施 麒 上海鐵路局調(diào)度所
在普速?gòu)?fù)線和高速(客專)電氣化鐵路接觸網(wǎng)檢修、搶修中,為了減少對(duì)運(yùn)輸能力的影響,供電部門一般都利用V形天窗進(jìn)行作業(yè),即一線停電而鄰線正常供電。在這種供電模式下,鄰線會(huì)對(duì)停電線路產(chǎn)生感應(yīng)電壓,鄰線的回流電流也仍然會(huì)流過(guò)停電線路的回流系統(tǒng)。
感應(yīng)電壓與穿越電流在V形天窗作業(yè)中對(duì)作業(yè)人員的安全都會(huì)產(chǎn)生很大威脅,特點(diǎn)又各有不同。對(duì)感應(yīng)電壓和穿越電流的防護(hù),規(guī)章有不同的規(guī)定,但現(xiàn)場(chǎng)檢修中存在互相混淆的情況,其主要原因是對(duì)感應(yīng)電壓及穿越電流的成因及危害認(rèn)識(shí)不清。
鄰線帶電接觸網(wǎng)作用于停電線路上的感應(yīng)電分為兩種。一種是由于線路與大地、空氣之間存在耦合電容,從而產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電壓。另一種是帶電線路在周圍產(chǎn)生的交變磁場(chǎng),通過(guò)電磁感應(yīng)作用在停電線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。兩種感應(yīng)電的疊加形成V形天窗區(qū)段停電線路上的感應(yīng)電壓。
1.1.1 靜電感應(yīng)電壓的計(jì)算
如圖1,導(dǎo)線1為帶電接觸網(wǎng)導(dǎo)線,導(dǎo)線2為停電接觸網(wǎng)導(dǎo)線,導(dǎo)線1′為導(dǎo)線1以大地為平面的鏡像,由此可得:
上二式中,d為兩條接觸網(wǎng)導(dǎo)線間水平距離,b為接觸網(wǎng)對(duì)地垂直高度。R為接觸網(wǎng)導(dǎo)線等效半徑,τ為接觸線上單位長(zhǎng)度的電荷,ε為介質(zhì)的介電常數(shù)。
圖1 靜電感應(yīng)電壓示意圖
由于環(huán)境因素,還需乘以一個(gè)屏蔽系數(shù)。由于式(1)計(jì)算的是單位長(zhǎng)度的電壓,還應(yīng)乘以并行長(zhǎng)度l,才能得到并行長(zhǎng)度電壓。
1.1.2 電磁感應(yīng)電壓的計(jì)算(帶回流線)
目前在我局普速鐵路中,基本都采用直供加回流的供電方式,停電接觸線感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為
式(2)中,為電流的頻率,M為上下行接觸線間互感系數(shù),l為上下行接觸線平行長(zhǎng)度,I為帶電接觸線上流過(guò)的電流。λgh為回流線和鐵軌共同作用下的屏蔽系數(shù),一般取λgh=0.53。
1.1.3 實(shí)際接觸網(wǎng)V形天窗感應(yīng)電壓
在實(shí)際V形天窗作業(yè)中,測(cè)得如表1所示在不同條件下的接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓的值??梢钥闯鲈跓o(wú)接地情況下,實(shí)際接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓高達(dá)3000 V以上,在兩端接地后,接地線之間的感應(yīng)電壓顯著下降。
表1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)不同條件下的感應(yīng)電壓
在電氣化鐵路中,牽引電流從牽引變電所經(jīng)過(guò)接觸網(wǎng)流入電力機(jī)車,再?gòu)碾娏C(jī)車經(jīng)過(guò)鋼軌、大地、回流線回到牽引變電所。從電力機(jī)車流回牽引變電所的電流稱為牽引回流。如圖2所示。
圖2 接觸網(wǎng)牽引回流示意圖
在V形天窗作業(yè)時(shí),鄰線不停電線路仍然有電力機(jī)車取流,回流系統(tǒng)中就會(huì)有牽引回流出現(xiàn),停電線路與不停電線路的接觸網(wǎng)利用絕緣裝置可以隔開,但由于上、下行鋼軌通過(guò)車站渡線及道岔、扼流變壓器以及大地互相連通,所以牽引電流通過(guò)鋼軌回流時(shí),上、下行鋼軌均有牽引回流經(jīng)過(guò)。
當(dāng)停電線路的接觸網(wǎng)作業(yè)裝設(shè)接地線(通常是要和鋼軌相聯(lián))時(shí),作業(yè)區(qū)兩端的接地線將鋼軌與接觸網(wǎng)并聯(lián),于是接觸網(wǎng)成為回流系統(tǒng)的一條支路,接觸網(wǎng)上產(chǎn)生分流,現(xiàn)場(chǎng)將其叫做穿越電流。
從對(duì)感應(yīng)電壓的計(jì)算分析可以知道,由于接觸線水平間距和垂直高度是一定的,靜電感應(yīng)電壓的大小與帶電接觸線電壓大小、天氣環(huán)境因素造成的靜電屏蔽系數(shù)有關(guān)。而電磁感應(yīng)電壓的大小與天氣環(huán)境、導(dǎo)線上流過(guò)的電流、接觸網(wǎng)并行長(zhǎng)度有密切關(guān)系。
影響穿越電流的因素比較復(fù)雜,其存在與回流系統(tǒng)中導(dǎo)流設(shè)備的裝設(shè)位置和連接狀態(tài)以及檢修時(shí)接地線的裝設(shè)設(shè)置有關(guān),其大小與回流系統(tǒng)的電氣參數(shù)、電力機(jī)車的取流大小和運(yùn)行位置有關(guān)。圖3為典型的穿越電流傷人示意圖。
圖3 穿越電流造成人身傷害示意圖
感應(yīng)電壓的實(shí)際大小如表1,在不裝設(shè)接地線的情況下可以達(dá)到3 kV以上的高電壓。在帶電的鄰線接觸網(wǎng)有電力機(jī)車運(yùn)行時(shí),感應(yīng)電壓的數(shù)值會(huì)更大,在發(fā)生金屬性接地短路的情況下,感應(yīng)電壓則會(huì)瞬間急劇升高。
在進(jìn)行V形天窗檢修時(shí),采取裝設(shè)接地線等防護(hù)措施后,盡管鋼軌、回流線、接觸線中有穿越電流經(jīng)過(guò),由于鋼軌和回流線通過(guò)吸上線連通、作業(yè)區(qū)端兩端接觸線和鋼軌通過(guò)接地線可靠連接,所以正常情況下穿越電流都是從鋼軌、回流線、接觸網(wǎng)流過(guò),不會(huì)對(duì)作業(yè)人員造成危害,但是,一旦有其它因素造成這些主導(dǎo)電回路開路,穿越電流就會(huì)從正在斷開點(diǎn)位置作業(yè)的人員身體流過(guò)(如圖3所示)。
穿越電流通過(guò)作業(yè)人員身體所分流的電流值與帶電鄰線的牽引回流大小、回流系統(tǒng)的電氣參數(shù)以及人員自身和所持機(jī)具的阻抗等因素有關(guān),且數(shù)值與鋼軌、回流線中的牽引回流相比,所占比例非常小。但是,人體所能承受的電流值一般不超過(guò)15 mA,否則即有生命危險(xiǎn)。
所以,不論是感應(yīng)電壓還是穿越電流,對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的安全都是嚴(yán)重的威脅。
感應(yīng)電壓和穿越電流都是在V形天窗接觸網(wǎng)停電后,在停電接觸網(wǎng)和設(shè)備中存在的安全隱患。所不同的是,感應(yīng)電壓存在的形式單一,而穿越電流就比較復(fù)雜。
靜電感應(yīng)電壓雖然電壓數(shù)值比較高,但由于是通過(guò)空氣介質(zhì)感應(yīng)而來(lái),通常能量有限,采取接地措施就可消除。電磁感應(yīng)電壓通過(guò)接地后,電壓有效值即趨于零。所以,對(duì)于感應(yīng)電壓的最有效的手段是可靠接地。
從對(duì)感應(yīng)電壓的計(jì)算公式可以知道,感應(yīng)電壓與并行接觸線的長(zhǎng)度密切相關(guān),其電壓大小與接觸線并行長(zhǎng)度成正比。因此,為了確保安全,必須在作業(yè)區(qū)段的兩端分別裝設(shè)可靠地接地線,從而將接觸線的有效并行長(zhǎng)度盡可能減少到最小,僅一端接地并不能對(duì)感應(yīng)電壓進(jìn)行防護(hù),還可能同時(shí)被穿越電流擊傷,如圖3中b圖所示。在作業(yè)范圍較大的情況下,隨車地線是比較重要的防護(hù)措施,《接觸網(wǎng)檢規(guī)》中也有如作業(yè)范圍超過(guò)1000 m需增設(shè)接地線的規(guī)定。
在任何情況下,作業(yè)區(qū)兩端掛有可靠連接的接地線是確保防止感應(yīng)電壓傷害的絕對(duì)有效手段,但更應(yīng)當(dāng)考慮在檢修過(guò)程中的設(shè)備狀態(tài)變化后是否仍然滿足兩端接地的條件,這需要作業(yè)前進(jìn)行充分的安全預(yù)想。
穿越電流具有隱蔽性、路徑和大小很難確定,對(duì)人的傷害具有較大偶然性,因而容易被忽視。目前現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員對(duì)于感應(yīng)電壓有很高的重視程度,往往對(duì)于穿越電流的認(rèn)識(shí)較為薄弱,甚至將對(duì)于感應(yīng)電壓的防護(hù)和對(duì)于穿越電流的防護(hù)互相混淆,這是非常危險(xiǎn)的。2011年8月鐵道部就通報(bào)了某局發(fā)生一起拆除負(fù)荷隔離開關(guān)引線作業(yè),由穿越電流造成作業(yè)人員觸電死亡的惡性事故。
穿越電流其實(shí)就是牽引回流的某一條支路,所以對(duì)于穿越電流的防護(hù)關(guān)鍵點(diǎn)在于保證回流系統(tǒng)中主導(dǎo)電回路的完整與暢通,在檢修作業(yè)過(guò)程中禁止人為地在導(dǎo)電回路上制造新的斷開點(diǎn),或者用身體機(jī)具將已斷開點(diǎn)導(dǎo)通。采取旁路措施(如設(shè)置短接線連接)是針對(duì)穿越電流進(jìn)行防護(hù)的有效手段。在檢修特殊設(shè)備特殊點(diǎn)時(shí),如隔離開關(guān)、分段絕緣器、電分段錨段關(guān)節(jié)、吸上線、扼流變相關(guān)設(shè)備等,必須先采取旁路措施,將可能在檢修中產(chǎn)生斷開點(diǎn)的兩端短接。在進(jìn)行斷線接續(xù)、絕緣子檢修,和將導(dǎo)線連接后會(huì)造成新回流支路的作業(yè)時(shí),必須先用短接線連接,使可能會(huì)產(chǎn)生斷開點(diǎn)的設(shè)備等電位,以此進(jìn)行穿越電流的防護(hù)。
(1)裝設(shè)接地線只能消除感應(yīng)電壓,并不能防護(hù)穿越電流,穿越電流必須要用短接線來(lái)進(jìn)行防護(hù)。
(2)在需要同時(shí)設(shè)置接地線和短接線防護(hù)的作業(yè),必須先在作業(yè)地點(diǎn)兩端裝設(shè)接地線,并在有可能產(chǎn)生感應(yīng)電的中性區(qū)段加裝接地線,再用短接線將端口短接;作業(yè)結(jié)束,先拆除短接線,再拆除中性區(qū)段接地線,最后拆除兩端接地線。
(3)在電分段、軟橫跨等處作業(yè),中性區(qū)及一旦斷開開關(guān)有可能成為中性區(qū)的停電設(shè)備上均應(yīng)接地線。
(4)在檢修隔離開關(guān)(特別是常閉的隔離開關(guān))時(shí),必須在隔離開關(guān)閉合狀態(tài)下裝設(shè)短接線。
(5)除非作業(yè)結(jié)束,中途不得改變接地線和短接線的狀態(tài)位置。
(6)短接線必須使用不小于25的銅質(zhì)導(dǎo)線。
鐵路電氣化快速發(fā)展至今,在積累生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程中,不乏血的教訓(xùn),并以此換來(lái)了如今嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊?guī)章守則。對(duì)于感應(yīng)電壓和穿越電流的防護(hù),思想上的重視是第一位的,要嚴(yán)格按照規(guī)章規(guī)定采取安全措施,切不可心存僥幸而忽視規(guī)章。
在目前客運(yùn)專線AT供電的運(yùn)行模式下,一般禁止利用V形天窗進(jìn)行作業(yè),然而在不得不利用V形天窗進(jìn)行搶修作業(yè)時(shí),其供電回路較之普速鐵路更為復(fù)雜,這就需要作業(yè)人員有更為扎實(shí)的業(yè)務(wù)理論知識(shí)和更強(qiáng)烈的現(xiàn)場(chǎng)安全意識(shí),從而確保現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全。