復線電氣化鐵路V形天窗感應電的危害與預防

摘 要：本文對復線電氣化鐵路V形天窗作業(yè)時感應電產生的原理及特點進行了分析，對感應電壓進行了近似計算，并探討了預防感應電的相關措施。

關鍵詞：電氣化鐵路 V形天窗 感應電 近似計算 預防

一、引言

在復線電氣化鐵路的部分區(qū)段，為了減少設備檢修對運量的影響，目前仍存在接觸網V形天窗作業(yè)。如果操作人員未充分認識到感應電的危害，或在作業(yè)過程中的安全措施采取不當，就會造成觸電事故。所以，在V形天窗作業(yè)中做好防感應電措施是確保人身安全的重要環(huán)節(jié)。

二、感應電產生的原理與特點

一般情況下，在某個物體上施加電壓后，該物體就會帶電。假如沒有給物體直接施加電壓，而是在其附近放置一個帶電體，該物體也能帶電，即該物體被感應，產生了感應電。按照感應電產生機理的差異，可分為靜電感應和電磁感應兩類。

1.靜電感應產生的原理。靜電感應是指導體在外加電場的作用下，電荷在其中重新分布的現象。如果將導體放入電場中，其中的自由電荷會因電場力的作用而發(fā)生定向移動，此時導體順電場方向的兩端將出現等量異種電荷，即感應電荷。

2.電磁感應產生的原理。電磁感應是指磁場中的直導體作切割磁力線運動或磁場中穿過線圈的磁通量發(fā)生改變時，在導體或線圈兩端產生感應電動勢的現象。如果導體或線圈是某個閉合回路的一部分，則其中將產生感應電流。

3.感應電的特點。（1）在鐵路牽引供電系統(tǒng)中，感應電的大小主要取決于接觸網電壓、牽引電流的大小以及上下行接觸線間距、平行長度和平行程度。帶電接觸線的對地電壓、牽引電流越大，上下行接觸線間距越小、平行程度越大、平行長度越長，其在停電接觸線上產生的感應電壓越高。（2）感應電壓較高，在停電接觸線上未裝設接地線時，其最大值出現在停電接觸線兩端。當一端接地后，接地端感應電壓最小，未接地端感應電壓最大。在停電接觸線上裝設接地線后，感應電壓可降到人體安全電壓以下，但并不為零，同時在接觸線、接地線、鋼軌、回流線中存在較大的感應電流。（3）感應電具有隱蔽性，當人體被感應電電擊時，沒有動作于跳閘的保護措施，不能在瞬間切斷感應電流，其對人體造成的傷害甚至比高壓電更嚴重。

三、鏡像法簡介

根據靜電感應原理可知，如果在一個原電荷附近放置一個導體，導體兩端就會出現感應電荷，此時附近空間的電位分布就等于原電荷與感應電荷在空間產生的電位的標量和。導體表面的感應電荷很難直接求出，但如果原電荷是點電荷或線電荷，且導體的形狀是比較規(guī)則的平面、球形、圓柱形，就可運用鏡像法近似求解。鏡像法是指在所研究的場域外的某處假設存在一個鏡像電荷，如果其與場域內的原電荷一起產生的空間電位滿足原問題的邊界條件，就可用該鏡像電荷代替感應電荷來求解的一種解題思想。

四、V形天窗時感應電的相關計算

接觸網帶電時，附近空間將產生較強的交變電場。由于接觸網是平行架設于地面附近上空的導體，可以看作線電荷，接觸網正下方的大地為無限大接地導體的平面，可以看作一個等勢面，滿足場域內邊界條件的定義，可依據鏡像法的思想，將大地中感應電荷的影響等效為一個鏡像電荷的影響。帶電接觸線附近空間某處的電位，就是由其本身和鏡像電荷共同產生的。

1.靜電感應的相關計算。V形天窗作業(yè)時，設停電接觸線的電位為，帶電接觸線的電位為。假設場域內距停電接觸線為處的電位為零，根據電磁場中的電位計算方法，得

式中，ρ為帶電接觸線的電荷密度；ε為空氣的介電系數。

將上下行接觸線看作平行長直導線，則帶電接觸線的電位為

以京包線柴溝堡—永嘉堡區(qū)間為例，帶電接觸線的電位為25000V；上下行接觸線的水平距離a為10m；接觸線與地平面的距離h為6m；接觸線的標稱半徑R為0.007m。將式3-1和式3-2合并后代入數據進行計算，得

2.電磁感應的相關計算。鐵路牽引供電系統(tǒng)是由接觸線、回流線、鋼軌及大地組成的不平衡單相回路。當電力機車通過時，牽引回流通過鋼軌、大地及回流線流回變電所。但為了分析和計算方便，可根據牽引網等效電路計算方法，將其等效為三個回路系統(tǒng)。第一回路為“接觸線-地”回路，第二回路為“回流線-地”回路，第三回路為“鋼軌-地”回路。假設牽引電流僅在第一回路中流過，由于三個回路之間存在互感，第二、三回路中產生的感應電流與第一回路電流方向相反，并與其實際流過的電流等效。設停電接觸線感應電壓為，因同時受三個回路影響，根據電磁感應原理可知，縱向感應電動勢大小為：

（式3-3）

式中，為上下行接觸線的互感系數（H/km）；為上下行接觸線的平行長度（km）；為回流線、鋼軌的屏蔽系數（任何接地的金屬回路都會對空間磁場產生屏蔽作用）；為牽引電流（A）。仍以京包線柴溝堡-永嘉堡區(qū)間為例，上下行接觸線的互感系數近似取1×10-3；平行長度取15km；回流線、鋼軌的屏蔽系數取0.3；牽引電流取平均值300A。代入式3-3進行計算，得

由以上兩個計算結果可知，如果停電接觸線未接地，將存在很高的感應電壓，是人體安全電壓的數十倍。

五、感應電的預防措施

1.加強安全培訓。組織職工尤其是新職人員學習感應電的原理和相關事故案例，使職工充分認識感應電的危害，自覺遵守安全規(guī)章和安全措施。

2.合理裝設接地線。按規(guī)定在變電所饋線隔離開關負荷側、作業(yè)區(qū)段兩端接觸線、回流線上裝設接地線，兩端接地線間的距離應小于1000m。在接觸網與饋線、10kV電力線路同桿假設區(qū)段，饋線和10kV電力線路也應停電并裝設接地線。天氣狀況不良的情況下，應在梯車或軌道車作業(yè)平臺與接觸線間掛滑動地線，使其將人體短接。如果作業(yè)區(qū)段的架空地線距固定接地點較遠時，應在架空地線接地點中間位置裝設接地線。

3.根據情況增設接地線或短接線。檢修分相時，應在中性區(qū)增設接地線，消除中性區(qū)感應電。檢修絕緣錨段關節(jié)、縱向電連接、隔離開關、吸上線等設備時，應先使用短接線在原來連接部位進行連接，再進行設備檢修作業(yè)，防止人體將電路開口短接。

4.確保接地線狀態(tài)良好且接地可靠。接地線一般用軟銅絞線制作，截面積應大于25mm2，且用透明絕緣塑膠外皮包裹。接地操作前，需用鋼絲刷對鋼軌進行打磨，減小接觸電阻，然后將接地線夾與鋼軌做可靠連接。

六、結語

本文在介紹感應電原理的基礎上進行了相關計算，用具體數據說明了感應電的存在與危害，希望能夠對鐵路安全管理部門提供一些參考與幫助。

參考文獻：

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