論接觸網(wǎng)的觸電風(fēng)險與防治

姜 堯 趙 朕

（中國鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司濟(jì)南供電段，山東 濟(jì)南 250000）

1 電氣化鐵路介紹

1.1 電氣化鐵路的組成

電氣化鐵路由牽引供電系統(tǒng)與電力機(jī)車構(gòu)成。牽引供電系統(tǒng)：先從國家電網(wǎng)輸電線路輸送220 kV或110 kV 的電進(jìn)入鐵路牽引變電所，經(jīng)過牽引變電所變成27.5 kV 的電通過接觸網(wǎng)輸送至列車，列車通過受電弓采集27.5 kV 的電經(jīng)過主斷路器再進(jìn)入主變壓器，再向牽引電動機(jī)供電，最后通過鋼軌與回流線回流至牽引變電所，構(gòu)成完整回路。如圖1 所示。

圖1 電氣化鐵路示意圖

1.2 電氣化鐵路技術(shù)參數(shù)

電氣化鐵路供電系統(tǒng)的外部電源來自公用電力系統(tǒng)的電網(wǎng)，限制電網(wǎng)輸送能力的因素有四個：導(dǎo)線發(fā)熱、電壓損失、功率和能量消耗、穩(wěn)定破壞。這四個方面都是由電流引起的，解決方法就是提高電壓，減小電流。因為三相功率和線電壓、線電流的關(guān)系為S=UI，當(dāng)功率一定時，電壓越高，電流越小。但是電壓提高會造成電器設(shè)備的投資增大，因此電網(wǎng)的電壓等級一般根據(jù)輸送功率與輸送距離選擇，如表1。

表1 電網(wǎng)電壓與功率和距離的關(guān)系

電氣化鐵路一直習(xí)慣采用110 kV，但是高鐵對牽引負(fù)荷增大比較明顯。時速350 km/h 的鐵路按照3 分鐘16 輛編組運(yùn)行時，牽引變電所的負(fù)荷瞬間可達(dá)170 MV·A，高峰小時可達(dá)130 MV·A。由于牽引負(fù)荷電流較大（一列動車可達(dá)400 A），波動比較劇烈，諧波含量豐富，并且屬于單相負(fù)荷，為了增大電網(wǎng)對諧波與負(fù)荷的承受能力，一般取三個牽引變電所為一大組來平衡三相電流。

接觸網(wǎng)的電壓等級為25 kV 到30 kV 之間（對地而言）單相工頻交流電，對電力機(jī)車電壓均為25 kV?？紤]電壓損耗，牽引變電所輸出電壓為27.5 kV 或55 kV，其中55 kV 為AT 供電方式，主要用于高速電氣化鐵路中。城市軌道交通的接觸網(wǎng)電壓一般為直流750 V 或1500 V。

2 接觸網(wǎng)觸電傷害的防治

2.1 現(xiàn)有的措施

對于接觸網(wǎng)上的靜電感應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電，只要將作業(yè)區(qū)段的兩端可靠接地，感應(yīng)電壓值就會急劇下降，離接地線越近，電壓就越低，當(dāng)檢修范圍過長時感應(yīng)電壓仍較高，此時一般會加掛接地封線。通過現(xiàn)場測試表明，將各線索可靠接地后，在鄰線電力牽引的列車運(yùn)行方式下，電磁感應(yīng)的感應(yīng)電的有效值會降到10 V 以下，臨線若發(fā)生金屬性短路時，最大感應(yīng)電不超過60 V。由于人體的電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于接地線，所以在接地正常且接觸網(wǎng)未開路時，穿越電流對人體的傷害幾乎可以忽略，需要保證檢修區(qū)段內(nèi)的隔離開關(guān)閉合，電連接不得斷股散股，若進(jìn)行斷線續(xù)接時應(yīng)采取旁路措施。若檢修隔離開關(guān)時，要在隔離開關(guān)兩側(cè)掛個人安保線等電位，防止出現(xiàn)壓差。此外，嚴(yán)格執(zhí)行作業(yè)規(guī)程，按規(guī)定穿戴勞保用品。

2.2 存在的缺陷

即使嚴(yán)格按照停電、驗電、掛接地封線、懸掛標(biāo)志牌及裝設(shè)防護(hù)物的流程作業(yè)，仍不能保證絕對安全。停完電，有明顯的斷開點，使用驗電器驗明無電，有接地線，可認(rèn)為是無電的。

但是正常驗電器的啟動電壓為15%～40%，用27.5 kV 驗電器驗電時雖然不響，但仍可能有4000 V 的電壓，并非絕對安全。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，導(dǎo)體流過交流電流時，在其周圍產(chǎn)生交變磁場，處于交變磁場中的其他導(dǎo)體即產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。感應(yīng)電動勢的大小與導(dǎo)體之間的互感及電流的變化率成正比。導(dǎo)體之間的互感，與導(dǎo)體的平行長度成正比，與導(dǎo)體之間的距離成反比（非線性關(guān)系），兩條線路平行長度越長，平行距離越近，線路電流越大，感應(yīng)電動勢就越高。對耦合電容來說，線路平行長度越長，平行距離越近，線路電壓越高，其靜電感應(yīng)電動勢也越高。可以將其看為一個V=K*L 的電壓源，K 為單位長度所產(chǎn)生的電壓，L 為與帶電區(qū)段平行的有效長度。

3 改善方案

3.1 原因分析

對于接觸網(wǎng)觸電傷害發(fā)生的原因，通過人、機(jī)、料、法、環(huán)、量六個方面進(jìn)行分析：

人：在兩端懸掛接地線以及等位線時，人會默認(rèn)此時是無電的，即使此時有電也看不見。

機(jī)：接地線或等位線失效。

料：接地線或等位線不合規(guī)或出現(xiàn)斷股散股。法：未按正確順序拆掛接地線或等位線。

環(huán)：大量的并行線路導(dǎo)致感應(yīng)電產(chǎn)生，臨線來車產(chǎn)生穿越電流。

量：感應(yīng)電流超過安全電流，導(dǎo)致發(fā)生人身傷害。

對IMS技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其主要是將SIP協(xié)議作為中心的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，因此在研究中要從SIP協(xié)議入手對IMS技術(shù)加以研究，對協(xié)議中定義的多種對象在IMS網(wǎng)絡(luò)各種網(wǎng)元中融合和改進(jìn)情況形成明確的認(rèn)識。

確定了接觸網(wǎng)觸電傷害的發(fā)生“人”的因素最大，因為電是看不見但摸得著的。改善目標(biāo)是盡量避免感應(yīng)電或穿越電流傷人的事情出現(xiàn)。

3.2 方案設(shè)計

設(shè)計了測量感應(yīng)電流的裝置。裝置原理是利用電磁感應(yīng)，電流會伴隨產(chǎn)生磁場，電流的變化導(dǎo)致磁場的變化，當(dāng)產(chǎn)生穿越電流或感應(yīng)電流時，接觸網(wǎng)上的磁場就會變化。根據(jù)磁感線切割閉合回路時會產(chǎn)生感應(yīng)電流，利用感應(yīng)電流啟動報警裝置，從而達(dá)到報警的目的。最大的難題是通過感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢能否驅(qū)動裝置。

設(shè)計雛形：設(shè)計一組足夠長的繞組，串聯(lián)上聲光報警器，當(dāng)已停電的接觸網(wǎng)中產(chǎn)生電流變化時，繞組感應(yīng)出感應(yīng)電動勢，啟動聲光報警器完成報警，可以警示作業(yè)人員此時不要觸碰接觸線，如圖2。

圖2 設(shè)計雛形

存在缺陷：感應(yīng)出的電動勢不穩(wěn)定且時間短，無法保證每次都啟動聲光報警器，也有可能燒毀電器元件。

改進(jìn)電路：還是利用繞組來產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，串聯(lián)上繼電器，通過繼電器線圈吸合帶動繼電器接點閉合，此閉合接點作為外接電源的無源節(jié)點，外接電源通過此接點與聲光報警器串聯(lián)。當(dāng)已停電的接觸網(wǎng)中產(chǎn)生電流變化時，繞組感應(yīng)出感應(yīng)電動勢，啟動繼電器，繼電器接點閉合，外接電源與聲光報警器構(gòu)成的回路導(dǎo)通，完成報警，可以警示作業(yè)人員此時不要觸碰接觸線，如圖3。

圖3 改進(jìn)措施圖

存在缺陷：電路連接完畢后啟動不了，通過排查發(fā)現(xiàn)繼電器最小啟動電壓為24 V，感應(yīng)電動勢無法達(dá)到此數(shù)值，所以無法啟動。

最終設(shè)計：針對之前的電路無法閉合的缺陷進(jìn)行改進(jìn)，將繞組中間插入鐵芯，使其變成電磁鐵。該設(shè)計的優(yōu)勢有兩個：

（2）鐵芯+繞組可以將磁場集中強(qiáng)化，更易被感應(yīng)。

動作原理：當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生電流變化時繞組+鐵芯產(chǎn)生電磁感應(yīng)并產(chǎn)生磁力，利用磁力將磁感探針內(nèi)部接點吸合，此閉合接點作為外接電源的無源節(jié)點。當(dāng)該接點閉合時，外接電路導(dǎo)通，聲光報警器產(chǎn)生聲光報警，可以警示作業(yè)人員此時不要觸碰接觸線，如圖4。

圖4 報警裝置

3.3 方案分析

現(xiàn)根據(jù)SWOT 分析法分析該裝置：

優(yōu)勢（Strengths）：此裝置運(yùn)行穩(wěn)定，帶自保持功能，一旦感應(yīng)到電流則立即報警。

劣勢（Weakness）：為實時監(jiān)測，但是無法消除感應(yīng)電流，當(dāng)有電流通過時如果職工正在作業(yè)，仍會被電擊傷害。

機(jī)會（Opportunities）：感應(yīng)電現(xiàn)在除了掛地線等電位線以外很難消除，該裝置可帶來延申功能。

威脅（Threats）：若磁鐵等物品靠近也會報警，此裝置還不完善。

上述裝置存在最大的缺陷為當(dāng)線路上產(chǎn)生電流時只能報警，下一步改進(jìn)設(shè)想如圖5。

圖5 改進(jìn)設(shè)想

從接點處引出接線，串聯(lián)上二極管與電感，當(dāng)突然來電時，電感線圈產(chǎn)生感應(yīng)，反向產(chǎn)生電流，對來電方向的電流進(jìn)行中和，從而達(dá)到保護(hù)作業(yè)人員的目的。

4 結(jié)語

隨著社會的進(jìn)步與對鐵路日益增長的需求，列車越開越快，鐵道供電也越覆蓋越廣，電氣化鐵路是鐵路發(fā)展的必由之路，接觸網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分也變得越來越重要。本文研究了鐵路的供電方式，接觸網(wǎng)的構(gòu)造與檢修模式，接觸網(wǎng)檢修過程中存在的安全隱患并提出了防治此類安全隱患的一些措施。