电气化铁路贯通线检修中电流伤人事件的研究

汤德宁 郎 兵 陈 山 赵 隽



电气化铁路贯通线检修中电流伤人事件的研究

汤德宁1郎 兵1陈 山2赵 隽2

（1. 北京交通大学电气工程学院，北京 100044； 2. 昆明铁路局玉溪供电段，昆明 650100）

电气化铁路邻近的10kV电力贯通线停电检修区段，如果安全措施采用不当，感应电会对贯通线检修作业人员的人身安全带来严重伤害。论文对贯通线检修过程中发生电流伤人事件的原因进行了分析，对电气化铁路在邻近的贯通线路上产生电磁影响的机理以及静电感应电压、电磁感应电势、感应电流的计算进行了研究，对昆明供电段8.11感应电伤人事件中的感应电进行了计算，并将计算结果与现场的实测数据进行比对，验证了电磁感应计算的有效性。这对评估现场贯通线检修区段的感应电强度，为制定防范感应电伤人的措施提供科学依据，具有实际意义。

电气化铁路；电力贯通线；电磁感应；接地封线

1 检修中的电力贯通线区段出现电流伤人事件的原因

我国电气化铁路，特别是采用直供加回流供电方式的普速电气化铁路沿线附近通常架设三相10kV电力贯通架空线路或地缆线路，为铁路沿线的场站、信号、动力、照明等设施提供电力[1]。目前，对于电力贯通线路的维修、维护等作业，基本上都是由铁路供电车间电力工区的检修人员来进行。近几年，随着铁路运输负荷的快速增长，供电设备的检修与维护的工作量也越来越大，检修人员在检修停电的电力设备时受到电击伤害的事件频有发生，其中感应电流伤人事件尤为突出。

在电气化铁路正常运行时，牵引变电所通过接触网向电力机车负荷供电，并经架空回流线、钢轨和大地形成供电回路。通常，电力贯通线都是沿轨道伸展方向以架空线的形式架设的，基本上与接触网的走向保持平行接近或斜接近。当牵引供电系统带电运行时，形成一个巨大的电磁系统，对牵引网周围环境产生电磁影响。一方面，接触网上25kV的供电电压在其周围空间产生一个工频高压电场，通过静电感应在邻近的电力贯通线导体上产生静电感应电压；另一方面，接触网中交变的负荷电流在其周围空间中建立交变磁场，通过电磁感应在邻近的电力贯通线导体上产生电磁感应电势[2]，如图1所示。

图1 交流牵引网对电力贯通线的电磁影响示意图

其中，静电感应电压是对地的感应电压，而电磁感应电势是沿线路方向的纵向感应电势。

贯通线停电作业时，停电的贯通线区段两端必须进行接地封线，因此停电作业的贯通线两端挂设接地封线后就形成了“大地→贯通线首端接地线→停电的贯通线→贯通线末端接地线→大地”的闭合回路。这对消除相邻的25kV接触网对停电检修的贯通线产生的静电感应电压是非常有效的，避免了对地静电感应电压对检修人员的伤害。但是，接触网中的负荷电流在这一闭合回路上产生的沿线路的纵向感应电势会在闭合回路中产生感应电流，如果此时检修人员对贯通线路上的设备进行检修，在未采取必要的防护措施情况下，检修人员身体串入到回路中，感应电流流过检修人员身体且数值大于人体的耐受电流，必将对检修人员造成电伤。所以，通过对感应电的机理分析，确定感应电的计算方法，并计算确定现场检修作业时产生感应电的强度，这对在生产实际中科学地制定防范感应电对检修人员造成伤害的措施，保证生产安全具有重要意义。

2 电气化铁路对邻近电力贯通线电磁影响的机理及计算

2.1 静电感应电压的计算

式中，b为导线1及其镜像到地面的距离，m；R为导线1的等效半径，m；D为导线1的镜像与导线2间的距离，m；d为导线1与导线2间的距离，m。

由式（1）可知，导线2（贯通线）上的对地静电感应电压与接触网的电压1成正比，与接触网负荷电流的大小无关，与贯通线沿接触网平行伸展的长度无关。贯通线与接触网间的距离越小，贯通线上的静电感应电压越高[4]。所以，当对邻近接触网的贯通线进行检修作业时，为避免静电感应电压对检修人员的伤害，作业之前不仅要将检修区段的贯通线两端通过隔离开关从电力线路中断开，而且还要将断开的线路两端进行接地封线，这对消除检修区段贯通线上的静电感应电压是非常必要的。

2.2 电磁感应电势的计算

由于接触网中单相交流负荷电流产生未被平衡的交变磁场，从而引起电磁感应的影响，在平行接近或斜接近的电力贯通线上产生感应电势，该感应电势沿着贯通线各点纵向分布，故也称为纵向感应电势[5]。

对于进行检修作业的贯通线区段，其两端已接地封线，从而形成贯通线与大地间的闭合回路。这时，对检修人员的直接危害是回路中产生的电磁感应电流[6]，如图3所示。

图3中，均以大地构成回路的两根平行导线，导线1（接触网）和导线2（三相贯通线），两导线间的单位互感系数12（H/km）可以由Carson公式[7]求得

图3 导线-大地回路示意图

式中，g为等效地回线的入地深度，m；为导线1与导线2间的距离，m。

两导线间的单位互阻抗12（W/km）则为

图3中，检修区段的三相贯通线两端点经接地桩接地封线，两端接地桩的接地电阻分别为RR，每相贯通线-地回路的单位自阻抗为2。导线1和导线2平行接近，且平行接近长度也就是封线距离。则导线1的牵引负荷电流1在导线2上产生的纵向感应电势2为

由式（4）可知，导线2（贯通线）上的纵向感应电势与接触网负荷电流的大小成正比，与贯通线与接触网的平行接近长度成正比，而与接触网的电压大小无关。贯通线与接触网间的距离越小，其间的互感系数就越大，贯通线上的纵向感应电势也就越大。

式中：R为“钢轨+回流线”-地回路的单位自阻抗，W/km；TR为“钢轨+回流线”-地回路与接触网-地回路路间的单位自阻抗，W/km。

同时，还应考虑接触网与贯通线路的曲折变化。虽然电力贯通线都是沿轨道伸展方向架设的，但受沿线地理环境的影响，有些贯通线区段走向与接触网平行，称为平行接近，平行接近长度就是贯通线区段长度。而有些区段的接近距离有均匀的增加或减少，则称为斜接近，其平行接近长度是此区段贯通线在接触网上的投影。所以，按贯通线与接触网间的斜度不同，将贯通线分成若干区段，采用叠加法。

因此，考虑到屏蔽系数的因素和接触网与贯通线路的曲折变化时，导线2（贯通线）上纵向感应电势表达式为

式中，m为每一斜度段贯通线与接触网间的单位平均互感系数，其中的导线间距取平均间距；l为每一斜度段贯通线与接触网间的平行接近长度；I为对应每一斜度段贯通线的接触网中的负荷电流。

纵向感应电势作用在因接地封线形成的贯通线与大地间的闭合回路上，且回路阻抗为2，则在回路中产生电磁感应电流2为

3 昆明供电段8.11岔江高空坠落事件分析

3.1 8.11岔江高空坠落事件概况

2009年8月11日，昆明铁路局昆明供电段罗平电力工区根据计划，对“威岔”贯通线013#杆至“罗岔”贯通线244#杆间的电力设备进行检修，发生事件时的检修区段线路示意如图4所示。9∶50至10∶28，工区按照规定首先断开了岔江站“岔威”线09#—010#杆之间的分断装置（DL），又分别将作业区间两端“威岔”线013#GK和“罗岔”线244#GK断开，并分别在“威岔”线012#、“罗岔”线278#、255#和245#杆检电封线。11∶45，两名电力工到达所负责的“岔威”线001#终端杆，准备在杆上加装两个避雷器跳线绝缘子。其中一名电力工从垂直于线路方向开始登杆，登杆板最后一踩搭在杆塔的两个撑角之间距离撑角底部0.2m处，其左手抓住左边撑角中部，在抬起右手时右上臂触到边相耐张线夹的尾线上，立即感觉到有强烈的触电感觉，在无法摆脱右手臂接触的尾线后，放开了抓住撑角的左手，大叫一声“有感应电”后，从杆上8.2m处坠落到地面[9]。

图4 811事件检修区段线路示意图

从图4中可以看出，由于001#杆作业前未做任何接地，虽然012#和278#、255#、245#杆均封线接地，但与001#杆并未构成贯通线与大地的闭合回路。而且由于09#—010#杆之间的DL断开后未旁路，所以012#杆接地封线对001#杆不起作用。当电力工登001#杆后，其左手抓住杆的金属撑角，相当于人体一端已接地，其抬起右手臂触到边相耐张线夹的尾线，相当于人体另一端碰触贯通线，从而通过人体形成了001#杆与278#、255#、245#杆间接地点的闭合回路，此时铁路上有40220次电力机车通过，接触网上的负荷电流在贯通线与地间的回路中产生电磁感应电流，从而导致电力工受到感应电击而坠落。

坠落事故发生后，引起了昆明供电段负责人的高度重视，为进一步了解和解释感应电伤人的形成原因，8月19日由昆明供电段牵头组成测试小组，还原8.11当天对罗威贯通线245#—012#杆检修的情形，对南昆线岔江站接触网感应电压、感应电流情况进行了实地测试与调查，测试前准备工作如下[10]：

1）进行停电操作。先将09#—010#杆间的分断装置DL断开，再将013#杆上GK和244#杆上GK断开，而后再将09#—010#杆间的DL旁路。

2）模拟人体触电。在001#杆导线与杆的接地网间串联一只220V 40W的白炽灯，用以模拟人体电阻约1200W。

测试的主要内容是：通过改变贯通线接地封线的位置测试白炽灯的电压及亮度情况；通过改变贯通线接地封线的位置测试001#杆处三相导线短接的接地电流。

3.2 对8.11事件的理论计算

本文针对以上还原的8.11当天的检修现场情况，对测试的主要内容进行了如下理论计算。

检修现场的基本情况是：威舍至罗平电气化铁路为一单线电气化区间，接触线为TCG-110，承力索为TJ-70，回流线为LGJ-185，钢轨为P60，链形悬挂的接触网距地面高度为6.35m，贯通线采用LGJ-70导线，距地面高度为12m，根据Carson公式计算得

接触网-地回路的单位自阻抗为

“钢轨+回流线”-地回路的单位自阻抗为

接触网-地回路与“钢轨+回流线”-地回路间的单位互阻抗为

为进行理论计算，考虑到现场贯通线与接触网为斜接近的情况，参考现场接地封线的位置，对贯通线进行分段，图4中标注了贯通线的分段情况及分段长度。其中，002#至001#杆之间以及297#至296#杆之间为地缆线路，且线路走向与接触网走向垂直，故这两段线路上的电磁感应忽略不计。计算过程见表1。

表1 检修区段贯通线电磁感应电势理论计算表

图5 811检修区段等值电路图

012#至245#杆区间内贯通线等值电路如图5所示。其中开关：K245、K255、K278、K012分别模拟4处接地封线的状态。1—4分别表示接地封线处接地桩的接地电阻，1—4分别表示各段线路阻抗。5为001#杆的地网电阻，为模拟人体的白炽灯电阻。

按照8月19日现场实地测试的测试过程，当区段内无接地封线（电路中所有开关全部断开），001#杆处白炽灯对地计算电压为0，三相导线短接对地计算电流也为0；当区段内只有245#杆接地封线（电路中K245闭合），白炽灯对地实测电压为168V，经过对电路求解，白炽灯对地计算电压为178.3V，三相导线短接对地计算电流为3.2A；当区段内245#和255#杆接地封线（电路中K245、K255闭合），白炽灯对地实测电压无数据，经过对电路列写节点电压方程并求解，得白炽灯对地计算电压为148.8V。后续实测及计算数据见表2。

表2 线路改变接地封线位置时实测数据与计算数据对比表

表2中的实测电压、电流数据与计算电压、电流的结果基本是吻合的，说明8月19日现场的测试数据基本上反应811事件现场的真实情况。①测试范围内贯通线路未悬挂接地封线时，白炽灯构不成大地回路，所以电流的大小为零，即白炽灯不亮；②当245#杆加挂接接地封线时，白炽灯与其构成大地回路，因回路最长故感应电势最高，所以此刻回路电压、电流均为最大，即白炽灯最亮；③继续在255#杆加挂接地封线，白炽灯与2个接地点构成大地回路，其中较近的接地点构成的回路起主要作用，但由于255#与245#相距不大，故对感应电势影响不大，所以感应电势降低较少，流过白炽灯的电流变化也不大，即白炽灯亮度基本无变化；④继续在278#杆加挂接地封线，白炽灯与278#杆接地点构成的回路起主要作用，感应电势下降较多，白炽灯两端的电压有显著的下降，流过白炽灯的电流有明显的减小，即白炽灯亮度变暗；⑤最后在012#杆加挂接地封线，白炽灯两侧均有接地回路，而与012#杆构成的接地回路最短起主要作用，所以感应电势只有22.9V（已知白炽灯两端电压小于40V时才亮），电流随电压的减小而骤降，故白炽灯不亮。

3.3 贯通线检修中对感应电的防护

从以上的现场实测和理论计算可以看出当作业人员碰触贯通线导线时，接地封线点与检修作业位置越近，作用在人身上的感应电压就越小，通过人体的感应电流也就越小[11]。所以，最安全的做法就是在作业之前，作业人员在检修处用接地线，先将接地线一端接地，再将另一端接触导体端，而后再进行各种检修专业，保证人身不会受到感应电的伤害。

如果接地封线地点距离检修人员较近，使作用在人体上的感应电压在安全范围内，这时即使在作业处不挂接地线，对作业人员也不会造成伤害。

目前，国内电力行业标准[12]对交流输电线路发生短路故障时，人身的短时安全电压s有如下计算：

根据式（2）和式（6），可得到封线长度与贯通线距接触网的最近距离的关系式：()。

当考虑故障情况，直供加回流的牵引网发生接触网接地短路时，最大短路电流一般在5000A以下，允许贯通线检修区段产生的最大电磁感应电势为200V；当考虑正常情况，直供加回流的牵引网最大的负荷电流一般在1000A以下，允许贯通线检修区段产生的最大电磁感应电势为36V，分别作出如下()关系曲线，如图6所示。

图6 正常运行和短路故障时l=f(d)关系曲线

由图6可知：

1）图中的曲线分别为接触网正常运行时和短路故障时的临界安全线，进行接地封线保护时，只要接地封线距离在临界安全线下方的区域内进行选择时，即使作业位置处不挂接地线，对于作业人员都是安全的。

2）两条曲线走向趋势是一致的，当两者的贯通线距接触网的最近距离相等的条件下，正常运行时要求的封线距离较短，说明接地封线防护整定时，应以正常运行时所对应的封线距离为依据。

3）当≤30m时，曲线斜率变化较大，且呈正相关系，说明受的影响很大，从安全的角度考虑应采取在作业位置处加挂接地线的措施，保证作业人员安全；当＞30m时，曲线近似为线性关系，随变化的趋向于均匀、稳定，可以根据图6曲线估算合适的接地封线距离，且作业位置处可以不挂接地线，作业人员不会受到感应电的伤害。

4 结论

在电力贯通线进行检修作业时，如果安全措施采用不当，感应电会对贯通线检修作业人员的人身安全带来严重伤害。所以，安全、有效、科学、实用的防范措施的研究是铁路供电安全领域的重要课题。本文针对现场发生的感应电伤人事件进行了理论分析，结合理论计算，总结归纳出接地封线的防范措施在实施中封线密度的确定方法。这为现场安排贯通线检修作业时，根据现场实际情况，确定接地封线的位置、接地封线的间隔距离提供了科学依据。

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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

汤德宁（1993-），男，河南省开封市人，硕士研究生，主要从事电力系统自动化与电气化铁道的研究工作。

昆明铁路局科技研究开发计划项目（K17J24）