湯德寧 郎 兵 陳 山 趙 雋

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電氣化鐵路貫通線檢修中電流傷人事件的研究

湯德寧1郎 兵1陳 山2趙 雋2

（1. 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044； 2. 昆明鐵路局玉溪供電段，昆明 650100）

電氣化鐵路鄰近的10kV電力貫通線停電檢修區(qū)段，如果安全措施采用不當(dāng)，感應(yīng)電會對貫通線檢修作業(yè)人員的人身安全帶來嚴(yán)重傷害。論文對貫通線檢修過程中發(fā)生電流傷人事件的原因進行了分析，對電氣化鐵路在鄰近的貫通線路上產(chǎn)生電磁影響的機理以及靜電感應(yīng)電壓、電磁感應(yīng)電勢、感應(yīng)電流的計算進行了研究，對昆明供電段8.11感應(yīng)電傷人事件中的感應(yīng)電進行了計算，并將計算結(jié)果與現(xiàn)場的實測數(shù)據(jù)進行比對，驗證了電磁感應(yīng)計算的有效性。這對評估現(xiàn)場貫通線檢修區(qū)段的感應(yīng)電強度，為制定防范感應(yīng)電傷人的措施提供科學(xué)依據(jù)，具有實際意義。

電氣化鐵路；電力貫通線；電磁感應(yīng)；接地封線

1 檢修中的電力貫通線區(qū)段出現(xiàn)電流傷人事件的原因

我國電氣化鐵路，特別是采用直供加回流供電方式的普速電氣化鐵路沿線附近通常架設(shè)三相10kV電力貫通架空線路或地纜線路，為鐵路沿線的場站、信號、動力、照明等設(shè)施提供電力[1]。目前，對于電力貫通線路的維修、維護等作業(yè)，基本上都是由鐵路供電車間電力工區(qū)的檢修人員來進行。近幾年，隨著鐵路運輸負(fù)荷的快速增長，供電設(shè)備的檢修與維護的工作量也越來越大，檢修人員在檢修停電的電力設(shè)備時受到電擊傷害的事件頻有發(fā)生，其中感應(yīng)電流傷人事件尤為突出。

在電氣化鐵路正常運行時，牽引變電所通過接觸網(wǎng)向電力機車負(fù)荷供電，并經(jīng)架空回流線、鋼軌和大地形成供電回路。通常，電力貫通線都是沿軌道伸展方向以架空線的形式架設(shè)的，基本上與接觸網(wǎng)的走向保持平行接近或斜接近。當(dāng)牽引供電系統(tǒng)帶電運行時，形成一個巨大的電磁系統(tǒng)，對牽引網(wǎng)周圍環(huán)境產(chǎn)生電磁影響。一方面，接觸網(wǎng)上25kV的供電電壓在其周圍空間產(chǎn)生一個工頻高壓電場，通過靜電感應(yīng)在鄰近的電力貫通線導(dǎo)體上產(chǎn)生靜電感應(yīng)電壓；另一方面，接觸網(wǎng)中交變的負(fù)荷電流在其周圍空間中建立交變磁場，通過電磁感應(yīng)在鄰近的電力貫通線導(dǎo)體上產(chǎn)生電磁感應(yīng)電勢[2]，如圖1所示。

圖1 交流牽引網(wǎng)對電力貫通線的電磁影響示意圖

其中，靜電感應(yīng)電壓是對地的感應(yīng)電壓，而電磁感應(yīng)電勢是沿線路方向的縱向感應(yīng)電勢。

貫通線停電作業(yè)時，停電的貫通線區(qū)段兩端必須進行接地封線，因此停電作業(yè)的貫通線兩端掛設(shè)接地封線后就形成了“大地→貫通線首端接地線→停電的貫通線→貫通線末端接地線→大地”的閉合回路。這對消除相鄰的25kV接觸網(wǎng)對停電檢修的貫通線產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電壓是非常有效的，避免了對地靜電感應(yīng)電壓對檢修人員的傷害。但是，接觸網(wǎng)中的負(fù)荷電流在這一閉合回路上產(chǎn)生的沿線路的縱向感應(yīng)電勢會在閉合回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，如果此時檢修人員對貫通線路上的設(shè)備進行檢修，在未采取必要的防護措施情況下，檢修人員身體串入到回路中，感應(yīng)電流流過檢修人員身體且數(shù)值大于人體的耐受電流，必將對檢修人員造成電傷。所以，通過對感應(yīng)電的機理分析，確定感應(yīng)電的計算方法，并計算確定現(xiàn)場檢修作業(yè)時產(chǎn)生感應(yīng)電的強度，這對在生產(chǎn)實際中科學(xué)地制定防范感應(yīng)電對檢修人員造成傷害的措施，保證生產(chǎn)安全具有重要意義。

2 電氣化鐵路對鄰近電力貫通線電磁影響的機理及計算

2.1 靜電感應(yīng)電壓的計算

式中，b為導(dǎo)線1及其鏡像到地面的距離，m；R為導(dǎo)線1的等效半徑，m；D為導(dǎo)線1的鏡像與導(dǎo)線2間的距離，m；d為導(dǎo)線1與導(dǎo)線2間的距離，m。

由式（1）可知，導(dǎo)線2（貫通線）上的對地靜電感應(yīng)電壓與接觸網(wǎng)的電壓1成正比，與接觸網(wǎng)負(fù)荷電流的大小無關(guān)，與貫通線沿接觸網(wǎng)平行伸展的長度無關(guān)。貫通線與接觸網(wǎng)間的距離越小，貫通線上的靜電感應(yīng)電壓越高[4]。所以，當(dāng)對鄰近接觸網(wǎng)的貫通線進行檢修作業(yè)時，為避免靜電感應(yīng)電壓對檢修人員的傷害，作業(yè)之前不僅要將檢修區(qū)段的貫通線兩端通過隔離開關(guān)從電力線路中斷開，而且還要將斷開的線路兩端進行接地封線，這對消除檢修區(qū)段貫通線上的靜電感應(yīng)電壓是非常必要的。

2.2 電磁感應(yīng)電勢的計算

由于接觸網(wǎng)中單相交流負(fù)荷電流產(chǎn)生未被平衡的交變磁場，從而引起電磁感應(yīng)的影響，在平行接近或斜接近的電力貫通線上產(chǎn)生感應(yīng)電勢，該感應(yīng)電勢沿著貫通線各點縱向分布，故也稱為縱向感應(yīng)電勢[5]。

對于進行檢修作業(yè)的貫通線區(qū)段，其兩端已接地封線，從而形成貫通線與大地間的閉合回路。這時，對檢修人員的直接危害是回路中產(chǎn)生的電磁感應(yīng)電流[6]，如圖3所示。

圖3中，均以大地構(gòu)成回路的兩根平行導(dǎo)線，導(dǎo)線1（接觸網(wǎng)）和導(dǎo)線2（三相貫通線），兩導(dǎo)線間的單位互感系數(shù)12（H/km）可以由Carson公式[7]求得

圖3 導(dǎo)線-大地回路示意圖

式中，g為等效地回線的入地深度，m；為導(dǎo)線1與導(dǎo)線2間的距離，m。

兩導(dǎo)線間的單位互阻抗12（W/km）則為

圖3中，檢修區(qū)段的三相貫通線兩端點經(jīng)接地樁接地封線，兩端接地樁的接地電阻分別為RR，每相貫通線-地回路的單位自阻抗為2。導(dǎo)線1和導(dǎo)線2平行接近，且平行接近長度也就是封線距離。則導(dǎo)線1的牽引負(fù)荷電流1在導(dǎo)線2上產(chǎn)生的縱向感應(yīng)電勢2為

由式（4）可知，導(dǎo)線2（貫通線）上的縱向感應(yīng)電勢與接觸網(wǎng)負(fù)荷電流的大小成正比，與貫通線與接觸網(wǎng)的平行接近長度成正比，而與接觸網(wǎng)的電壓大小無關(guān)。貫通線與接觸網(wǎng)間的距離越小，其間的互感系數(shù)就越大，貫通線上的縱向感應(yīng)電勢也就越大。

式中：R為“鋼軌+回流線”-地回路的單位自阻抗，W/km；TR為“鋼軌+回流線”-地回路與接觸網(wǎng)-地回路路間的單位自阻抗，W/km。

同時，還應(yīng)考慮接觸網(wǎng)與貫通線路的曲折變化。雖然電力貫通線都是沿軌道伸展方向架設(shè)的，但受沿線地理環(huán)境的影響，有些貫通線區(qū)段走向與接觸網(wǎng)平行，稱為平行接近，平行接近長度就是貫通線區(qū)段長度。而有些區(qū)段的接近距離有均勻的增加或減少，則稱為斜接近，其平行接近長度是此區(qū)段貫通線在接觸網(wǎng)上的投影。所以，按貫通線與接觸網(wǎng)間的斜度不同，將貫通線分成若干區(qū)段，采用疊加法。

因此，考慮到屏蔽系數(shù)的因素和接觸網(wǎng)與貫通線路的曲折變化時，導(dǎo)線2（貫通線）上縱向感應(yīng)電勢表達式為

式中，m為每一斜度段貫通線與接觸網(wǎng)間的單位平均互感系數(shù)，其中的導(dǎo)線間距取平均間距；l為每一斜度段貫通線與接觸網(wǎng)間的平行接近長度；I為對應(yīng)每一斜度段貫通線的接觸網(wǎng)中的負(fù)荷電流。

縱向感應(yīng)電勢作用在因接地封線形成的貫通線與大地間的閉合回路上，且回路阻抗為2，則在回路中產(chǎn)生電磁感應(yīng)電流2為

3 昆明供電段8.11岔江高空墜落事件分析

3.1 8.11岔江高空墜落事件概況

2009年8月11日，昆明鐵路局昆明供電段羅平電力工區(qū)根據(jù)計劃，對“威岔”貫通線013#桿至“羅岔”貫通線244#桿間的電力設(shè)備進行檢修，發(fā)生事件時的檢修區(qū)段線路示意如圖4所示。9∶50至10∶28，工區(qū)按照規(guī)定首先斷開了岔江站“岔威”線09#—010#桿之間的分?jǐn)嘌b置（DL），又分別將作業(yè)區(qū)間兩端“威岔”線013#GK和“羅岔”線244#GK斷開，并分別在“威岔”線012#、“羅岔”線278#、255#和245#桿檢電封線。11∶45，兩名電力工到達所負(fù)責(zé)的“岔威”線001#終端桿，準(zhǔn)備在桿上加裝兩個避雷器跳線絕緣子。其中一名電力工從垂直于線路方向開始登桿，登桿板最后一踩搭在桿塔的兩個撐角之間距離撐角底部0.2m處，其左手抓住左邊撐角中部，在抬起右手時右上臂觸到邊相耐張線夾的尾線上，立即感覺到有強烈的觸電感覺，在無法擺脫右手臂接觸的尾線后，放開了抓住撐角的左手，大叫一聲“有感應(yīng)電”后，從桿上8.2m處墜落到地面[9]。

圖4 811事件檢修區(qū)段線路示意圖

從圖4中可以看出，由于001#桿作業(yè)前未做任何接地，雖然012#和278#、255#、245#桿均封線接地，但與001#桿并未構(gòu)成貫通線與大地的閉合回路。而且由于09#—010#桿之間的DL斷開后未旁路，所以012#桿接地封線對001#桿不起作用。當(dāng)電力工登001#桿后，其左手抓住桿的金屬撐角，相當(dāng)于人體一端已接地，其抬起右手臂觸到邊相耐張線夾的尾線，相當(dāng)于人體另一端碰觸貫通線，從而通過人體形成了001#桿與278#、255#、245#桿間接地點的閉合回路，此時鐵路上有40220次電力機車通過，接觸網(wǎng)上的負(fù)荷電流在貫通線與地間的回路中產(chǎn)生電磁感應(yīng)電流，從而導(dǎo)致電力工受到感應(yīng)電擊而墜落。

墜落事故發(fā)生后，引起了昆明供電段負(fù)責(zé)人的高度重視，為進一步了解和解釋感應(yīng)電傷人的形成原因，8月19日由昆明供電段牽頭組成測試小組，還原8.11當(dāng)天對羅威貫通線245#—012#桿檢修的情形，對南昆線岔江站接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓、感應(yīng)電流情況進行了實地測試與調(diào)查，測試前準(zhǔn)備工作如下[10]：

1）進行停電操作。先將09#—010#桿間的分?jǐn)嘌b置DL斷開，再將013#桿上GK和244#桿上GK斷開，而后再將09#—010#桿間的DL旁路。

2）模擬人體觸電。在001#桿導(dǎo)線與桿的接地網(wǎng)間串聯(lián)一只220V 40W的白熾燈，用以模擬人體電阻約1200W。

測試的主要內(nèi)容是：通過改變貫通線接地封線的位置測試白熾燈的電壓及亮度情況；通過改變貫通線接地封線的位置測試001#桿處三相導(dǎo)線短接的接地電流。

3.2 對8.11事件的理論計算

本文針對以上還原的8.11當(dāng)天的檢修現(xiàn)場情況，對測試的主要內(nèi)容進行了如下理論計算。

檢修現(xiàn)場的基本情況是：威舍至羅平電氣化鐵路為一單線電氣化區(qū)間，接觸線為TCG-110，承力索為TJ-70，回流線為LGJ-185，鋼軌為P60，鏈形懸掛的接觸網(wǎng)距地面高度為6.35m，貫通線采用LGJ-70導(dǎo)線，距地面高度為12m，根據(jù)Carson公式計算得

接觸網(wǎng)-地回路的單位自阻抗為

“鋼軌+回流線”-地回路的單位自阻抗為

接觸網(wǎng)-地回路與“鋼軌+回流線”-地回路間的單位互阻抗為

為進行理論計算，考慮到現(xiàn)場貫通線與接觸網(wǎng)為斜接近的情況，參考現(xiàn)場接地封線的位置，對貫通線進行分段，圖4中標(biāo)注了貫通線的分段情況及分段長度。其中，002#至001#桿之間以及297#至296#桿之間為地纜線路，且線路走向與接觸網(wǎng)走向垂直，故這兩段線路上的電磁感應(yīng)忽略不計。計算過程見表1。

表1 檢修區(qū)段貫通線電磁感應(yīng)電勢理論計算表

圖5 811檢修區(qū)段等值電路圖

012#至245#桿區(qū)間內(nèi)貫通線等值電路如圖5所示。其中開關(guān)：K245、K255、K278、K012分別模擬4處接地封線的狀態(tài)。1—4分別表示接地封線處接地樁的接地電阻，1—4分別表示各段線路阻抗。5為001#桿的地網(wǎng)電阻，為模擬人體的白熾燈電阻。

按照8月19日現(xiàn)場實地測試的測試過程，當(dāng)區(qū)段內(nèi)無接地封線（電路中所有開關(guān)全部斷開），001#桿處白熾燈對地計算電壓為0，三相導(dǎo)線短接對地計算電流也為0；當(dāng)區(qū)段內(nèi)只有245#桿接地封線（電路中K245閉合），白熾燈對地實測電壓為168V，經(jīng)過對電路求解，白熾燈對地計算電壓為178.3V，三相導(dǎo)線短接對地計算電流為3.2A；當(dāng)區(qū)段內(nèi)245#和255#桿接地封線（電路中K245、K255閉合），白熾燈對地實測電壓無數(shù)據(jù)，經(jīng)過對電路列寫節(jié)點電壓方程并求解，得白熾燈對地計算電壓為148.8V。后續(xù)實測及計算數(shù)據(jù)見表2。

表2 線路改變接地封線位置時實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)對比表

表2中的實測電壓、電流數(shù)據(jù)與計算電壓、電流的結(jié)果基本是吻合的，說明8月19日現(xiàn)場的測試數(shù)據(jù)基本上反應(yīng)811事件現(xiàn)場的真實情況。①測試范圍內(nèi)貫通線路未懸掛接地封線時，白熾燈構(gòu)不成大地回路，所以電流的大小為零，即白熾燈不亮；②當(dāng)245#桿加掛接接地封線時，白熾燈與其構(gòu)成大地回路，因回路最長故感應(yīng)電勢最高，所以此刻回路電壓、電流均為最大，即白熾燈最亮；③繼續(xù)在255#桿加掛接地封線，白熾燈與2個接地點構(gòu)成大地回路，其中較近的接地點構(gòu)成的回路起主要作用，但由于255#與245#相距不大，故對感應(yīng)電勢影響不大，所以感應(yīng)電勢降低較少，流過白熾燈的電流變化也不大，即白熾燈亮度基本無變化；④繼續(xù)在278#桿加掛接地封線，白熾燈與278#桿接地點構(gòu)成的回路起主要作用，感應(yīng)電勢下降較多，白熾燈兩端的電壓有顯著的下降，流過白熾燈的電流有明顯的減小，即白熾燈亮度變暗；⑤最后在012#桿加掛接地封線，白熾燈兩側(cè)均有接地回路，而與012#桿構(gòu)成的接地回路最短起主要作用，所以感應(yīng)電勢只有22.9V（已知白熾燈兩端電壓小于40V時才亮），電流隨電壓的減小而驟降，故白熾燈不亮。

3.3 貫通線檢修中對感應(yīng)電的防護

從以上的現(xiàn)場實測和理論計算可以看出當(dāng)作業(yè)人員碰觸貫通線導(dǎo)線時，接地封線點與檢修作業(yè)位置越近，作用在人身上的感應(yīng)電壓就越小，通過人體的感應(yīng)電流也就越小[11]。所以，最安全的做法就是在作業(yè)之前，作業(yè)人員在檢修處用接地線，先將接地線一端接地，再將另一端接觸導(dǎo)體端，而后再進行各種檢修專業(yè)，保證人身不會受到感應(yīng)電的傷害。

如果接地封線地點距離檢修人員較近，使作用在人體上的感應(yīng)電壓在安全范圍內(nèi)，這時即使在作業(yè)處不掛接地線，對作業(yè)人員也不會造成傷害。

目前，國內(nèi)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[12]對交流輸電線路發(fā)生短路故障時，人身的短時安全電壓s有如下計算：

根據(jù)式（2）和式（6），可得到封線長度與貫通線距接觸網(wǎng)的最近距離的關(guān)系式：()。

當(dāng)考慮故障情況，直供加回流的牽引網(wǎng)發(fā)生接觸網(wǎng)接地短路時，最大短路電流一般在5000A以下，允許貫通線檢修區(qū)段產(chǎn)生的最大電磁感應(yīng)電勢為200V；當(dāng)考慮正常情況，直供加回流的牽引網(wǎng)最大的負(fù)荷電流一般在1000A以下，允許貫通線檢修區(qū)段產(chǎn)生的最大電磁感應(yīng)電勢為36V，分別作出如下()關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 正常運行和短路故障時l=f(d)關(guān)系曲線

由圖6可知：

1）圖中的曲線分別為接觸網(wǎng)正常運行時和短路故障時的臨界安全線，進行接地封線保護時，只要接地封線距離在臨界安全線下方的區(qū)域內(nèi)進行選擇時，即使作業(yè)位置處不掛接地線，對于作業(yè)人員都是安全的。

2）兩條曲線走向趨勢是一致的，當(dāng)兩者的貫通線距接觸網(wǎng)的最近距離相等的條件下，正常運行時要求的封線距離較短，說明接地封線防護整定時，應(yīng)以正常運行時所對應(yīng)的封線距離為依據(jù)。

3）當(dāng)≤30m時，曲線斜率變化較大，且呈正相關(guān)系，說明受的影響很大，從安全的角度考慮應(yīng)采取在作業(yè)位置處加掛接地線的措施，保證作業(yè)人員安全；當(dāng)＞30m時，曲線近似為線性關(guān)系，隨變化的趨向于均勻、穩(wěn)定，可以根據(jù)圖6曲線估算合適的接地封線距離，且作業(yè)位置處可以不掛接地線，作業(yè)人員不會受到感應(yīng)電的傷害。

4 結(jié)論

在電力貫通線進行檢修作業(yè)時，如果安全措施采用不當(dāng)，感應(yīng)電會對貫通線檢修作業(yè)人員的人身安全帶來嚴(yán)重傷害。所以，安全、有效、科學(xué)、實用的防范措施的研究是鐵路供電安全領(lǐng)域的重要課題。本文針對現(xiàn)場發(fā)生的感應(yīng)電傷人事件進行了理論分析，結(jié)合理論計算，總結(jié)歸納出接地封線的防范措施在實施中封線密度的確定方法。這為現(xiàn)場安排貫通線檢修作業(yè)時，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，確定接地封線的位置、接地封線的間隔距離提供了科學(xué)依據(jù)。

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Study on the accident of current injured in the maintenance of electrified railway power transfixion line

Tang Dening1Lang Bing1Chen Shan2Zhao Jun2

(1. School of Electrical Engineering Beijing Jiaotong University, Beijing 100044; 2. Yuxi Power Supply Section of Kunming Railways Bureau, Kunming 650100)

The induction electricity in the 10kV power transfixion line maintenance section adjacent to the electrified railway will cause serious personal injury of the on-site maintenance workers, if there is any improper security measures. This paper analyzes the reasons of electric current wounding incident during the process of the maintenance of power transfixion line, and studies the mechanism of electromagnetic influence electrified railways has upon adjacent power transfixion line. Meanwhile, researches the calculation of electrostatic induction voltage, electromagnetic induction potential and induction current. Furthermore, compare the calculation solution of the inductive electricity in 8.11 event in Kunming power supply section to the measured data in the field, which verifies the validity of the electromagnetic induction calculation. It has practical significance to assess the strength of induction electricity in the on-site maintenance section and to provide a scientific basis for making the prevention measures of induced electric injury.

electric railway; power transfixion line; electromagnetic induction; earthing wire sealing

2018-03-12

湯德寧（1993-），男，河南省開封市人，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)自動化與電氣化鐵道的研究工作。

昆明鐵路局科技研究開發(fā)計劃項目（K17J24）