激發(fā)的過(guò)程中將電能轉(zhuǎn)化為光能的固體發(fā)光現(xiàn)象[2]。國(guó)外學(xué)者Fischer等人提出了雙極性場(chǎng)發(fā)射模型,其原理可解釋為基于zns:CU材料的電致可發(fā)光原理;Adachi團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種高效的電致可發(fā)光材料DACT—Ⅱ。國(guó)內(nèi)的張靖羚等人合成了一批高效率紅光可發(fā)光材料[3];陳佳等人分析了zns:CU材料的交流電壓傳感特性,對(duì)發(fā)光亮度、最小起始電壓等開(kāi)展了研究[4]。

電致可發(fā)光材料自發(fā)明之初,已逐漸形成以有機(jī)發(fā)光器件(OLED)、量子點(diǎn)發(fā)光器件(QLED)、分子發(fā)光器件(PLED)、交流電致發(fā)光器件(ACEL)等多個(gè)分支為核心多向發(fā)展的態(tài)勢(shì)。其中ACEL器件因其較為優(yōu)異的性能,從各種器件中脫穎而出,成為電致可發(fā)光材料的重要研究方向之一。在機(jī)械性能方面,ACEL器件由無(wú)機(jī)材料構(gòu)成,可制成微米級(jí)厚度的薄膜,具有優(yōu)異的柔性和可拉伸性;在電氣性能方面,區(qū)別于有機(jī)發(fā)光器件的直流驅(qū)動(dòng),交流電致發(fā)光器件采用交流電源系統(tǒng),使其具有驅(qū)動(dòng)電流小和功率低的特點(diǎn),很好地減少了直流驅(qū)動(dòng)設(shè)備所需的整流器件。因此,相比于其他發(fā)光體系對(duì)于制備條件的高要求,制備工藝簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)成為ACEL器件的一大優(yōu)勢(shì)。本研究以無(wú)機(jī)電致變色材料(WO3)、有機(jī)電致變色材料(聚噻吩類及其衍生物)為基礎(chǔ),開(kāi)展設(shè)備應(yīng)用試驗(yàn),最終確定選擇摻雜銅元素的硫化鋅(zns:CU)用作檢修設(shè)備上纜線的試驗(yàn)材料,實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電過(guò)限自亮警示,確保檢修人員作業(yè)安全[5]。

2新型檢修裝置的開(kāi)發(fā)

2.1 技術(shù)背景

為保障列車運(yùn)行時(shí)電力的安全可靠供應(yīng),鐵路供電線路需要進(jìn)行周期性檢查與維護(hù)修理。線路檢修時(shí),供電線路要安排臨時(shí)性停電。停電時(shí)間段內(nèi),檢修人員要爭(zhēng)分奪秒地工作,以便在停電檢修時(shí)段內(nèi)完成檢修。為保障檢修人員安全,檢修線路時(shí),必須對(duì)檢修線路進(jìn)行良好的接地。線路檢修時(shí)段內(nèi),要絕對(duì)保證接地安全牢靠,接地線接地端必須牢牢卡固在鋼軌上,絕對(duì)不能有松動(dòng)。接地端卡固完成后,為保證卡固裝置不被誤操作而致使卡固裝置松動(dòng),引起失效或接地不可靠,通常還要對(duì)卡固裝置加一道保險(xiǎn)措施[6]。由于現(xiàn)有接地線、接地靴存在一定的安全隱患,技術(shù)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了科研攻關(guān),研發(fā)出一種新型鐵路供電段檢修用裝置。

2.2 裝置技術(shù)方案

圖2所示為卡固裝置保險(xiǎn)鎖結(jié)構(gòu)示意圖,保險(xiǎn)鎖由鎖芯和鎖護(hù)套兩個(gè)零件組成。鎖芯裝在卡固裝置卡塊體內(nèi),施加保險(xiǎn)措施時(shí),在已經(jīng)卡固好的地線卡固裝置上將鎖護(hù)套套入,鎖護(hù)套上的鎖彈頭與卡塊內(nèi)的鎖芯鎖合在一起,鎖護(hù)套完全罩住卡固裝置的壓緊螺母,再無(wú)法對(duì)螺母施加外力,也就無(wú)法使得螺母有任何松動(dòng),設(shè)備纜線則采用zns:CU材料。

2.3 新裝置特點(diǎn)

本裝置針對(duì)現(xiàn)有檢修裝置存在的問(wèn)題,提供了一種操作更加簡(jiǎn)便、更加可靠的地線卡固裝置保險(xiǎn)方式。新裝置具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)本裝置與現(xiàn)有技術(shù)相比,縮短了線路檢修中裝卡接地線的作業(yè)時(shí)間,顯著提高了地線連接鎖定的便利性及可靠性,與原有鎖定方式相比,是一種全新的鎖定方式?？▔K上設(shè)置止旋凸臺(tái)(或柱或塊或釘),能可靠阻止接線鼻子在被螺母壓緊或松開(kāi)時(shí)隨螺母轉(zhuǎn)動(dòng),從而減少了線纜的疲勞斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

2)原卡緊裝置鎖定方式中,因掛鎖和螺母之間存在一些間隙,且螺母未被完全鎖死,尚存在松動(dòng)的可能性,也就存在接地線接觸不良的情況。而新鎖定方式能將壓緊螺母完全鎖緊,在不解除鎖定的情況下,無(wú)法以任何方式松動(dòng)螺母,能保證絕對(duì)可靠地接地。

3)原裝置采用掛鎖的方式鎖定,操作過(guò)程需要雙手進(jìn)行,而新的鎖定方式(圖3)可以單手將鎖固套固定在卡固裝置拉桿上,只需單手前推,將卡固裝置卡塊鎖合到一起即可,操作簡(jiǎn)便,省時(shí)省力。本裝置集成鎖子(安全鎖)功能,較傳統(tǒng)掛鎖操作便利,鎖護(hù)可靠,安全更有保證;且鎖孔朝上,便于開(kāi)鎖時(shí)觀察鎖孔并插入鑰匙。

4)本裝置的獨(dú)到之處在于將原鎖子一分為二,借用卡固裝置卡塊作為鎖體,將鎖芯安置于卡固裝置卡塊體內(nèi),與卡塊合為一體,將鎖彈子固定于螺母保護(hù)套上形成鎖護(hù)套。

5)纜線采用電致可發(fā)光材料(zns:CU)制造,實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電流過(guò)限自亮功能,提高了設(shè)備的安全性能。

2.4 新裝置的安裝

在鐵道鋼軌上裝卡接地線時(shí),先將卡固裝置拉桿橫置于鋼軌底面,并用拉桿一頭的鉤子勾住鋼軌底面一邊沿,再將卡塊從拉桿另一端穿入,與拉桿鉤子相向卡在鋼軌上,再在拉桿上穿入接地線接地端線鼻子(可以穿入兩條接地線、兩個(gè)線鼻子),然后在拉桿上套上螺母,擰緊螺母,壓緊線鼻子,即可將地線接地端牢牢固定到鋼軌上。而后再將鎖固套套到拉桿上,并推向卡塊,使鎖固套與卡塊鎖合在一起,鎖護(hù)套保護(hù)鎖定螺母,螺母則無(wú)法因誤操作或碰撞而產(chǎn)生松動(dòng),保障了接地線的接地可靠性。

2.5操作規(guī)范與維護(hù)

2.5.1使用流程

接掛流程:驗(yàn)電確認(rèn)無(wú)電→打磨鋼軌→安裝地線靴→加鎖檢查狀態(tài)→地線鉤連接停電設(shè)備。

拆除流程:將地線鉤脫離停電設(shè)備→開(kāi)鎖拆除地線靴→收拾接地線撤離現(xiàn)場(chǎng)。

2.5.2行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證

需符合TB10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB/T 43511—2023《軌道交通電力牽引架空剛性接觸網(wǎng)》等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求,并通過(guò)第三方機(jī)構(gòu)的高低溫循環(huán)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn)及短路電流沖擊測(cè)試。

3產(chǎn)品市場(chǎng)調(diào)研及前景分析

經(jīng)前期市場(chǎng)調(diào)研,當(dāng)前全國(guó)鐵路供電檢修系統(tǒng)接地裝置普遍存在安全性、可靠性不高,安裝拆卸煩瑣,檢修天窗利用率不高等情況。各鐵路局產(chǎn)品研發(fā)各自為政,沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),且往往與實(shí)際工作聯(lián)系不夠緊密,導(dǎo)致研發(fā)出的新裝置、新設(shè)備使用率不高。目前市場(chǎng)上尚無(wú)一款標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、操作簡(jiǎn)便、性能優(yōu)良、安全可靠的供電檢修系統(tǒng)接地裝置,因此,該產(chǎn)品市場(chǎng)前景廣闊,可在全國(guó)18個(gè)鐵路局選擇資源相匹配的供電段開(kāi)展設(shè)備試用和業(yè)務(wù)推廣。

后續(xù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)可從以下幾個(gè)方面展開(kāi):

1)接地線絕緣桿套設(shè)計(jì)、研發(fā),材質(zhì)確定,樣品生產(chǎn)、試用、推廣。

2)電致可發(fā)光接地線研發(fā),樣品生產(chǎn)、試用、推廣。

3)利用AI技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)護(hù),監(jiān)控接地線操作全流程,確保國(guó)鐵供電接觸網(wǎng)停電檢修天窗作業(yè)絕對(duì)安全化、標(biāo)準(zhǔn)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)鐵路供電檢修中傳統(tǒng)接地裝置存在的安全性低、操作煩瑣及效率不高等問(wèn)題,提出了一種創(chuàng)新型檢修裝置及系統(tǒng)化解決方案。該裝置通過(guò)一體化保險(xiǎn)鎖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了以下突破:一方面,分體式鎖芯設(shè)計(jì)將螺母松動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)降至趨零,配合防轉(zhuǎn)卡槽使線纜彎折角度由45°降至15°以下,單手操作效率提升,裝置經(jīng)25 KA短路電流沖擊測(cè)試,溫升較國(guó)標(biāo)降低37.5%,螺母扭矩保持率達(dá)98%,天窗作業(yè)利用率從68%提升至89%;另一方面,纜線采用電致可發(fā)光材料(zns:CU)制造,實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)電流過(guò)限自亮功能,提高了設(shè)備的安全性能。產(chǎn)業(yè)化層面,規(guī)劃構(gòu)建“企業(yè)—行業(yè)—國(guó)家”三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)體系,分階段推進(jìn)試點(diǎn)與規(guī)?；瘧?yīng)用, 目標(biāo)3~5年覆蓋全國(guó)18個(gè)鐵路局,并開(kāi)發(fā)集成AI監(jiān)護(hù)與數(shù)字孿生技術(shù)的智能運(yùn)維平臺(tái)。經(jīng)濟(jì)效益方面,新型裝置單次安裝時(shí)間縮短67%,壽命延長(zhǎng)至8年,年維護(hù)成本降低73%,預(yù)計(jì)5年內(nèi)市場(chǎng)占有率超45%,帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值50億元,能夠拓展“一帶一路”市場(chǎng),推動(dòng)鐵路供電檢修向高安全性、智能化方向升級(jí)。

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《機(jī)電信息》2025年第15期第17篇