接触网“V”形天窗作业感应电压的分析与预防

李 立

接触网“V”形天窗作业感应电压的分析与预防

李 立

分析接触网“V”形天窗停电作业时静电感应和电磁感应2种感应电压形成机理，通过计算静电感应电压、直接供电和直供加回流供电方式下电磁感应电压，得出感应电压大于安全电压的结论，据此提出相应的预防措施，为牵引供电系统安全运行和维护提供借鉴。

接触网；“V”形天窗；感应电压；分析计算；预防措施

0 引言

为缓解繁忙干线铁路运输与设备检修的矛盾，进一步提高运输能力，普速复线电气化铁路接触网维修大多采用“V”形天窗停电作业方式。所谓“V”形天窗，是指在双线自动闭塞区段对接触网进行维修时，每一供电臂依次随列车运行逐一停电、送电，在列车运行图上表现为与列车运行线平行的空白天窗。由于上、下行线路两天窗成“V”形，所以称“V”形天窗。这种作业方式的优点是一条线路的接触网停电检修，另一条线路的接触网正常供电行车，对运输影响较小；缺点是带电线路的接触网会对停电线路的接触网产生较高的感应电压，稍有不慎，易造成作业组成员触电伤害，甚至死亡。例如，2014年9月24日，某接触网工区在“V”形天窗作业撤除地线时，违反操作顺序，盲目先行撤除接地靴，结果触电身亡。因此，必须加强“V”形天窗作业的保护措施，确保作业安全。

1 静电感应电压

静电感应电压是指停电设备处于带电设备产生的电场中，由于静电耦合作用，在停电设备上产生的对地电位。接触网是一种具有较高电压（27.5 kV）且长距离架设的架空输电线路，正常供电时会在周围空间产生高压静电场，当“V”形天窗停电作业时，带电线路的接触网会对停电线路的接触网各线索产生静电感应电压，其大小与上下行线路的间距和平行长度，以及当时的气象状况有关，有时可高达数千伏。

2 电磁感应电势

电磁感应电势是指当停电设备处在带电设备产生的交变磁场中，由于互感耦合作用，在停电设备上产生的感应电势。根据电磁感应原理，当正常供电的接触网线路有电力机车取流时，接触线中交流电流会在周围空间产生交变磁场。由于磁力线切割相邻停电侧的接触线，从而在停电侧接触线中产生感应电动势，该感应电动势产生的电流与带电接触线中的电流方向相反。在磁场作用下，因停电接触线上产生的感应电动势是沿停电接触线纵向分布的，故也称为纵向电动势。其大小与上下行线路的间距和平行长度有关，同时还与牵引电流的大小有关，当正常供电的接触网发生短路时感应电动势更大。

2.1 直接供电方式

直接供电方式下，计算停电检修侧接触线电磁感应电势时，可把牵引网视作2个导线-地回路。正常运行侧接触线-地回路为第1回路，它是产生电磁感应的来源。轨道-地回路为第2回路，它由第1回路中的电流在其上产生感应电流，其方向与第1回路电流方向相反。停电检修侧接触线为第3回路，它受第l回路的影响产生感应电势，同时受第2回路反向电流的影响，使感应电势减弱。停电检修侧接触线上的感应电动势可以表示为

式中，M为上下行接触线间的互感系数，H·km-1；L为上下行接触线的平行长度，km；I为正常供电接触网中的牵引电流（故障时为短路电流），A；f为电流的频率，Hz；λg为钢轨的屏蔽系数，单线取 0.5，复线取 0.33；σ为大地导电率，取1×10-12CGSM。

如图1所示，假设一个供电臂有n台电力机车运行，即供电臂被分成n个区段，由于每个区段的牵引电流和平行接近的长度不同，所以停电侧接触网总的电磁感应电动势为各个区段产生的电磁感应电动势之和。

图1 带电侧供电臂电力机车运行分布示意图

为计算方便，设供电臂长度内平均分布有n台电力机车，每台电力机车取流均为I = 200 A，L = 20 km，λg= 0.5，则停电侧接触网电磁感应电动势为

令n分别等于1，2，3，4，5，则可得感应电动势分别为522.133，783.199，1 044.265，1 305.332，1 566.398 V。

由此可以看出，接触网“V”形天窗停电作业时，停电侧接触网电磁感应电动势大小与正常运行侧接触网线路电力机车取流和分布有关，可从几百伏至上千伏，远高于国际电工委员会规定的“接触网正常工作状态下，感应电动势最大限值为60 V”的标准。

当正常供电的接触网线路末端发生短路时，若短路电流按2 000 A计算，此时电磁感应电动势为

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

可见，正常供电侧接触网短路故障下的电磁感应电动势更大，且同样远高于国际电工委员会规定的“接触网短路故障状态下，感应电动势最大限值为430 V”的标准。

2.2 直供加回流供电方式

对于直供加回流供电方式，回流线一般与接触线同杆架设于线路的田野侧，并经吸上线与轨道并联，通过与接触线间的互感作用，使钢轨中的电流尽可能由回流线流回牵引变电所，所以回流线对接触线的电磁感应有一定的屏蔽能力。由于回流线与轨道并联，所以可以把它们看成一个“回流线+轨道”的等值导线，称为回流网络。此时停电检修侧接触网的电磁感应电动势为回流线和轨道共同作用下正常运行侧接触网对停电检修侧接触网的感应电动势，E = 2πfMLIλgh，其中λgh为回流线和轨道共同作用下的屏蔽系数。

根据图 2所示，若回流线为 LJ-185，rh= 0.165 Ω/km，Rh= 6.63 mm，轨道采用60型钢轨：rg= 0.135 Ω/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，通过以下计算，可求得λgh。

回流线单位自阻抗：

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

轨道单位自阻抗：

Zg=

回流线与等值轨道间的单位互阻抗：

停电侧接触线与回流网络的单位互阻抗：

带电侧接触线与回流网络的单位互阻抗：

停电侧与带电侧两接触线间的单位互阻抗：

回流网络单位自阻抗：

回流线与轨道共同作用下的综合屏蔽系数：

由λgh小于λg，在其他参数不变的情况下，有回流线时的电磁感应电动势要小于没有回流线时的电磁感应电动势，但仍然高于规定限值。

图2 带回流线的直接供电方式电磁感应电压示意图

综上所述，静电感应电压是由带电线路接触网与停电线路接触网之间，以及停电线路接触网与大地之间通过电容耦合，在停电线路接触网上产生的感应电压。电磁感应电动势是由带电线路接触网中牵引电流在其周围产生交变磁场，通过互感耦合在停电线路接触网上产生的感应电压。由于电容耦合和互感耦合的感应电压不是同相位，因此，停电线路接触网总的感应电压为静电感应电压和电磁感应电动势的向量和。

3 安全电压

安全电压是指不致直接使人致死或致残的电压。安全电压值的规定世界各国有所不同。我国根据具体环境条件的不同，安全电压值规定：在无高度触电危险的建筑物中为 65 V，在有高度触电危险的建筑物中为 24 V，在有特别触电危险的建筑物中为12 V。

通过前面的计算知道，接触网“V”形天窗停电作业时的感应电压高达上千伏，是安全电压的几百倍。因此，必须采取可靠措施防止感应电压对作业人员造成的触电伤害。

4 防止感应电压的措施

接触网“V”形天窗停电作业时，防止感应电压的主要措施是接挂地线。因此，地线也被接触网检修人员称作安全线和生命线。

（1）防止静电感应电压。静电感应电压是正常供电侧接触网的高压电场通过空气介质感应过来的，虽然其数值高达数千伏，但通常能量有限。理论计算及实测结果证明，只要将停电侧接触网上的各线索可靠接地，静电感应电压急剧下降，几乎为零。因此，接地线可基本消除静电感应电压。

（2）防止电磁感应电动势。电磁感应电动势是正常供电侧接触网中牵引电流通过交变磁场感应过来的，接地线不能消除电磁感应电动势，但可以通过加挂地线，缩短作业区段两地线间的距离，使作业人员所承受的电磁感应电动势时刻在安全范围内。

因此，《接触网安全工作规程》第65条规定：“V”形天窗停电作业接地线设置还应执行以下要求：两接地线间距大于1 000 m时，需增设地线。

由于电磁感应电动势与带电接触网中牵引电流成正比，所以对牵引变电所、开闭所出口处等“V”形天窗停电作业感应电压较大的地点，应增设地线，从而保证作业区段内的电磁感应电动势始终处于安全电压允许范围内。

如采用梯车作业时，加挂1组随车地线；采用作业车作业时，在作业车作业平台两端加挂随车地线等。

（3）按规章接挂和拆除地线。《接触网安全工作规程》规定：当验明接触网确已停电后，须立即在作业地点的两端和与作业地点相连、可能来电的停电设备上装设接地线。装设接地线时，将接地线的一端先行接地；再将另一端与被停电的导体相连。拆除地线时，其顺序相反。接地线要连接牢固，接触良好。

（4）规范使用劳动保护用品和绝缘工具。作业时，检修人员按规定穿绝缘胶鞋、戴安全帽和劳动保护手套；同时正确使用绝缘手套、绝缘杆等绝缘工具。

5 结语

由于上下行接触网间距很近，且平行距离较长，“V”形天窗作业时的感应电压高达上千伏，严重威胁作业成员生命安全，因此必须高度重视。作业时应严格执行规章，对停电侧接触网采取可靠接地措施，从而确保现场作业安全。

[1] 曹建猷．电气化铁道供电系统[M]．北京：中国铁道出版社，1993．

[2] 中华人民共和国铁道部．接触网安全工作规程[M]．北京：中国铁道出版社，2007．

[3] 铁道部电气化工程局电气化勘测设计院．电气化铁道设计手册牵引供电系统[M]．北京：中国铁道出版社，1988.

[4] 冯宁，王倩．V形天窗中的接触网感应电压的分析与计算[J]．北京：电气化铁道，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. 北京铁路局北京供电段，工程师，电话：13661305702。