接触网感应电压与穿越电流的分析与防护

2012-06-19上海铁路局调度所

上海铁道增刊 2012年3期

关键词：装设天窗接触网

施麒上海铁路局调度所

在普速复线和高速（客专）电气化铁路接触网检修、抢修中，为了减少对运输能力的影响，供电部门一般都利用V形天窗进行作业，即一线停电而邻线正常供电。在这种供电模式下，邻线会对停电线路产生感应电压，邻线的回流电流也仍然会流过停电线路的回流系统。

感应电压与穿越电流在V形天窗作业中对作业人员的安全都会产生很大威胁，特点又各有不同。对感应电压和穿越电流的防护，规章有不同的规定，但现场检修中存在互相混淆的情况，其主要原因是对感应电压及穿越电流的成因及危害认识不清。

1 感应电压与穿越电流的产生

1.1 感应电压

邻线带电接触网作用于停电线路上的感应电分为两种。一种是由于线路与大地、空气之间存在耦合电容，从而产生的静电感应电压。另一种是带电线路在周围产生的交变磁场，通过电磁感应作用在停电线路上产生的感应电动势。两种感应电的叠加形成V形天窗区段停电线路上的感应电压。

1.1.1 静电感应电压的计算

如图1，导线1为带电接触网导线，导线2为停电接触网导线，导线1′为导线1以大地为平面的镜像，由此可得:

上二式中，d为两条接触网导线间水平距离，b为接触网对地垂直高度。R为接触网导线等效半径，τ为接触线上单位长度的电荷，ε为介质的介电常数。

图1 静电感应电压示意图

由于环境因素，还需乘以一个屏蔽系数。由于式（1）计算的是单位长度的电压，还应乘以并行长度l，才能得到并行长度电压。

1.1.2 电磁感应电压的计算（带回流线）

目前在我局普速铁路中，基本都采用直供加回流的供电方式，停电接触线感应电动势为

式（2）中，为电流的频率，M为上下行接触线间互感系数，l为上下行接触线平行长度，I为带电接触线上流过的电流。λgh为回流线和铁轨共同作用下的屏蔽系数，一般取λgh=0.53。

1.1.3 实际接触网V形天窗感应电压

在实际V形天窗作业中，测得如表1所示在不同条件下的接触网感应电压的值。可以看出在无接地情况下，实际接触网感应电压高达3000 V以上，在两端接地后，接地线之间的感应电压显著下降。

表1 现场实测不同条件下的感应电压

1.2 穿越电流

在电气化铁路中，牵引电流从牵引变电所经过接触网流入电力机车，再从电力机车经过钢轨、大地、回流线回到牵引变电所。从电力机车流回牵引变电所的电流称为牵引回流。如图2所示。

图2 接触网牵引回流示意图

在V形天窗作业时，邻线不停电线路仍然有电力机车取流，回流系统中就会有牵引回流出现，停电线路与不停电线路的接触网利用绝缘装置可以隔开，但由于上、下行钢轨通过车站渡线及道岔、扼流变压器以及大地互相连通，所以牵引电流通过钢轨回流时，上、下行钢轨均有牵引回流经过。

当停电线路的接触网作业装设接地线（通常是要和钢轨相联）时，作业区两端的接地线将钢轨与接触网并联，于是接触网成为回流系统的一条支路，接触网上产生分流，现场将其叫做穿越电流。

2 感应电压与穿越电流的特点与危害

2.1 感应电压的特点

从对感应电压的计算分析可以知道，由于接触线水平间距和垂直高度是一定的，静电感应电压的大小与带电接触线电压大小、天气环境因素造成的静电屏蔽系数有关。而电磁感应电压的大小与天气环境、导线上流过的电流、接触网并行长度有密切关系。

2.2 穿越电流的特点

影响穿越电流的因素比较复杂，其存在与回流系统中导流设备的装设位置和连接状态以及检修时接地线的装设设置有关，其大小与回流系统的电气参数、电力机车的取流大小和运行位置有关。图3为典型的穿越电流伤人示意图。

图3 穿越电流造成人身伤害示意图

2.3 危害

感应电压的实际大小如表1，在不装设接地线的情况下可以达到3 kV以上的高电压。在带电的邻线接触网有电力机车运行时，感应电压的数值会更大，在发生金属性接地短路的情况下，感应电压则会瞬间急剧升高。

在进行V形天窗检修时，采取装设接地线等防护措施后，尽管钢轨、回流线、接触线中有穿越电流经过，由于钢轨和回流线通过吸上线连通、作业区端两端接触线和钢轨通过接地线可靠连接，所以正常情况下穿越电流都是从钢轨、回流线、接触网流过，不会对作业人员造成危害，但是，一旦有其它因素造成这些主导电回路开路，穿越电流就会从正在断开点位置作业的人员身体流过（如图3所示）。

穿越电流通过作业人员身体所分流的电流值与带电邻线的牵引回流大小、回流系统的电气参数以及人员自身和所持机具的阻抗等因素有关，且数值与钢轨、回流线中的牵引回流相比，所占比例非常小。但是，人体所能承受的电流值一般不超过15 mA，否则即有生命危险。

所以，不论是感应电压还是穿越电流，对于现场作业人员的安全都是严重的威胁。

3 感应电压与穿越电流的防护措施

感应电压和穿越电流都是在V形天窗接触网停电后，在停电接触网和设备中存在的安全隐患。所不同的是，感应电压存在的形式单一，而穿越电流就比较复杂。

3.1 感应电压的防护

静电感应电压虽然电压数值比较高，但由于是通过空气介质感应而来，通常能量有限，采取接地措施就可消除。电磁感应电压通过接地后，电压有效值即趋于零。所以，对于感应电压的最有效的手段是可靠接地。

从对感应电压的计算公式可以知道，感应电压与并行接触线的长度密切相关，其电压大小与接触线并行长度成正比。因此，为了确保安全，必须在作业区段的两端分别装设可靠地接地线，从而将接触线的有效并行长度尽可能减少到最小，仅一端接地并不能对感应电压进行防护，还可能同时被穿越电流击伤，如图3中b图所示。在作业范围较大的情况下，随车地线是比较重要的防护措施，《接触网检规》中也有如作业范围超过1000 m需增设接地线的规定。

在任何情况下，作业区两端挂有可靠连接的接地线是确保防止感应电压伤害的绝对有效手段，但更应当考虑在检修过程中的设备状态变化后是否仍然满足两端接地的条件，这需要作业前进行充分的安全预想。

3.2 穿越电流的防护

穿越电流具有隐蔽性、路径和大小很难确定，对人的伤害具有较大偶然性，因而容易被忽视。目前现场作业人员对于感应电压有很高的重视程度，往往对于穿越电流的认识较为薄弱，甚至将对于感应电压的防护和对于穿越电流的防护互相混淆，这是非常危险的。2011年8月铁道部就通报了某局发生一起拆除负荷隔离开关引线作业，由穿越电流造成作业人员触电死亡的恶性事故。

穿越电流其实就是牵引回流的某一条支路，所以对于穿越电流的防护关键点在于保证回流系统中主导电回路的完整与畅通，在检修作业过程中禁止人为地在导电回路上制造新的断开点，或者用身体机具将已断开点导通。采取旁路措施（如设置短接线连接）是针对穿越电流进行防护的有效手段。在检修特殊设备特殊点时，如隔离开关、分段绝缘器、电分段锚段关节、吸上线、扼流变相关设备等，必须先采取旁路措施，将可能在检修中产生断开点的两端短接。在进行断线接续、绝缘子检修，和将导线连接后会造成新回流支路的作业时，必须先用短接线连接，使可能会产生断开点的设备等电位，以此进行穿越电流的防护。