0引言

近些年來,我國高速鐵路建設(shè)飛速發(fā)展,對鐵路電網(wǎng)穩(wěn)定高效運行的要求變得越來越高, 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)來電。國鐵電氣化區(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)需較長時間,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,近年來國內(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)簡單,其被廣泛應(yīng)用于鐵路供電線路檢修作業(yè),使用過程中,該裝置的不足也逐漸顯露了出來,具體如下:

1)拉桿上打孔掛掛鎖,使用不便。每次上鎖、開鎖需要雙手操作,耗時費力,影響工作效率。另外,因為掛鎖鎖梁和壓緊螺母之間存在一些間隙,螺母有可能松動,存在接地不良的風(fēng)險。

2)結(jié)構(gòu)存在缺陷,線纜容易折斷。在擰緊或擰松螺母時,由于摩擦力的作用,接地線纜的線鼻子會跟隨螺母旋轉(zhuǎn),造成線鼻子來回擺動,使得接地線纜與銅線鼻子連接處的線纜來回打彎,引起線纜在連接處疲勞斷裂。拖動電纜時,電纜帶動線鼻子轉(zhuǎn)動,也可能使螺母松動,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)是一種材料在電場的作用下將電能轉(zhuǎn)化為光輻射的現(xiàn)象[1],包括低場電致發(fā)光和高場電致發(fā)光。低場電致發(fā)光一般利用PN結(jié)發(fā)光;高場電致發(fā)光是通過直流/交流電場的激發(fā),使電子在電場作用下加速撞擊發(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)的過程中將電能轉(zhuǎn)化為光能的固體發(fā)光現(xiàn)象[2]。國外學(xué)者Fischer等人提出了雙極性場發(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團隊開發(fā)出了一種高效的電致可發(fā)光材料DACT—Ⅱ。國內(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,對發(fā)光亮度、最小起始電壓等開展了研究[4]。

電致可發(fā)光材料自發(fā)明之初,已逐漸形成以有機發(fā)光器件(OLED)、量子點發(fā)光器件(QLED)、分子發(fā)光器件(PLED)、交流電致發(fā)光器件(ACEL)等多個分支為核心多向發(fā)展的態(tài)勢。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。在機械性能方面,ACEL器件由無機材料構(gòu)成,可制成微米級厚度的薄膜,具有優(yōu)異的柔性和可拉伸性;在電氣性能方面,區(qū)別于有機發(fā)光器件的直流驅(qū)動,交流電致發(fā)光器件采用交流電源系統(tǒng),使其具有驅(qū)動電流小和功率低的特點,很好地減少了直流驅(qū)動設(shè)備所需的整流器件。因此,相比于其他發(fā)光體系對于制備條件的高要求,制備工藝簡單經(jīng)濟成為ACEL器件的一大優(yōu)勢。本研究以無機電致變色材料(WO3)、有機電致變色材料(聚噻吩類及其衍生物)為基礎(chǔ),開展設(shè)備應(yīng)用試驗,最終確定選擇摻雜銅元素的硫化鋅(zns:CU)用作檢修設(shè)備上纜線的試驗材料,實現(xiàn)感應(yīng)電過限自亮警示,確保檢修人員作業(yè)安全[5]。

2新型檢修裝置的開發(fā)

2.1 技術(shù)背景

為保障列車運行時電力的安全可靠供應(yīng),鐵路供電線路需要進行周期性檢查與維護修理。線路檢修時,供電線路要安排臨時性停電。停電時間段內(nèi),檢修人員要爭分奪秒地工作,以便在停電檢修時段內(nèi)完成檢修。為保障檢修人員安全,檢修線路時,必須對檢修線路進行良好的接地。線路檢修時段內(nèi),要絕對保證接地安全牢靠,接地線接地端必須牢牢卡固在鋼軌上,絕對不能有松動。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,引起失效或接地不可靠,通常還要對卡固裝置加一道保險措施[6]。由于現(xiàn)有接地線、接地靴存在一定的安全隱患,技術(shù)團隊開展了科研攻關(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鎖結(jié)構(gòu)示意圖,保險鎖由鎖芯和鎖護套兩個零件組成。鎖芯裝在卡固裝置卡塊體內(nèi),施加保險措施時,在已經(jīng)卡固好的地線卡固裝置上將鎖護套套入,鎖護套上的鎖彈頭與卡塊內(nèi)的鎖芯鎖合在一起,鎖護套完全罩住卡固裝置的壓緊螺母,再無法對螺母施加外力,也就無法使得螺母有任何松動,設(shè)備纜線則采用zns:CU材料。

2.3 新裝置特點

本裝置針對現(xiàn)有檢修裝置存在的問題,提供了一種操作更加簡便、更加可靠的地線卡固裝置保險方式。新裝置具有以下優(yōu)點:

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(或柱或塊或釘),能可靠阻止接線鼻子在被螺母壓緊或松開時隨螺母轉(zhuǎn)動,從而減少了線纜的疲勞斷裂風(fēng)險。

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,無法以任何方式松動螺母,能保證絕對可靠地接地。

3)原裝置采用掛鎖的方式鎖定,操作過程需要雙手進行,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,操作簡便,省時省力。本裝置集成鎖子(安全鎖)功能,較傳統(tǒng)掛鎖操作便利,鎖護可靠,安全更有保證;且鎖孔朝上,便于開鎖時觀察鎖孔并插入鑰匙。

4)本裝置的獨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套上形成鎖護套。

5)纜線采用電致可發(fā)光材料(zns:CU)制造,實現(xiàn)了感應(yīng)電流過限自亮功能,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,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,鎖護套保護鎖定螺母,螺母則無法因誤操作或碰撞而產(chǎn)生松動,保障了接地線的接地可靠性。

2.5操作規(guī)范與維護

2.5.1使用流程

接掛流程:驗電確認無電→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→開鎖拆除地線靴→收拾接地線撤離現(xiàn)場。

2.5.2行業(yè)標準與認證

需符合TB10009—2016《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(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)標準的要求,并通過第三方機構(gòu)的高低溫循環(huán)試驗、振動試驗及短路電流沖擊測試。

3產(chǎn)品市場調(diào)研及前景分析

經(jīng)前期市場調(diào)研,當(dāng)前全國鐵路供電檢修系統(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,沒有統(tǒng)一的標準,且往往與實際工作聯(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。目前市場上尚無一款標準統(tǒng)一、操作簡便、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)品市場前景廣闊,可在全國18個鐵路局選擇資源相匹配的供電段開展設(shè)備試用和業(yè)務(wù)推廣。

后續(xù)產(chǎn)品開發(fā)可從以下幾個方面展開:

1)接地線絕緣桿套設(shè)計、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)實現(xiàn)智能化監(jiān)護,監(jiān)控接地線操作全流程,確保國鐵供電接觸網(wǎng)停電檢修天窗作業(yè)絕對安全化、標準化。

4 結(jié)束語

本文針對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。該裝置通過一體化保險鎖結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了以下突破:一方面,分體式鎖芯設(shè)計將螺母松動風(fēng)險降至趨零,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短路電流沖擊測試,溫升較國標降低37.5%,螺母扭矩保持率達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,實現(xiàn)了感應(yīng)電流過限自亮功能,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)—國家”三級標準體系,分階段推進試點與規(guī)?；瘧?yīng)用, 目標3~5年覆蓋全國18個鐵路局,并開發(fā)集成AI監(jiān)護與數(shù)字孿生技術(shù)的智能運維平臺。經(jīng)濟效益方面,新型裝置單次安裝時間縮短67%,壽命延長至8年,年維護成本降低73%,預(yù)計5年內(nèi)市場占有率超45%,帶動產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)值50億元,能夠拓展“一帶一路”市場,推動鐵路供電檢修向高安全性、智能化方向升級。

[參考文獻]

[1] zhuY,xiaYF,WuM,etal.Wearable,freezing—tolerant,and self—powered electrol umine scence systemforlong—term cold—resistant displays [J].NanoEnergy,2022,98: 107309.

[2]齊雯.電致發(fā)光復(fù)合材料的制備及其光電特性研究[D].北京:華北電力大學(xué)(北京),2023.

[3] 張靖羚,李凱,楊楚羅.過渡金屬配合物TADF發(fā)光材料研究進展[J].發(fā)光學(xué)報,2023,44(1):12—2S.

[4] 陳佳,李長勝,郭素文,等.zns:Cu電致可發(fā)光薄膜的交流電壓傳感特性[J].激光雜志,2016,37(11):6—9.

[S]王現(xiàn)川.柔性/可拉伸zns:Cu電致發(fā)光器件的制備與應(yīng)用研究[D].鄭州:鄭州大學(xué),2019.

[6]李正康,高仕斌,韓正慶,等.高速鐵路V停作業(yè)感應(yīng)電壓接地防護方案研究[J].電氣化鐵道,2021,32(4):23—28.

《機電信息》2025年第15期第17篇