论接触网的触电风险与防治

姜 尧 赵 朕

（中国铁路济南局集团有限公司济南供电段，山东 济南 250000）

1 电气化铁路介绍

1.1 电气化铁路的组成

电气化铁路由牵引供电系统与电力机车构成。牵引供电系统：先从国家电网输电线路输送220 kV或110 kV 的电进入铁路牵引变电所，经过牵引变电所变成27.5 kV 的电通过接触网输送至列车，列车通过受电弓采集27.5 kV 的电经过主断路器再进入主变压器，再向牵引电动机供电，最后通过钢轨与回流线回流至牵引变电所，构成完整回路。如图1 所示。

图1 电气化铁路示意图

1.2 电气化铁路技术参数

电气化铁路供电系统的外部电源来自公用电力系统的电网，限制电网输送能力的因素有四个：导线发热、电压损失、功率和能量消耗、稳定破坏。这四个方面都是由电流引起的，解决方法就是提高电压，减小电流。因为三相功率和线电压、线电流的关系为S=UI，当功率一定时，电压越高，电流越小。但是电压提高会造成电器设备的投资增大，因此电网的电压等级一般根据输送功率与输送距离选择，如表1。

表1 电网电压与功率和距离的关系

电气化铁路一直习惯采用110 kV，但是高铁对牵引负荷增大比较明显。时速350 km/h 的铁路按照3 分钟16 辆编组运行时，牵引变电所的负荷瞬间可达170 MV·A，高峰小时可达130 MV·A。由于牵引负荷电流较大（一列动车可达400 A），波动比较剧烈，谐波含量丰富，并且属于单相负荷，为了增大电网对谐波与负荷的承受能力，一般取三个牵引变电所为一大组来平衡三相电流。

接触网的电压等级为25 kV 到30 kV 之间（对地而言）单相工频交流电，对电力机车电压均为25 kV。考虑电压损耗，牵引变电所输出电压为27.5 kV 或55 kV，其中55 kV 为AT 供电方式，主要用于高速电气化铁路中。城市轨道交通的接触网电压一般为直流750 V 或1500 V。

2 接触网触电伤害的防治

2.1 现有的措施

对于接触网上的静电感应产生的感应电，只要将作业区段的两端可靠接地，感应电压值就会急剧下降，离接地线越近，电压就越低，当检修范围过长时感应电压仍较高，此时一般会加挂接地封线。通过现场测试表明，将各线索可靠接地后，在邻线电力牵引的列车运行方式下，电磁感应的感应电的有效值会降到10 V 以下，临线若发生金属性短路时，最大感应电不超过60 V。由于人体的电阻远远高于接地线，所以在接地正常且接触网未开路时，穿越电流对人体的伤害几乎可以忽略，需要保证检修区段内的隔离开关闭合，电连接不得断股散股，若进行断线续接时应采取旁路措施。若检修隔离开关时，要在隔离开关两侧挂个人安保线等电位，防止出现压差。此外，严格执行作业规程，按规定穿戴劳保用品。

2.2 存在的缺陷

即使严格按照停电、验电、挂接地封线、悬挂标志牌及装设防护物的流程作业，仍不能保证绝对安全。停完电，有明显的断开点，使用验电器验明无电，有接地线，可认为是无电的。

但是正常验电器的启动电压为15%～40%，用27.5 kV 验电器验电时虽然不响，但仍可能有4000 V 的电压，并非绝对安全。根据电磁感应原理，导体流过交流电流时，在其周围产生交变磁场，处于交变磁场中的其他导体即产生感应电动势。感应电动势的大小与导体之间的互感及电流的变化率成正比。导体之间的互感，与导体的平行长度成正比，与导体之间的距离成反比（非线性关系），两条线路平行长度越长，平行距离越近，线路电流越大，感应电动势就越高。对耦合电容来说，线路平行长度越长，平行距离越近，线路电压越高，其静电感应电动势也越高。可以将其看为一个V=K*L 的电压源，K 为单位长度所产生的电压，L 为与带电区段平行的有效长度。

3 改善方案

3.1 原因分析

对于接触网触电伤害发生的原因，通过人、机、料、法、环、量六个方面进行分析：

人：在两端悬挂接地线以及等位线时，人会默认此时是无电的，即使此时有电也看不见。

机：接地线或等位线失效。

料：接地线或等位线不合规或出现断股散股。法：未按正确顺序拆挂接地线或等位线。

环：大量的并行线路导致感应电产生，临线来车产生穿越电流。

量：感应电流超过安全电流，导致发生人身伤害。

对IMS技术的网络框架结构进行分析，发现其主要是将SIP协议作为中心的分布式网络架构，因此在研究中要从SIP协议入手对IMS技术加以研究，对协议中定义的多种对象在IMS网络各种网元中融合和改进情况形成明确的认识。

确定了接触网触电伤害的发生“人”的因素最大，因为电是看不见但摸得着的。改善目标是尽量避免感应电或穿越电流伤人的事情出现。

3.2 方案设计

设计了测量感应电流的装置。装置原理是利用电磁感应，电流会伴随产生磁场，电流的变化导致磁场的变化，当产生穿越电流或感应电流时，接触网上的磁场就会变化。根据磁感线切割闭合回路时会产生感应电流，利用感应电流启动报警装置，从而达到报警的目的。最大的难题是通过感应产生的电动势能否驱动装置。

设计雏形：设计一组足够长的绕组，串联上声光报警器，当已停电的接触网中产生电流变化时，绕组感应出感应电动势，启动声光报警器完成报警，可以警示作业人员此时不要触碰接触线，如图2。

图2 设计雏形

存在缺陷：感应出的电动势不稳定且时间短，无法保证每次都启动声光报警器，也有可能烧毁电器元件。

改进电路：还是利用绕组来产生感应电动势，串联上继电器，通过继电器线圈吸合带动继电器接点闭合，此闭合接点作为外接电源的无源节点，外接电源通过此接点与声光报警器串联。当已停电的接触网中产生电流变化时，绕组感应出感应电动势，启动继电器，继电器接点闭合，外接电源与声光报警器构成的回路导通，完成报警，可以警示作业人员此时不要触碰接触线，如图3。

图3 改进措施图

存在缺陷：电路连接完毕后启动不了，通过排查发现继电器最小启动电压为24 V，感应电动势无法达到此数值，所以无法启动。

最终设计：针对之前的电路无法闭合的缺陷进行改进，将绕组中间插入铁芯，使其变成电磁铁。该设计的优势有两个：

（2）铁芯+绕组可以将磁场集中强化，更易被感应。

动作原理：当接触网发生电流变化时绕组+铁芯产生电磁感应并产生磁力，利用磁力将磁感探针内部接点吸合，此闭合接点作为外接电源的无源节点。当该接点闭合时，外接电路导通，声光报警器产生声光报警，可以警示作业人员此时不要触碰接触线，如图4。

图4 报警装置

3.3 方案分析

现根据SWOT 分析法分析该装置：

优势（Strengths）：此装置运行稳定，带自保持功能，一旦感应到电流则立即报警。

劣势（Weakness）：为实时监测，但是无法消除感应电流，当有电流通过时如果职工正在作业，仍会被电击伤害。

机会（Opportunities）：感应电现在除了挂地线等电位线以外很难消除，该装置可带来延申功能。

威胁（Threats）：若磁铁等物品靠近也会报警，此装置还不完善。

上述装置存在最大的缺陷为当线路上产生电流时只能报警，下一步改进设想如图5。

图5 改进设想

从接点处引出接线，串联上二极管与电感，当突然来电时，电感线圈产生感应，反向产生电流，对来电方向的电流进行中和，从而达到保护作业人员的目的。

4 结语

随着社会的进步与对铁路日益增长的需求，列车越开越快，铁道供电也越覆盖越广，电气化铁路是铁路发展的必由之路，接触网作为牵引供电系统的重要组成部分也变得越来越重要。本文研究了铁路的供电方式，接触网的构造与检修模式，接触网检修过程中存在的安全隐患并提出了防治此类安全隐患的一些措施。