李立新 房慧辰 趙偉浩 李全陽 許紅杰

（1.天津東方泰瑞科技有限公司，天津 300113；2.天津一號(hào)線軌道交通運(yùn)營(yíng)有限公司，天津 300350）

0 引言

城市軌道交通供電系統(tǒng)作為其基礎(chǔ)設(shè)施之一，承擔(dān)著向列車提供穩(wěn)定可靠電力的重要任務(wù)。然而，由于供電系統(tǒng)的復(fù)雜性和特殊性，其存在一系列的潛在風(fēng)險(xiǎn)，可能會(huì)對(duì)軌道交通的正常運(yùn)營(yíng)和乘客的安全產(chǎn)生重大影響。因此，對(duì)城市軌道交通供電系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行深入分析和研究，是確保供電系統(tǒng)的可靠性和安全性的關(guān)鍵所在。企業(yè)通過識(shí)別和評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，可以采取相應(yīng)的管理措施，減少事故的發(fā)生，提高供電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性[1-3]。

1 供電系統(tǒng)研究

城市軌道交通供電系統(tǒng)一般包括中壓供電網(wǎng)絡(luò)、牽引供電系統(tǒng)、動(dòng)力照明供電系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、雜散電流防護(hù)系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)又包括牽引變電所與牽引網(wǎng)；動(dòng)力照明供電系統(tǒng)又包括降壓變電所與動(dòng)力照明配電系統(tǒng)。

1.1 中壓供電網(wǎng)絡(luò)

中壓供電網(wǎng)絡(luò)是城市軌道交通供電系統(tǒng)的起始環(huán)節(jié)，其主要功能是將高壓輸電線路的電能轉(zhuǎn)換為適合城市軌道交通的中壓電能。中壓供電網(wǎng)絡(luò)由變電站、開關(guān)站等設(shè)施組成，通過中壓配電線路將電能輸送到各個(gè)牽引變電所和動(dòng)力照明變電所。中壓供電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)于整個(gè)供電系統(tǒng)的運(yùn)行起著關(guān)鍵作用。中壓網(wǎng)絡(luò)接線原則每個(gè)分區(qū)由主變電所引兩路獨(dú)立電纜回路供電，中壓網(wǎng)絡(luò)線路末端電壓損失不宜超過其額定電壓值的5%。

1.2 牽引供電系統(tǒng)

牽引供電系統(tǒng)是為城市軌道交通列車提供動(dòng)力的關(guān)鍵子系統(tǒng)。它由牽引變電所和牽引網(wǎng)兩部分組成。牽引變電所主要負(fù)責(zé)將中壓電能轉(zhuǎn)換為適合列車運(yùn)行的直流電，供給牽引網(wǎng)。牽引網(wǎng)則是一種通過接觸線與集電裝置實(shí)現(xiàn)列車動(dòng)力傳輸?shù)南到y(tǒng)，它覆蓋在鐵路軌道上方，為列車提供電力。牽引供電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性直接影響著列車的正常運(yùn)行和乘客的出行體驗(yàn)。

正線牽引變電所分布方案是根據(jù)線路平縱斷面狀況、行車組織方案、車輛編組及負(fù)荷需求等條件，通過牽引供電計(jì)算確定，為保證工程的供電可靠性。

1.3 動(dòng)力照明供電系統(tǒng)

動(dòng)力照明供電系統(tǒng)為城市軌道交通車站和隧道等區(qū)域提供照明和輔助設(shè)備的電力。它由降壓變電所和動(dòng)力照明配電系統(tǒng)組成。降壓變電所將中壓電能轉(zhuǎn)換為適合照明和輔助設(shè)備的低壓電能。動(dòng)力照明配電系統(tǒng)負(fù)責(zé)將電能輸送到車站、站臺(tái)、通道等各個(gè)照明設(shè)備和輔助設(shè)備。動(dòng)力照明供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率對(duì)于乘客的安全和舒適乘車環(huán)境至關(guān)重要。

每個(gè)地下車站一般設(shè)置一座降壓變電所（當(dāng)該站設(shè)有牽引變電所時(shí)與其合建，形成牽引降壓混合變電所），降壓變電所設(shè)置在車站重負(fù)荷端，以減少供電距離。車站內(nèi)燈具均采用LED 節(jié)能型燈具。站臺(tái)板下安全照明及疏散指示照明采用LED 燈。地下區(qū)間正常照明及應(yīng)急照明均采用防水、防塵、防震LED節(jié)能型燈具。照明設(shè)計(jì)為既可以就地控制（站廳、站臺(tái)為照明配電室）也可以由設(shè)在車站綜合控制室BAS系統(tǒng)控制，在照明配電室公共區(qū)照明配電箱的饋出回路中設(shè)照明控制模塊。公共區(qū)及隧道內(nèi)的應(yīng)急照明可由FAS 系統(tǒng)強(qiáng)啟。

1.4 電力監(jiān)控系統(tǒng)

電力監(jiān)控系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理城市軌道交通供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。它包括監(jiān)控中心、監(jiān)測(cè)設(shè)備和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等組成部分。電力監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)供電設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決潛在問題，提高供電系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行效率。

電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）對(duì)牽引降壓混合變電所、降壓變電所、牽引網(wǎng)等主要供電設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)及雜散電流的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、控制、數(shù)據(jù)采集及處理，實(shí)現(xiàn)供電設(shè)備的自動(dòng)化調(diào)度管理，以確保牽引供電系統(tǒng)和全線的電力變配電系統(tǒng)安全可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

電力監(jiān)控系統(tǒng)分為三層：控制中心主站系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸通信通道、被控站系統(tǒng)。被控站設(shè)在牽引降壓混合所。監(jiān)控系統(tǒng)的功能：控制中心主站采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)按功能分散、任務(wù)分擔(dān)、信息共享的原則設(shè)計(jì)。被控站為設(shè)在各所的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，負(fù)責(zé)執(zhí)行端的數(shù)據(jù)采集、發(fā)送及執(zhí)行監(jiān)控中心下達(dá)的命令。

整個(gè)系統(tǒng)能利用顯示終端和大屏幕顯示器組對(duì)各變電所的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)方監(jiān)視，具有遙控、遙信、遙測(cè)、遙調(diào)功能，并對(duì)事故故障信號(hào)進(jìn)行處理，包括燈光、音響信號(hào)及記錄；系統(tǒng)具有計(jì)算、制表等功能，以及在線自檢、防干擾、系統(tǒng)自啟動(dòng)、自恢復(fù)等功能。

1.5 雜散電流防護(hù)

雜散電流防護(hù)系統(tǒng)用于防止城市軌道交通供電系統(tǒng)產(chǎn)生的雜散電流對(duì)其他設(shè)備和系統(tǒng)造成干擾和損害。它采用接地措施和屏蔽裝置等技術(shù)手段，有效地限制和隔離雜散電流的傳播，確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和其他設(shè)備的正常工作。

1.5.1 雜散電流防護(hù)方案

1）應(yīng)確保暢通的牽引回流系統(tǒng)。

2）回流軌系統(tǒng)采用絕緣法安裝，以減少雜散電流。

3）利用整體道床內(nèi)部鋼筋作主排流網(wǎng)。盾構(gòu)隧道采用隔離法。

4）為限制迷流對(duì)隧道內(nèi)各種金屬管線的腐蝕及侵入，對(duì)管線的布置及接地不可與隧道結(jié)構(gòu)鋼筋有直接接觸。

5）道床結(jié)構(gòu)段端部必須引出測(cè)量和連接端子，以便在適當(dāng)時(shí)機(jī)將屏蔽網(wǎng)全部連通。

6）在各牽引變電所內(nèi)設(shè)置排流柜，當(dāng)軌道絕緣水平降低時(shí)啟動(dòng)排流柜排流，限制雜散電流對(duì)隧道結(jié)構(gòu)鋼筋及隧道內(nèi)金屬構(gòu)件的腐蝕。并控制雜散電流向隧道外擴(kuò)散。

7）對(duì)地鐵內(nèi)部的金屬管線及設(shè)備加強(qiáng)絕緣防腐，并限制雜散電流對(duì)金屬管線及設(shè)備的侵入及向地鐵系統(tǒng)外部泄漏。

8）迷流防護(hù)的測(cè)量端子、排流端子盡量采用埋入式端子，其安裝位置應(yīng)靠近走行軌，保證區(qū)間作業(yè)人員行走安全。

1.5.2 雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在車站兩端以內(nèi)50 m 左右的上下行道床及主體結(jié)構(gòu)鋼筋上分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在區(qū)間內(nèi)的上下行道床及主體結(jié)構(gòu)鋼筋上每250 m 分別設(shè)置一處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)由傳感器和參比電極組成，傳感器將采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并送至牽引所監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行信息處理，所內(nèi)監(jiān)測(cè)裝置可對(duì)傳感器實(shí)時(shí)發(fā)布指令進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并將處理信息通過牽引所自動(dòng)化裝置送至控制中心，進(jìn)行全線的信息處理。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由參比電極、測(cè)量端子、傳感器、轉(zhuǎn)接器、監(jiān)測(cè)裝置及信息傳輸通道組成。

2 供電系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)分析

地鐵供電系統(tǒng)是城市軌道交通系統(tǒng)中最為重要的基礎(chǔ)能源設(shè)施，負(fù)責(zé)為地鐵車輛和動(dòng)力照明負(fù)荷提供電源。城市軌道交通用電系統(tǒng)多數(shù)為一級(jí)用電負(fù)荷，須由可靠的電源保證。地鐵供電系統(tǒng)要保證軌道交通暢通無阻，安全、可靠、正常運(yùn)營(yíng)，防止各類電氣事故和災(zāi)害的發(fā)生。供電系統(tǒng)主要風(fēng)險(xiǎn)及系統(tǒng)可靠性的影響因素如下。

2.1 觸電

1）地鐵是以電能為牽引動(dòng)力的城市公共交通運(yùn)輸方式，車輛為電動(dòng)車組，工程涉及的電氣設(shè)備種類多、數(shù)量多，電壓等級(jí)不同（高、低、交、直、強(qiáng)、弱）、線路長(zhǎng)，容量大；各種高低壓變配電裝置、動(dòng)力設(shè)備、照明設(shè)備、控制電器、電氣線路等。如果設(shè)計(jì)、制造、安裝未按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范執(zhí)行；缺少接地、接零保護(hù)及剩余電流保護(hù)等安全保護(hù)措施或保護(hù)措施失靈；缺少安全管理，未實(shí)施嚴(yán)格的規(guī)章制度和操作規(guī)程，使運(yùn)行和維護(hù)不當(dāng)；或因環(huán)境條件惡劣（潮濕、腐蝕、振動(dòng)、高低溫等）；或設(shè)備自然老化及意外原因遭到破壞與損傷，導(dǎo)致帶電部位裸露，當(dāng)人體不慎觸及或過分靠近帶電部位及異常情況的跨步電壓等，有可能發(fā)生電擊、電灼傷的觸電事故。特別是在檢查、檢修作業(yè)中發(fā)生觸電事故概率較大。

2）牽引供電接觸網(wǎng)有直流電壓，正常情況下，對(duì)周圍的金屬結(jié)構(gòu)物會(huì)產(chǎn)生靜電感應(yīng)和過電壓，若防護(hù)措施不當(dāng)或損壞，當(dāng)人體不慎觸及帶電金屬結(jié)構(gòu)物，可能發(fā)生觸電事故。架空接觸網(wǎng)檢修、維護(hù)中易發(fā)生觸電事故，還易發(fā)生高處墜落、車輛傷害事故。

3）日常有帶電檢修作業(yè)，若檢修人員違犯操作規(guī)程、未佩戴有效的勞動(dòng)防護(hù)用品或使用的工器具絕緣電阻不符合要求，均可能導(dǎo)致檢修人員觸電。

4）觸電事故的特點(diǎn)：事故多因缺乏安全用電知識(shí)或不遵守安全操作規(guī)程，違章作業(yè)所致；低壓（220 V ～380 V）觸電事故多發(fā)。

2.2 火災(zāi)、爆炸

1）電氣系統(tǒng)的設(shè)備、裝置、線路因短路、過載、接地、接觸不良等故障，會(huì)產(chǎn)生電氣火花、電弧或者過熱，若控制、隔離等防護(hù)措施設(shè)置不當(dāng)或失效，均可引起電氣火災(zāi)。當(dāng)有瞬時(shí)超強(qiáng)短路、過載電流流過時(shí)，還會(huì)使導(dǎo)線（含母線、開關(guān)、觸頭等）過熱，因金屬迅速氣化而引起爆炸。

2）瓷絕緣由于破損、裂紋及表面嚴(yán)重污穢，其表面絕緣電阻大幅度下降，在空氣潮濕或過電壓情況下發(fā)生電暈、擊穿，會(huì)使電氣設(shè)備的瓷絕緣爆裂。

3）由于電纜防護(hù)層和絕緣層是由可燃物組成的，若電纜選型、購(gòu)置、安裝不符合工藝規(guī)范和安全性要求，或使用中長(zhǎng)時(shí)間過負(fù)荷運(yùn)行、散熱不良，或受外力破壞短路擊穿，或因動(dòng)火作業(yè)等外部火源靠近，都會(huì)引起電纜著火。由于電氣火災(zāi)有沿著線路迅速蔓延的特點(diǎn)，如不及時(shí)撲滅，會(huì)導(dǎo)致事故擴(kuò)大。

4）不良的自然條件（風(fēng)、雨、雪、高低溫）和工作環(huán)境（小動(dòng)物進(jìn)入、導(dǎo)電性粉塵、燃爆物堆放、振動(dòng)、外力破壞等）也可能造成電氣設(shè)備和線路的絕緣破壞，引發(fā)火災(zāi)或爆炸事故。

2.3 中毒窒息

35 kV 側(cè)開關(guān)柜配置SF6 斷路器。SF6 氣體相對(duì)空氣密度為5.11 kg/m3，一旦泄漏并積存于室內(nèi)空間下部，若通風(fēng)不好，當(dāng)SF6 濃度超標(biāo)、空氣中含氧量低于18%時(shí)，人員就有缺氧窒息危險(xiǎn)。另外SF6 本身雖無毒，但在電弧的高溫作用下會(huì)分解出或反應(yīng)生成一些有毒的低氟化物，或與所含微量水分反應(yīng)產(chǎn)生氟化氫等有強(qiáng)烈腐蝕性的劇毒物質(zhì)，一旦泄漏會(huì)導(dǎo)致人員中毒，尤其當(dāng)屋內(nèi)檢修SF6 斷路器時(shí)，若不按規(guī)程規(guī)定進(jìn)行或處理不當(dāng)，其危險(xiǎn)更大。另外，電纜絕緣層著火分解出來的有毒氣體也能產(chǎn)生使人中毒窒息危險(xiǎn)。由于地下相對(duì)密閉，危害性更大。

2.4 高處墜落及物體打擊

供電系統(tǒng)高處維護(hù)檢修作業(yè)時(shí)，若梯、凳、臺(tái)等的防護(hù)措施不符合規(guī)范要求，監(jiān)護(hù)不到位，作業(yè)人員未佩戴安全帶時(shí)，有發(fā)生高處墜落的危險(xiǎn)；也有高處作業(yè)人員攜帶的工具、物品失手墜落，傷及地面人員的物體打擊危險(xiǎn)。

2.5 電磁輻射

地鐵的供變電系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)輻射的電磁波可能對(duì)線路兩側(cè)居民區(qū)開路電視信號(hào)的接收產(chǎn)生一定的影響。接觸網(wǎng)故障放電與受流器離線放電、變電所內(nèi)變電設(shè)施和整流設(shè)施運(yùn)行都會(huì)產(chǎn)生高頻電磁波，對(duì)人有電磁輻射危險(xiǎn)。電磁輻射會(huì)使人體組織、器官受到傷害，造成功能障礙，甚至?xí)l(fā)人身事故和設(shè)備事故。

2.6 電腐蝕

電腐蝕是雜散電流流經(jīng)地下金屬物，如土建結(jié)構(gòu)的鋼筋、設(shè)備的金屬外殼、金屬管道、電纜外皮等產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕，破壞其強(qiáng)度，降低使用壽命，若維護(hù)檢修不及時(shí)，將威脅列車安全運(yùn)營(yíng)，同時(shí)雜散電流流經(jīng)路徑產(chǎn)生對(duì)地電壓，嚴(yán)重時(shí)危及人身安全。

2.7 斷電危險(xiǎn)

電能的供應(yīng)和傳輸是地下鐵道安全、可靠運(yùn)行的保證，盡管采取各種措施以保證供電的連續(xù)和可靠，但外部城網(wǎng)供電與內(nèi)部供電網(wǎng)絡(luò)都不可能永久零故障，中斷或部分中斷供電的可能是存在的。地鐵作為城市交通骨干線路，是出行人員集中的公共場(chǎng)所，特別是地下段，若一旦供電中斷，除影響正常運(yùn)營(yíng)外，各種不安全因素都有可能造成人員傷害、社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)損失。

電力系統(tǒng)過電壓主要有雷電過電壓、操作過電壓和諧振過電壓；其中諧振過電壓在正常運(yùn)行操作中出現(xiàn)頻繁，其危害性較大；過電壓一旦發(fā)生，往往造成電氣設(shè)備損壞和大面積的停電事故。特別在中低壓電網(wǎng)中過電壓事故大多數(shù)都是由諧振現(xiàn)象引起的。

繼電保護(hù)裝置是保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要設(shè)施，在運(yùn)行中發(fā)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，將可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)的穩(wěn)定被破壞、造成相關(guān)重大設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞、或電網(wǎng)瓦解的大面積停電事故。

3 管理措施分析與研究

有效的管理措施對(duì)于減少地鐵供電系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要。為了應(yīng)對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)，以下是一些管理措施建議：

1）針對(duì)觸電風(fēng)險(xiǎn)，交通運(yùn)營(yíng)公司應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范設(shè)計(jì)、制造和安裝電氣設(shè)備，并確保設(shè)備的保護(hù)措施齊全。嚴(yán)格的安全管理措施、規(guī)章制度和操作規(guī)程的實(shí)施能夠確保運(yùn)營(yíng)和維護(hù)的安全性。此外，定期進(jìn)行設(shè)備檢查和維護(hù)，及時(shí)更換老化設(shè)備，修復(fù)受損的部件，能夠減少觸電事故的潛在風(fēng)險(xiǎn)。提供必要的安全培訓(xùn)，確保所有工作人員了解并遵守安全操作規(guī)程也是必要的。

2）要應(yīng)對(duì)火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)，交通運(yùn)營(yíng)公司必須定期檢查和維護(hù)電氣設(shè)備，確保其正常運(yùn)行和防護(hù)措施的有效性。保持設(shè)備的良好通風(fēng)和散熱，以防止過熱引發(fā)火災(zāi)和爆炸。同時(shí)，要確?？刂?、隔離和滅火設(shè)備的有效性，并及時(shí)處理潛在的引發(fā)火災(zāi)的因素，如瓷絕緣件。適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施和培訓(xùn)也很重要，以確保員工能夠正確操作和應(yīng)對(duì)火災(zāi)和爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

3）針對(duì)中毒和窒息風(fēng)險(xiǎn)，交通運(yùn)營(yíng)公司需要嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，正確操作、維護(hù)和處理SF6 斷路器，確保其不泄漏并保持良好的通風(fēng)狀態(tài)。此外，也需要對(duì)工作人員提供適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)設(shè)備和培訓(xùn)，以防止中毒和窒息的危險(xiǎn)。定期檢查電纜絕緣層和防護(hù)設(shè)施的完整性，可以避免有毒氣體泄漏和中毒風(fēng)險(xiǎn)。

4）針對(duì)高處墜落和物體打擊風(fēng)險(xiǎn)，交通運(yùn)營(yíng)公司需要針對(duì)員工工作情況提供適當(dāng)?shù)陌踩O(shè)備和培訓(xùn)，確保在高處維護(hù)和檢修作業(yè)中的員工佩戴安全帶并采取防護(hù)措施。監(jiān)護(hù)和監(jiān)督高處作業(yè)，確保防護(hù)措施符合規(guī)范要求。此外，正確使用和固定工具和物品，以防止意外墜落和物體打擊也很重要。

5）針對(duì)電磁輻射風(fēng)險(xiǎn)，交通運(yùn)營(yíng)公司需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范限制供變電系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁輻射，確保其不會(huì)對(duì)居民區(qū)電視信號(hào)和人體健康產(chǎn)生重大影響。定期檢測(cè)和評(píng)估電磁輻射水平，并采取必要的措施以保護(hù)員工和居民的健康。

6）針對(duì)電腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，交通運(yùn)營(yíng)公司需要建立定期的維護(hù)計(jì)劃，及時(shí)處理電腐蝕問題，防止其對(duì)地下金屬物和使用壽命造成威脅。保持設(shè)備的良好絕緣和接地，以減少對(duì)地電壓的產(chǎn)生也是重要的措施之一。

7）為了應(yīng)對(duì)斷電危險(xiǎn)，交通運(yùn)營(yíng)公司應(yīng)配備備用電源和自動(dòng)切換裝置，以確保供電連續(xù)性。定期檢查和維護(hù)外部城網(wǎng)供電和內(nèi)部供電網(wǎng)絡(luò)，以減少中斷供電的可能性。制定應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃，以便及時(shí)應(yīng)對(duì)斷電情況，并保障乘客和員工的安全。

所有這些管理措施應(yīng)與適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)和教育配套使用，以確保員工和運(yùn)營(yíng)人員了解和遵守相關(guān)的安全規(guī)定和操作指南。

4 小結(jié)

通過本文的研究，期望能進(jìn)一步改進(jìn)和完善城市軌道交通供電系統(tǒng)的可靠性和安全性，為未來的研究和實(shí)踐提供新的思路和方法，為城市軌道交通的可持續(xù)發(fā)展和乘客的出行安全做出貢獻(xiàn)。