李 立

接觸網(wǎng)“V”形天窗作業(yè)感應(yīng)電壓的分析與預(yù)防

李 立

分析接觸網(wǎng)“V”形天窗停電作業(yè)時(shí)靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)2種感應(yīng)電壓形成機(jī)理，通過計(jì)算靜電感應(yīng)電壓、直接供電和直供加回流供電方式下電磁感應(yīng)電壓，得出感應(yīng)電壓大于安全電壓的結(jié)論，據(jù)此提出相應(yīng)的預(yù)防措施，為牽引供電系統(tǒng)安全運(yùn)行和維護(hù)提供借鑒。

接觸網(wǎng)；“V”形天窗；感應(yīng)電壓；分析計(jì)算；預(yù)防措施

0 引言

為緩解繁忙干線鐵路運(yùn)輸與設(shè)備檢修的矛盾，進(jìn)一步提高運(yùn)輸能力，普速復(fù)線電氣化鐵路接觸網(wǎng)維修大多采用“V”形天窗停電作業(yè)方式。所謂“V”形天窗，是指在雙線自動(dòng)閉塞區(qū)段對接觸網(wǎng)進(jìn)行維修時(shí)，每一供電臂依次隨列車運(yùn)行逐一停電、送電，在列車運(yùn)行圖上表現(xiàn)為與列車運(yùn)行線平行的空白天窗。由于上、下行線路兩天窗成“V”形，所以稱“V”形天窗。這種作業(yè)方式的優(yōu)點(diǎn)是一條線路的接觸網(wǎng)停電檢修，另一條線路的接觸網(wǎng)正常供電行車，對運(yùn)輸影響較小；缺點(diǎn)是帶電線路的接觸網(wǎng)會(huì)對停電線路的接觸網(wǎng)產(chǎn)生較高的感應(yīng)電壓，稍有不慎，易造成作業(yè)組成員觸電傷害，甚至死亡。例如，2014年9月24日，某接觸網(wǎng)工區(qū)在“V”形天窗作業(yè)撤除地線時(shí)，違反操作順序，盲目先行撤除接地靴，結(jié)果觸電身亡。因此，必須加強(qiáng)“V”形天窗作業(yè)的保護(hù)措施，確保作業(yè)安全。

1 靜電感應(yīng)電壓

靜電感應(yīng)電壓是指停電設(shè)備處于帶電設(shè)備產(chǎn)生的電場中，由于靜電耦合作用，在停電設(shè)備上產(chǎn)生的對地電位。接觸網(wǎng)是一種具有較高電壓（27.5 kV）且長距離架設(shè)的架空輸電線路，正常供電時(shí)會(huì)在周圍空間產(chǎn)生高壓靜電場，當(dāng)“V”形天窗停電作業(yè)時(shí)，帶電線路的接觸網(wǎng)會(huì)對停電線路的接觸網(wǎng)各線索產(chǎn)生靜電感應(yīng)電壓，其大小與上下行線路的間距和平行長度，以及當(dāng)時(shí)的氣象狀況有關(guān)，有時(shí)可高達(dá)數(shù)千伏。

2 電磁感應(yīng)電勢

電磁感應(yīng)電勢是指當(dāng)停電設(shè)備處在帶電設(shè)備產(chǎn)生的交變磁場中，由于互感耦合作用，在停電設(shè)備上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)正常供電的接觸網(wǎng)線路有電力機(jī)車取流時(shí)，接觸線中交流電流會(huì)在周圍空間產(chǎn)生交變磁場。由于磁力線切割相鄰?fù)ｋ妭?cè)的接觸線，從而在停電側(cè)接觸線中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，該感應(yīng)電動(dòng)勢產(chǎn)生的電流與帶電接觸線中的電流方向相反。在磁場作用下，因停電接觸線上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢是沿停電接觸線縱向分布的，故也稱為縱向電動(dòng)勢。其大小與上下行線路的間距和平行長度有關(guān)，同時(shí)還與牽引電流的大小有關(guān)，當(dāng)正常供電的接觸網(wǎng)發(fā)生短路時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢更大。

2.1 直接供電方式

直接供電方式下，計(jì)算停電檢修側(cè)接觸線電磁感應(yīng)電勢時(shí)，可把牽引網(wǎng)視作2個(gè)導(dǎo)線-地回路。正常運(yùn)行側(cè)接觸線-地回路為第1回路，它是產(chǎn)生電磁感應(yīng)的來源。軌道-地回路為第2回路，它由第1回路中的電流在其上產(chǎn)生感應(yīng)電流，其方向與第1回路電流方向相反。停電檢修側(cè)接觸線為第3回路，它受第l回路的影響產(chǎn)生感應(yīng)電勢，同時(shí)受第2回路反向電流的影響，使感應(yīng)電勢減弱。停電檢修側(cè)接觸線上的感應(yīng)電動(dòng)勢可以表示為

式中，M為上下行接觸線間的互感系數(shù)，H·km-1；L為上下行接觸線的平行長度，km；I為正常供電接觸網(wǎng)中的牽引電流（故障時(shí)為短路電流），A；f為電流的頻率，Hz；λg為鋼軌的屏蔽系數(shù)，單線取 0.5，復(fù)線取 0.33；σ為大地導(dǎo)電率，取1×10-12CGSM。

如圖1所示，假設(shè)一個(gè)供電臂有n臺電力機(jī)車運(yùn)行，即供電臂被分成n個(gè)區(qū)段，由于每個(gè)區(qū)段的牽引電流和平行接近的長度不同，所以停電側(cè)接觸網(wǎng)總的電磁感應(yīng)電動(dòng)勢為各個(gè)區(qū)段產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電動(dòng)勢之和。

圖1 帶電側(cè)供電臂電力機(jī)車運(yùn)行分布示意圖

為計(jì)算方便，設(shè)供電臂長度內(nèi)平均分布有n臺電力機(jī)車，每臺電力機(jī)車取流均為I = 200 A，L = 20 km，λg= 0.5，則停電側(cè)接觸網(wǎng)電磁感應(yīng)電動(dòng)勢為

令n分別等于1，2，3，4，5，則可得感應(yīng)電動(dòng)勢分別為522.133，783.199，1 044.265，1 305.332，1 566.398 V。

由此可以看出，接觸網(wǎng)“V”形天窗停電作業(yè)時(shí)，停電側(cè)接觸網(wǎng)電磁感應(yīng)電動(dòng)勢大小與正常運(yùn)行側(cè)接觸網(wǎng)線路電力機(jī)車取流和分布有關(guān)，可從幾百伏至上千伏，遠(yuǎn)高于國際電工委員會(huì)規(guī)定的“接觸網(wǎng)正常工作狀態(tài)下，感應(yīng)電動(dòng)勢最大限值為60 V”的標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)正常供電的接觸網(wǎng)線路末端發(fā)生短路時(shí)，若短路電流按2 000 A計(jì)算，此時(shí)電磁感應(yīng)電動(dòng)勢為

E = 2πfMLIλg= 2×3.14 ×50×8.31×10-4× 20×2 000×0.5 = 5 221.337 V

可見，正常供電側(cè)接觸網(wǎng)短路故障下的電磁感應(yīng)電動(dòng)勢更大，且同樣遠(yuǎn)高于國際電工委員會(huì)規(guī)定的“接觸網(wǎng)短路故障狀態(tài)下，感應(yīng)電動(dòng)勢最大限值為430 V”的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 直供加回流供電方式

對于直供加回流供電方式，回流線一般與接觸線同桿架設(shè)于線路的田野側(cè)，并經(jīng)吸上線與軌道并聯(lián)，通過與接觸線間的互感作用，使鋼軌中的電流盡可能由回流線流回牽引變電所，所以回流線對接觸線的電磁感應(yīng)有一定的屏蔽能力。由于回流線與軌道并聯(lián)，所以可以把它們看成一個(gè)“回流線+軌道”的等值導(dǎo)線，稱為回流網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)停電檢修側(cè)接觸網(wǎng)的電磁感應(yīng)電動(dòng)勢為回流線和軌道共同作用下正常運(yùn)行側(cè)接觸網(wǎng)對停電檢修側(cè)接觸網(wǎng)的感應(yīng)電動(dòng)勢，E = 2πfMLIλgh，其中λgh為回流線和軌道共同作用下的屏蔽系數(shù)。

根據(jù)圖 2所示，若回流線為 LJ-185，rh= 0.165 ?/km，Rh= 6.63 mm，軌道采用60型鋼軌：rg= 0.135 ?/km，Rg= 12.79 mm，dg= 1 435mm，dj2·g= 6 m，dj2·h= 4 m，d = 5 m。

Dg= 0.20829 486.35 cm，通過以下計(jì)算，可求得λgh。

回流線單位自阻抗：

Zh= rh+ 0.05 + j0.145 lg (Dg/ Rh) = 0.212 + j0.674 (?/km)

軌道單位自阻抗：

Zg=

回流線與等值軌道間的單位互阻抗：

停電側(cè)接觸線與回流網(wǎng)絡(luò)的單位互阻抗：

帶電側(cè)接觸線與回流網(wǎng)絡(luò)的單位互阻抗：

停電側(cè)與帶電側(cè)兩接觸線間的單位互阻抗：

回流網(wǎng)絡(luò)單位自阻抗：

回流線與軌道共同作用下的綜合屏蔽系數(shù)：

由λgh小于λg，在其他參數(shù)不變的情況下，有回流線時(shí)的電磁感應(yīng)電動(dòng)勢要小于沒有回流線時(shí)的電磁感應(yīng)電動(dòng)勢，但仍然高于規(guī)定限值。

圖2 帶回流線的直接供電方式電磁感應(yīng)電壓示意圖

綜上所述，靜電感應(yīng)電壓是由帶電線路接觸網(wǎng)與停電線路接觸網(wǎng)之間，以及停電線路接觸網(wǎng)與大地之間通過電容耦合，在停電線路接觸網(wǎng)上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。電磁感應(yīng)電動(dòng)勢是由帶電線路接觸網(wǎng)中牽引電流在其周圍產(chǎn)生交變磁場，通過互感耦合在停電線路接觸網(wǎng)上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓。由于電容耦合和互感耦合的感應(yīng)電壓不是同相位，因此，停電線路接觸網(wǎng)總的感應(yīng)電壓為靜電感應(yīng)電壓和電磁感應(yīng)電動(dòng)勢的向量和。

3 安全電壓

安全電壓是指不致直接使人致死或致殘的電壓。安全電壓值的規(guī)定世界各國有所不同。我國根據(jù)具體環(huán)境條件的不同，安全電壓值規(guī)定：在無高度觸電危險(xiǎn)的建筑物中為 65 V，在有高度觸電危險(xiǎn)的建筑物中為 24 V，在有特別觸電危險(xiǎn)的建筑物中為12 V。

通過前面的計(jì)算知道，接觸網(wǎng)“V”形天窗停電作業(yè)時(shí)的感應(yīng)電壓高達(dá)上千伏，是安全電壓的幾百倍。因此，必須采取可靠措施防止感應(yīng)電壓對作業(yè)人員造成的觸電傷害。

4 防止感應(yīng)電壓的措施

接觸網(wǎng)“V”形天窗停電作業(yè)時(shí)，防止感應(yīng)電壓的主要措施是接掛地線。因此，地線也被接觸網(wǎng)檢修人員稱作安全線和生命線。

（1）防止靜電感應(yīng)電壓。靜電感應(yīng)電壓是正常供電側(cè)接觸網(wǎng)的高壓電場通過空氣介質(zhì)感應(yīng)過來的，雖然其數(shù)值高達(dá)數(shù)千伏，但通常能量有限。理論計(jì)算及實(shí)測結(jié)果證明，只要將停電側(cè)接觸網(wǎng)上的各線索可靠接地，靜電感應(yīng)電壓急劇下降，幾乎為零。因此，接地線可基本消除靜電感應(yīng)電壓。

（2）防止電磁感應(yīng)電動(dòng)勢。電磁感應(yīng)電動(dòng)勢是正常供電側(cè)接觸網(wǎng)中牽引電流通過交變磁場感應(yīng)過來的，接地線不能消除電磁感應(yīng)電動(dòng)勢，但可以通過加掛地線，縮短作業(yè)區(qū)段兩地線間的距離，使作業(yè)人員所承受的電磁感應(yīng)電動(dòng)勢時(shí)刻在安全范圍內(nèi)。

因此，《接觸網(wǎng)安全工作規(guī)程》第65條規(guī)定：“V”形天窗停電作業(yè)接地線設(shè)置還應(yīng)執(zhí)行以下要求：兩接地線間距大于1 000 m時(shí)，需增設(shè)地線。

由于電磁感應(yīng)電動(dòng)勢與帶電接觸網(wǎng)中牽引電流成正比，所以對牽引變電所、開閉所出口處等“V”形天窗停電作業(yè)感應(yīng)電壓較大的地點(diǎn)，應(yīng)增設(shè)地線，從而保證作業(yè)區(qū)段內(nèi)的電磁感應(yīng)電動(dòng)勢始終處于安全電壓允許范圍內(nèi)。

如采用梯車作業(yè)時(shí)，加掛1組隨車地線；采用作業(yè)車作業(yè)時(shí)，在作業(yè)車作業(yè)平臺兩端加掛隨車地線等。

（3）按規(guī)章接掛和拆除地線?！督佑|網(wǎng)安全工作規(guī)程》規(guī)定：當(dāng)驗(yàn)明接觸網(wǎng)確已停電后，須立即在作業(yè)地點(diǎn)的兩端和與作業(yè)地點(diǎn)相連、可能來電的停電設(shè)備上裝設(shè)接地線。裝設(shè)接地線時(shí)，將接地線的一端先行接地；再將另一端與被停電的導(dǎo)體相連。拆除地線時(shí)，其順序相反。接地線要連接牢固，接觸良好。

（4）規(guī)范使用勞動(dòng)保護(hù)用品和絕緣工具。作業(yè)時(shí)，檢修人員按規(guī)定穿絕緣膠鞋、戴安全帽和勞動(dòng)保護(hù)手套；同時(shí)正確使用絕緣手套、絕緣桿等絕緣工具。

5 結(jié)語

由于上下行接觸網(wǎng)間距很近，且平行距離較長，“V”形天窗作業(yè)時(shí)的感應(yīng)電壓高達(dá)上千伏，嚴(yán)重威脅作業(yè)成員生命安全，因此必須高度重視。作業(yè)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)章，對停電側(cè)接觸網(wǎng)采取可靠接地措施，從而確?，F(xiàn)場作業(yè)安全。

[1] 曹建猷．電氣化鐵道供電系統(tǒng)[M]．北京：中國鐵道出版社，1993．

[2] 中華人民共和國鐵道部．接觸網(wǎng)安全工作規(guī)程[M]．北京：中國鐵道出版社，2007．

[3] 鐵道部電氣化工程局電氣化勘測設(shè)計(jì)院．電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊牽引供電系統(tǒng)[M]．北京：中國鐵道出版社，1988.

[4] 馮寧，王倩．V形天窗中的接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓的分析與計(jì)算[J]．北京：電氣化鐵道，2009，（5）：23-25．

Analyzes the mechanism of formation of static inductive voltage and two types of electromagnetic inductive voltage during OCS “V” type skylight power off operation, obtains the conclusion that the inductive voltage is higher than safe voltage, based on which relative prevention measures have been put forward, and these provide references for safety operation and maintenance of traction power supply system.

OCS; “V” type skylight; inductive voltage; analysis and calculation; prevention measures

U226.8

：B

：1007-936X(2015)03-0024-03

2014-11-11

李 立. 北京鐵路局北京供電段，工程師，電話：13661305702。