基于軌跡交叉理論的電力設(shè)施保護策略和措施

孫廣通

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣東 廣州 510620)

0 引言

在正常運行狀態(tài)下，電力架空線路通過輸電桿塔實現(xiàn)升高、支撐、固定等作用，保持帶電導(dǎo)線垂直對地、水平對物有足夠安全徑向間距；電纜線路通過各類絕緣層實現(xiàn)絕緣，保持帶電導(dǎo)線對外有足夠安全絕緣強度。

當?shù)踯?、塔吊等大型起重機械金屬部件突破電力架空線路安全間距，挖掘機、盾構(gòu)機等掘地設(shè)備破壞電纜線路絕緣層時，帶電導(dǎo)線瞬間失去傳輸和分配電能的作用，沿外力介入放電途徑發(fā)生短路，即電力設(shè)施外力破壞。當電力管線發(fā)生外力破壞時，會干擾電網(wǎng)正常運行方式和潮流趨勢，危及電網(wǎng)穩(wěn)定和電力供應(yīng)，損傷或損毀輸電線路設(shè)施，電擊或電傷周邊人員，引發(fā)物體碰撞、人員受困、交通癱瘓、火災(zāi)失控等二次事故。因此，電力設(shè)施運維單位和相關(guān)責(zé)任主體應(yīng)采取措施防范電力設(shè)施外力破壞事件的發(fā)生。下面從軌跡交叉理論分析電力設(shè)施外力破壞產(chǎn)生機理，探討電力設(shè)施保護策略，提出針對性技術(shù)防范措施。

1 軌跡交叉理論

軌跡交叉理論由約翰遜(W．g．ionson)和斯奇巴(Skiba)等安全工程學(xué)專家提出，是一種從事故的直接原因和間接原因出發(fā)研究事故致因的理論。

1.1 理論觀點

在事故致因諸多理論當中，軌跡交叉理論強調(diào)人系統(tǒng)和物系統(tǒng)在事故致因?qū)用嬲加型鹊匚籟1]。人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)均可能會導(dǎo)致事故的發(fā)生，人系統(tǒng)和物系統(tǒng)在時間和空間的風(fēng)險軌跡交叉點就是事故發(fā)生的時空載體。軌跡交叉理論事故模型如圖1所示。

圖1 軌跡交叉理論事故模型

通過落實事前安全措施，干預(yù)人系統(tǒng)和物系統(tǒng)在風(fēng)險運動軌跡的動態(tài)相交，就可避免風(fēng)險、隱患向事件、事故方向發(fā)展。

1.2 釋放能量時間累積

根據(jù)能量意外釋放理論，設(shè)fi(t)為某一事件過程中可能釋放的一系列意外能量(i=1，2，3，…，n)，E為在某一段時間上的累積，E0為事故發(fā)生時所需能量的臨界值，t1為事件起始時間，t2為事件終止時間。則有：

當E≥E0時，釋放能量在時間上的累積達到臨界值，即可造成事故事件[2]。

1.3 軌跡交叉時空累積

根據(jù)能量意外釋放理論和軌跡交叉理論，設(shè)t代表時間的量，v代表空間的量，gi(t，v)為人的不安全行為導(dǎo)致能量在時間與空間上的意外釋放，hi(t，v)為物的不安全狀態(tài)導(dǎo)致能量在時間與空間上的意外釋放，fi(gi(t，v)，hi(t，v))為人的不安全行為與物的不安全狀態(tài)在時間與空間上交叉導(dǎo)致的能量意外釋放，其中i=1，2，3，…，n。G為事件在時間與空間上能量的累積。則有：

當G≥E0時，釋放能量在時間上和空間上的累積達到臨界值，即可造成事件或事故[2]。

2 模型分析

電力架空線路和電纜線路穿越地上或地下的自然公共空間，同住建、交通、水務(wù)、市政等行業(yè)施工項目在時空軌跡分布上存在鄰近、重疊、穿越或交叉等時空關(guān)聯(lián)，為兩種獨立業(yè)態(tài)發(fā)生軌跡交叉創(chuàng)建地緣時空分布關(guān)系。

2.1 還原場景

設(shè)某工地分布輸電塔線、配電桿線和電纜線路等電力管線，電壓等級包括10 kV，110 kV，220 kV和500 kV，施工單元包括塔吊、起重機械、挖掘機械和頂管機械等大型工程機械。

常見電力設(shè)施保護區(qū)固定工地危險源場景[3]如圖2所示。

圖2 電力設(shè)施保護區(qū)典型施工場地危險源現(xiàn)場還原

對于地面架設(shè)的電力線路，外力破壞風(fēng)險點主要來源于空中水平方向的塔吊、垂直方向的吊車等大型工程機械超越安全極限距離，引發(fā)物理時空軌跡交叉或次生傾倒隱患。對于地下敷設(shè)的電纜線路，外力破壞風(fēng)險點主要來源于地面開挖、鉆探，地下頂管、盾構(gòu)等動土作業(yè)引發(fā)物理時空軌跡交叉或次生懸空隱患。

2.2 建立模型

在電力設(shè)施保護區(qū)及其周邊分布的各類施工場地內(nèi)，電力線路導(dǎo)電部分承載電能，桿塔、管溝等支持或附屬設(shè)施承載勢能，形成施工作業(yè)面內(nèi)物的不安全狀態(tài)[4]；起重機械、挖掘機械、頂管機械等作業(yè)活動軌跡點，形成作業(yè)面內(nèi)人的不安全行為。電力設(shè)施保護區(qū)內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)或活動軌跡同上述能量載體發(fā)生電氣連接或物理連接引發(fā)能量釋放累積量超過臨界值E0，導(dǎo)致發(fā)生電力設(shè)施因施工外力破壞發(fā)生的電氣事故或機械事故。電力設(shè)施保護區(qū)施工場地常見物的不安全狀態(tài)和人的不安全行為如表1所示。

表1 常見物的不安全狀態(tài)和人的不安全行為統(tǒng)計

2.3 危險區(qū)域

引發(fā)模型內(nèi)電能和勢能軌跡交叉時空能量釋放量G≥E0的因素較多，主要取決于兩種業(yè)態(tài)能量軌跡時空距離是否接近或突破極限距離d0，還包括交叉點及其周邊的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度等因素。為正確區(qū)分外力破壞發(fā)生的可能性和嚴重性，必須正確劃分時空交叉狀態(tài)危險區(qū)域的大小和級別。

針對目前國內(nèi)建筑施工來看，中小企業(yè)占據(jù)了很大比重。對于這些企業(yè)而言，施工管理人員組成相對國營企業(yè)和大企業(yè)來說，缺乏合理性及科學(xué)性，管理人員的專業(yè)素養(yǎng)以及水平參差不齊，給施工管理帶來了很多不利的影響[3]。另外，這些企業(yè)往往沒有配備相應(yīng)的崗位職責(zé)人員，導(dǎo)致管理過程中極易出現(xiàn)漏洞，要么多人重復(fù)管理一項職務(wù)，要么無人管，很容易出現(xiàn)一個人身兼多職的現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)問題，很容易出現(xiàn)逃避責(zé)任的問題。

根據(jù)電能發(fā)生放電觸電短路和勢能發(fā)生機械能量釋放的電壓等級或敷設(shè)位置，結(jié)合《電力設(shè)施保護條例》和《電業(yè)安全工作規(guī)程》等法律法規(guī)和標準技術(shù)文獻規(guī)定，將外力破壞危險區(qū)域設(shè)置劃分為事故區(qū)(0區(qū))、隱患區(qū)(1區(qū))和風(fēng)險區(qū)(2區(qū))[5]等三個區(qū)。

2．3．1 事故區(qū)(0區(qū))

指電力設(shè)施正常運行時，外部擾動單元達到特定時空距離d0內(nèi)，極易引發(fā)G≥E0，引發(fā)外力破壞事故發(fā)生。

2．3．2 隱患區(qū)(1區(qū))

指電力設(shè)施正常運行時，外部擾動單元達到特定時空距離d1內(nèi)，較易引發(fā)G≥E0，導(dǎo)致外力破壞事故發(fā)生。

2．3．3 風(fēng)險區(qū)(2區(qū))

指電力設(shè)施正常運行時，外部擾動單元達到特定時空距離d2內(nèi)，可能引發(fā)G≥E0，導(dǎo)致外力破壞事故發(fā)生。

表2 危險區(qū)域等級劃分

輸電架空線路、電纜線路和桿塔拉線等物的不安全狀態(tài)，危險區(qū)域劃分界限如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 輸電架空線路現(xiàn)場危險區(qū)域劃分

圖4 電纜線路現(xiàn)場危險區(qū)域劃分

圖5 桿塔線路現(xiàn)場危險區(qū)域劃分

3 策略探討

通過消除電力設(shè)施載電靜態(tài)危險軌跡分布化解物的不安全狀態(tài)，通過約束作業(yè)單元活動軌跡發(fā)展空間管控人的不安全行為，控制兩類危險源活動軌跡的發(fā)展交叉，實現(xiàn)事前管控。主要包括直接安全技術(shù)措施、間接安全技術(shù)措施、提示性安全技術(shù)措施和補充安全措施。

3.1 直接安全技術(shù)措施

通過施工前期勘測、設(shè)計等環(huán)節(jié)完成電力設(shè)施本體遷移，在主體工程施工前消除或減小電能載體和勢能載體等物的不安全狀態(tài)，從本質(zhì)安全層面上隔絕人的不安全行為等軌跡時空交叉能量釋放。

3.2 間接安全技術(shù)措施

3．2．1 防護措施

(1) 屏護。對于地面電力架空線路，屏護是采用遮欄、柵欄等組成限位繩、限高架、防撞墩等防護裝置進行保護。對于地下電纜線路，屏護是采用護罩、護蓋等組成隔離檔板等防護裝置進行保護。屏護能將電能載體或勢能載體等物的不安全狀態(tài)同外界人的不安全行為隔絕，能防止人的無意識、有意識觸及或過分接近物的能量載體，隔離軌跡發(fā)展到事故區(qū)(0區(qū))交叉點。通常設(shè)置在風(fēng)險區(qū)(2區(qū))。

(2) 絕緣。對于10 kV及以下的配電架空裸導(dǎo)線，絕緣是將裸導(dǎo)線更換成絕緣導(dǎo)體，或在風(fēng)險桿段解口為裸導(dǎo)線增加絕緣護套，將事故區(qū)(0區(qū))范圍縮小至絕緣護套導(dǎo)電導(dǎo)體本體。

3．2．2 保護措施

(1) 限位設(shè)置。對于地面電力架空線路，通過設(shè)置吊車限高裝置、塔吊水平限位裝置限制機械部位穿越隱患區(qū)(1區(qū))進入事故區(qū)(0區(qū))。通常結(jié)合屏護措施使用。

（2）光電聯(lián)鎖。通過對吊車、吊塔等大型活動工程機械設(shè)置有源光電探測裝置，用于探測機械部位進入隱患區(qū)(1區(qū))和事故區(qū)(0區(qū))時發(fā)出機械停止聯(lián)鎖信號，搭配發(fā)出光電提醒信號。通常結(jié)合屏護措施使用。

3.3 提示性安全技術(shù)措施

如果以上兩步技術(shù)措施不能實現(xiàn)或不能完全實現(xiàn)時，應(yīng)使用安全提示信息明確警告剩余風(fēng)險，對風(fēng)險區(qū)(2區(qū))及其周邊人的不安全行為進行提醒。通常結(jié)合安全色、安全標志進行現(xiàn)場應(yīng)用。提示性安全技術(shù)措施不能夠代替直接或間接安全措施。

3.4 補充安全措施

制定應(yīng)急預(yù)案，指明受困人員脫險的安全要點，人員觸電或機械傷害后的急救措施，發(fā)生火災(zāi)等次生災(zāi)害的消防措施。

4 措施應(yīng)用

4.1 排查電力設(shè)施現(xiàn)場分布

對于開放式分布的架空電力線路，排查電能載體導(dǎo)線和勢能載體桿塔的地理分布。對于隱蔽式分布的埋地電纜線路，根據(jù)管線備案坐標、路面設(shè)備標樁、第三方物探和試掘等方式確定電纜埋深、走向等基礎(chǔ)信息。將上述危險區(qū)域劃分為事故區(qū)(0區(qū))、隱患區(qū)(1區(qū))和風(fēng)險區(qū)(2區(qū))充分排查。

4.2 提出針對性綜合管控策略

根據(jù)現(xiàn)場電力設(shè)施分布和危險區(qū)域劃分結(jié)論，結(jié)合施工場地出現(xiàn)的各種起吊、鉆探、打樁等活動軌跡分布情況，排查出軌跡交叉重疊、交叉和臨近狀態(tài)；結(jié)合現(xiàn)場擬定可行的直接、間接和提示性安全技術(shù)措施及補充保護措施，實現(xiàn)物的不安全狀態(tài)和人的不安全行為的時空隔絕。

4.3 落實現(xiàn)場安全措

制定電力設(shè)施保護方案。內(nèi)容包括：遷改電力設(shè)備等直接性安全技術(shù)措施；設(shè)置限位繩、限高架、防撞墩等防護措施，必要時配備大型工程機械限位裝置和光電聯(lián)鎖裝置，屏護全部事故區(qū)(0區(qū))和隱患區(qū)(1區(qū))，全面落實間接性安全技術(shù)措施；擺放或張貼由安全色和安全標識結(jié)合形成的安全標示，提醒剩余安全風(fēng)險；擬定應(yīng)急搶險預(yù)案。

5 結(jié)束語

當電力設(shè)施發(fā)生外力破壞事件時，對電能或勢能等致害物和外力擾動單元等受害人均造成不可逆轉(zhuǎn)的損害，直接危及人、電網(wǎng)、設(shè)備等的安全，因此需要將防范措施落實在物的不安全狀態(tài)和人的不安全行為發(fā)生軌跡交叉之前，避免事故發(fā)生。