基于轨迹交叉理论的电力设施保护策略和措施

2022-11-09孙广通

电力安全技术 2022年10期

孙广通

(广东电网有限责任公司广州供电局，广东广州 510620)

0 引言

在正常运行状态下，电力架空线路通过输电杆塔实现升高、支撑、固定等作用，保持带电导线垂直对地、水平对物有足够安全径向间距；电缆线路通过各类绝缘层实现绝缘，保持带电导线对外有足够安全绝缘强度。

当吊车、塔吊等大型起重机械金属部件突破电力架空线路安全间距，挖掘机、盾构机等掘地设备破坏电缆线路绝缘层时，带电导线瞬间失去传输和分配电能的作用，沿外力介入放电途径发生短路，即电力设施外力破坏。当电力管线发生外力破坏时，会干扰电网正常运行方式和潮流趋势，危及电网稳定和电力供应，损伤或损毁输电线路设施，电击或电伤周边人员，引发物体碰撞、人员受困、交通瘫痪、火灾失控等二次事故。因此，电力设施运维单位和相关责任主体应采取措施防范电力设施外力破坏事件的发生。下面从轨迹交叉理论分析电力设施外力破坏产生机理，探讨电力设施保护策略，提出针对性技术防范措施。

1 轨迹交叉理论

轨迹交叉理论由约翰逊(W．g．ionson)和斯奇巴(Skiba)等安全工程学专家提出，是一种从事故的直接原因和间接原因出发研究事故致因的理论。

1.1 理论观点

在事故致因诸多理论当中，轨迹交叉理论强调人系统和物系统在事故致因层面占有同等地位[1]。人的不安全行为和物的不安全状态均可能会导致事故的发生，人系统和物系统在时间和空间的风险轨迹交叉点就是事故发生的时空载体。轨迹交叉理论事故模型如图1所示。

图1 轨迹交叉理论事故模型

通过落实事前安全措施，干预人系统和物系统在风险运动轨迹的动态相交，就可避免风险、隐患向事件、事故方向发展。

1.2 释放能量时间累积

根据能量意外释放理论，设fi(t)为某一事件过程中可能释放的一系列意外能量(i=1，2，3，…，n)，E为在某一段时间上的累积，E0为事故发生时所需能量的临界值，t1为事件起始时间，t2为事件终止时间。则有：

当E≥E0时，释放能量在时间上的累积达到临界值，即可造成事故事件[2]。

1.3 轨迹交叉时空累积

根据能量意外释放理论和轨迹交叉理论，设t代表时间的量，v代表空间的量，gi(t，v)为人的不安全行为导致能量在时间与空间上的意外释放，hi(t，v)为物的不安全状态导致能量在时间与空间上的意外释放，fi(gi(t，v)，hi(t，v))为人的不安全行为与物的不安全状态在时间与空间上交叉导致的能量意外释放，其中i=1，2，3，…，n。G为事件在时间与空间上能量的累积。则有：

当G≥E0时，释放能量在时间上和空间上的累积达到临界值，即可造成事件或事故[2]。

2 模型分析

电力架空线路和电缆线路穿越地上或地下的自然公共空间，同住建、交通、水务、市政等行业施工项目在时空轨迹分布上存在邻近、重叠、穿越或交叉等时空关联，为两种独立业态发生轨迹交叉创建地缘时空分布关系。

2.1 还原场景

设某工地分布输电塔线、配电杆线和电缆线路等电力管线，电压等级包括10 kV，110 kV，220 kV和500 kV，施工单元包括塔吊、起重机械、挖掘机械和顶管机械等大型工程机械。

常见电力设施保护区固定工地危险源场景[3]如图2所示。

图2 电力设施保护区典型施工场地危险源现场还原

对于地面架设的电力线路，外力破坏风险点主要来源于空中水平方向的塔吊、垂直方向的吊车等大型工程机械超越安全极限距离，引发物理时空轨迹交叉或次生倾倒隐患。对于地下敷设的电缆线路，外力破坏风险点主要来源于地面开挖、钻探，地下顶管、盾构等动土作业引发物理时空轨迹交叉或次生悬空隐患。

2.2 建立模型

在电力设施保护区及其周边分布的各类施工场地内，电力线路导电部分承载电能，杆塔、管沟等支持或附属设施承载势能，形成施工作业面内物的不安全状态[4]；起重机械、挖掘机械、顶管机械等作业活动轨迹点，形成作业面内人的不安全行为。电力设施保护区内生产作业或活动轨迹同上述能量载体发生电气连接或物理连接引发能量释放累积量超过临界值E0，导致发生电力设施因施工外力破坏发生的电气事故或机械事故。电力设施保护区施工场地常见物的不安全状态和人的不安全行为如表1所示。

表1 常见物的不安全状态和人的不安全行为统计

2.3 危险区域

引发模型内电能和势能轨迹交叉时空能量释放量G≥E0的因素较多，主要取决于两种业态能量轨迹时空距离是否接近或突破极限距离d0，还包括交叉点及其周边的风向、风速、温度、湿度等因素。为正确区分外力破坏发生的可能性和严重性，必须正确划分时空交叉状态危险区域的大小和级别。

针对目前国内建筑施工来看，中小企业占据了很大比重。对于这些企业而言，施工管理人员组成相对国营企业和大企业来说，缺乏合理性及科学性，管理人员的专业素养以及水平参差不齐，给施工管理带来了很多不利的影响[3]。另外，这些企业往往没有配备相应的岗位职责人员，导致管理过程中极易出现漏洞，要么多人重复管理一项职务，要么无人管，很容易出现一个人身兼多职的现象。一旦出现问题，很容易出现逃避责任的问题。

根据电能发生放电触电短路和势能发生机械能量释放的电压等级或敷设位置，结合《电力设施保护条例》和《电业安全工作规程》等法律法规和标准技术文献规定，将外力破坏危险区域设置划分为事故区(0区)、隐患区(1区)和风险区(2区)[5]等三个区。

2．3．1 事故区(0区)

指电力设施正常运行时，外部扰动单元达到特定时空距离d0内，极易引发G≥E0，引发外力破坏事故发生。

2．3．2 隐患区(1区)

指电力设施正常运行时，外部扰动单元达到特定时空距离d1内，较易引发G≥E0，导致外力破坏事故发生。

2．3．3 风险区(2区)

指电力设施正常运行时，外部扰动单元达到特定时空距离d2内，可能引发G≥E0，导致外力破坏事故发生。

表2 危险区域等级划分

输电架空线路、电缆线路和杆塔拉线等物的不安全状态，危险区域划分界限如图3、图4和图5所示。

图3 输电架空线路现场危险区域划分

图4 电缆线路现场危险区域划分

图5 杆塔线路现场危险区域划分

3 策略探讨

通过消除电力设施载电静态危险轨迹分布化解物的不安全状态，通过约束作业单元活动轨迹发展空间管控人的不安全行为，控制两类危险源活动轨迹的发展交叉，实现事前管控。主要包括直接安全技术措施、间接安全技术措施、提示性安全技术措施和补充安全措施。

3.1 直接安全技术措施

通过施工前期勘测、设计等环节完成电力设施本体迁移，在主体工程施工前消除或减小电能载体和势能载体等物的不安全状态，从本质安全层面上隔绝人的不安全行为等轨迹时空交叉能量释放。

3.2 间接安全技术措施

3．2．1 防护措施

(1) 屏护。对于地面电力架空线路，屏护是采用遮栏、栅栏等组成限位绳、限高架、防撞墩等防护装置进行保护。对于地下电缆线路，屏护是采用护罩、护盖等组成隔离档板等防护装置进行保护。屏护能将电能载体或势能载体等物的不安全状态同外界人的不安全行为隔绝，能防止人的无意识、有意识触及或过分接近物的能量载体，隔离轨迹发展到事故区(0区)交叉点。通常设置在风险区(2区)。

(2) 绝缘。对于10 kV及以下的配电架空裸导线，绝缘是将裸导线更换成绝缘导体，或在风险杆段解口为裸导线增加绝缘护套，将事故区(0区)范围缩小至绝缘护套导电导体本体。

3．2．2 保护措施

(1) 限位设置。对于地面电力架空线路，通过设置吊车限高装置、塔吊水平限位装置限制机械部位穿越隐患区(1区)进入事故区(0区)。通常结合屏护措施使用。

（2）光电联锁。通过对吊车、吊塔等大型活动工程机械设置有源光电探测装置，用于探测机械部位进入隐患区(1区)和事故区(0区)时发出机械停止联锁信号，搭配发出光电提醒信号。通常结合屏护措施使用。

3.3 提示性安全技术措施

如果以上两步技术措施不能实现或不能完全实现时，应使用安全提示信息明确警告剩余风险，对风险区(2区)及其周边人的不安全行为进行提醒。通常结合安全色、安全标志进行现场应用。提示性安全技术措施不能够代替直接或间接安全措施。

3.4 补充安全措施

制定应急预案，指明受困人员脱险的安全要点，人员触电或机械伤害后的急救措施，发生火灾等次生灾害的消防措施。

4 措施应用

4.1 排查电力设施现场分布

对于开放式分布的架空电力线路，排查电能载体导线和势能载体杆塔的地理分布。对于隐蔽式分布的埋地电缆线路，根据管线备案坐标、路面设备标桩、第三方物探和试掘等方式确定电缆埋深、走向等基础信息。将上述危险区域划分为事故区(0区)、隐患区(1区)和风险区(2区)充分排查。

4.2 提出针对性综合管控策略

根据现场电力设施分布和危险区域划分结论，结合施工场地出现的各种起吊、钻探、打桩等活动轨迹分布情况，排查出轨迹交叉重叠、交叉和临近状态；结合现场拟定可行的直接、间接和提示性安全技术措施及补充保护措施，实现物的不安全状态和人的不安全行为的时空隔绝。

4.3 落实现场安全措

制定电力设施保护方案。内容包括：迁改电力设备等直接性安全技术措施；设置限位绳、限高架、防撞墩等防护措施，必要时配备大型工程机械限位装置和光电联锁装置，屏护全部事故区(0区)和隐患区(1区)，全面落实间接性安全技术措施；摆放或张贴由安全色和安全标识结合形成的安全标示，提醒剩余安全风险；拟定应急抢险预案。