城市轨道交通供电系统自动地线装置的研制

肖世雄

（深圳市地铁三号线运营分公司，518172，深圳∥高级工程师）

我国城市轨道交通普遍采用直流电作为列车的牵引动力，牵引供电方式有柔性接触网、刚性接触网和接触轨三种。但是无论是采用哪一种供电方式，在对高压设备本体及周边设备设施进行检修维护时，均需要对高压设备本体停电并挂设可靠的接地短路线（简称“地线”）。目前，地线挂设普遍采用人工挂设的方式：由专业人员先用直流专用验电器对接触网／轨进行验电，验明无电后，再将专用直流金属地线挂接钢轨和接触网／轨；钢轨和接触网／轨由金属地线短路后，即使在人员作业期间发生变电所误送电的事件，也可保证短路大电流经地线通过钢轨流回变电所负极柜的母排，实现断路器联跳断电，以达到保护作业人员人身安全的作用。

1 人工挂设地线方式的弊端

1.1 安全隐患

（1）专用直流金属地线由于经常使用，易磨耗和损坏，在钢轨或接触轨连接处可能出现挂接不牢靠的现象，使其失去保护作业区域内人员人身安全的目的。

（2）在人工挂设地线的过程中，作业人员存在无意识碰触金属地线的可能，如果验电器失灵而接触轨仍带有较高残余电压，或接触轨停电后变电所设备误启动自动重合闸，或人为误送电，其中任何一种现象的出现，都势必会对地线挂设人员的人身带来触电伤亡的危险。

1.2 影响有效作业时间利用率

地铁行业的设备设施检修作业集中在夜间停运时段，停电作业时间非常宝贵，而地线挂设工作繁琐、耗时长。目前，深圳地铁龙岗线的地线挂设和拆除工作，在正线一般需要45 min；车辆段内由于供电分区复杂，地线挂设点多，一般需要60～80 min。地线挂拆工作过多占用了设备设施的有效检修时间，严重影响有效作业时间的利用率。

如果在正常运营期间发生突发事件必须应急抢修时，人工挂设地线耗时长的缺点将严重影响应急抢修的效率。

2 自动地线装置

在对地线挂设的工序流程、保护工作原理、相关的国家标准和行业标准进行深入研究之后，作者首次提出了采用自动地线装置替代人工完成地线的挂设和拆除工作的设想，并积极组织专业人员对项目进行了可行性论证、技术方案确定和样机研制等。

自动地线装置可替代传统人工挂拆模式，在高压牵引网／轨停电后，对作业检修区域进行接地保护，确保作业区域内人员和地线挂设人员的人身安全。自动地线装置可实现远程遥控，替代人工现场地线挂拆工作，快速完成地线的挂设和拆除，提高检修作业的有效时间。

2.1 装置主要构成

自动地线装置由现场子站（装置本体）和远程主站（监控系统）两部分组成（见图1）。现场子站由仪表室、操作室、观察窗和带电警示灯组成。仪表室有前后两个室门，前门内有电动操作面板（见图2），面板上主要有于“电源”、“闭锁”、“高压带电”、“故障指示”指示灯和“远方”、“就地”操作模式选择开关，以及就地电动“分闸”与“合闸”操作按钮；后门设置有装置的电源控制开关。

图1 自动地线装置

图2 电动操作面板

操作室内主要有电动操作机构、静动触刀和手动操作面板。自动地线装置的静触刀和动触刀分别与接触轨和钢轨连接；电动操作机构由电机、主动齿轮、与主动齿轮啮合的转换齿轮及旋转齿轮组成；手动操作面板上主要有手动操作孔，“合闸”与“分闸”指示灯，“手动”、“电动”和“闭锁”模式选择开关，以及手动离合按钮。

远程主站主要由显示器和主机构成，用于远方遥控现场子站。现场子站操作室内设有摄像头，可通过远程主站的显示器观察静、动触刀的工作位置状态和动作实时过程。图3为远程主站监控系统的可视画面。

图3 远程主站监控系统可视画面

2.2 装置的技术特点

1）自动地线装置具有多重联锁功能，能够杜绝误操作，电气安全可靠性高。

（1）设置双重联锁，防止接触轨带电时合接地开关。接触轨带电时，联锁功能确保装置无法进行电动操作，并将带电状态传输给主机显示器进行报警。另用电气和机械双重作用对接地操作室门闭锁，防止人为误操作。

（2）操作面板设计有模式手柄，防止手动和电动并行操作。电动操作模式下，转换齿轮与旋转齿轮啮合，手动操作插口被封堵，杜绝与手动操作同时进行；手动操作模式下，转换齿轮和旋转齿轮脱离啮合，转换开关断开电机电源，同时手动操作插口开启，能改换手动操作摇柄控制动、静触刀的分合闸。

（3）当操作置于锁定位置时，手动操作插口被封堵，电机电源被切断，所有操作无效，防止操作开关误碰、误动。

（4）遥控界面设计为应答式操作模式，防止人为误操作。

2）具有可视化功能，确保远程操作安全。

（1）装置箱体设有观察窗，工作人员能在现场直观看到静、动触刀位置状态。

（2）在远程控制中设置可视化视窗功能，可实现对静、动触刀位置状态的远程可视，确保设备操作安全和运行监控。

（3）产品具有体积小、结构紧凑的特点。打破传统隔离开关结构设计，优化产品结构，大胆创新，最终设计和生产出的产品体积不到普通隔离开关体积的四分之一，适合地铁现场复杂安装空间的特点。

3 运营安全保障

3.1 作业人身安全保障

接触轨高压设备即使停电后仍然有可能存在较高的残余电压，变电所在停电后也存在设备误启动、自动重合闸或人为误送电的风险，采用传统人工接挂地线模式时，人员接触高压带电设备触电伤亡的风险很高。深圳地铁龙岗线就曾经出现过在停电后对接触轨验电时，发现接触轨仍带有600 V 及其以上残余电压的事件，所幸未在此类事件中出现人员触电伤亡事故。

自动地线装置采用单片刀闸式动触刀与多片鸭嘴式（即前开口式）静触刀的刀闸式电动合分闸操作，不需要作业人员到接触轨地线挂设点进行人工挂拆。动触刀安装在绝缘转轴上，导电板安装在绝缘子上，使动触刀、软连接、导电板与大地、操作机构金属壳体均处于绝缘状态，在接地通路被断开后（即分闸后），从钢轨接入导电板的电缆不需要拆除；静触臂安装在绝缘子上，使静触刀、静触臂与大地、操作机构金属壳体均处于绝缘状态，在接地通路被断开后（即分闸后），从接触轨接入静触臂的电缆不需要拆除。

另外，该装置着重考虑了多重灵活操作的需求，设计了就地手动、就地电动和远程遥控三重操作模式，能在各种条件下（远程操作失效或装置自身失电）实现非人工挂设地线的可靠性，能完全避免员工职业人身安全危害。

3.2 运营供电安全保障

自动地线装置的动触刀和静触刀于分闸位置时，两者间断口的工频耐压满足1 min内11 kV 的要求，两者对地的工频耐压满足1 min内9.2 kV 要求。正常运营时段供电分区可以正常送电，不会因为该装置的安装和使用引发电客车日常运营的次生安全隐患。

3.3 降低作业人员劳动强度

由于全线（含正线、车辆段和停车场）地线挂设点多，尤其是在车辆段和停车场供电分区复杂地段地线挂设点十分分散，相距较远，加上地线自身质量大，以及验电、放电设备多等因素，采用传统人工接挂地线方式时作业人员劳动强度很大。采用自动地线装置后，可大幅度降低作业人员的劳动强度。

4 运营经济价值

4.1 提高检修作业时间利用率

传统人工挂拆地线方式过多占用轨行区内的有限检修天窗时间，严重制约地铁设备设施的作业工时利用率，而每天晚上的有效检修施工作业时间不到3 h。

自动地线装置由远程遥控操作来实现，只需1人在3～5 min即可完成地线挂拆的所有工序，在相同的检修天窗时间内将有效作业时间增加40～60 min，提高各专业系统轨行区夜班作业工时有效利用率25%以上，大幅度提高检修作业效率和检修质量。

特别是在运营时间如果发生紧急抢修时，该装置的投用可快速确保抢修区域的作业安全，大大缩短抢修时间，保证运营秩序的快速，其意义尤为重大。

4.2 降低运营人力资源成本

深圳地铁龙岗线全线地线挂设点多，采用传统的人工挂拆地线模式，人力资源浪费的弊端尤其突出：全线（含车辆段和停车场）最少需配置地线挂设人员68人。龙岗线运营开通前，虽然对接挂地线模式进行了详细的论证研究，采用跨越供电分区挂设地线方式（即正线每两个牵引所挂设一组地线，牵引所之间采用联络开关导通），很大限度减少地线挂设数量，但配合施工接挂地线工作所消耗人力仍然达40人。

自动地线装置安装投用后，采用车站值班人员等兼职操作，供电专业用于配合接挂地线的人员可大幅度减少。按照深圳地铁运营人员人均12.6万元／年的薪酬成本计算，采用自动地线装置与现有的越区人工挂设地线模式相比，每年可节约直接人力成本达504万元，经济效益巨大。

如果考虑由于轨行区作业效率提高而产生其他相关专业人力资源的节约成本，其经济效益更为可观。根据龙岗线2012年轨道、信号、常规机电设备维修作业班次测算，采用自动地线装置后，可减少轨行区作业人员配置10%，折算人力资源薪酬成本每年可节约226.8万元。

5 结语

综上所述，采用自动地线装置，切实可提高运营安全管理保障和降低运营管理成本，提高有效作业时间的利用率和降低人力资源成本，在运营管理模式上产生良性的连锁反应。虽然深圳地铁龙岗线采用的是接触轨供电方式，但自动地线装置同样适用于采用接触网供电方式的地铁线路。

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