接触网检修触电事故在电流角度的分析

罗 帅，张福生，何 伟，牛影赞

(石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，河北 石家庄 050043)

运用耦合电容的理论代替静电感应电压的理论对复线接触网检修时人员触碰接触网的情况进行分析，另外同时采用电磁感应电压的理论，解决了在复线接触网检修时流经人体电流的计算问题[1]，弥补了感应电压原理在分析复线接触网检修事故时未考虑流经人体电流的不足。

1 复线接触网停电检修时流经人体电流的计算

1.1 耦合电容串联回路中流经人体电流的计算

1.1.1 耦合电容串联回路模型

复线接触网停电检修时耦合电容串联回路中，以作业人员站在铝合金梯子上进行接触网检修时的情况为例，该作业人员为175 cm男性，皮肤洁净干燥，穿绝缘胶鞋，胶鞋绝缘等级为E级。以上模型的等效电路[2-4]如图1所示。图中U1为未停电侧接触网对地电压，CL为L1与L2之间的耦合电容，Rren为人体电阻,Cren为人体对地电容。Rshoe为鞋的电阻，Cshoe为鞋的电容。因为铝合金梯子的电阻值很低，故忽略不计。

本文模型参考文献[1]，考虑了人体的对地电容，以及鞋的阻抗，更加接近复线接触网检修时的实际作业情况。

1.1.2 复线接触网间耦合电容的计算

如图2c)所示，L1为接触网带电导线，L2为接触网停电导线，L’1为L1关于大地的镜像，L’2为L2关于大地的镜像。设L1所带电荷量为q1，L2所带电荷量为q2，则L’1和L’2的电量分别为-q1和-q2[5]。于是L1和L2对地电位分别为：

(1)

(2)

其中：U10为接触网L1对地电压，V；U20为接触网L2对地电压，V；l为上下行接触网的并行长度，m；α11、α12、α21、α22为电位系数；D为镜像电荷距另一条接触网电荷的距离，m；q1为L1所带电荷量，C；q2为L2所带电荷量，C；h1为L1距地面的高度，m；h2为L2距地面的高度，m；R1为L1截面半径，m；R2为L2截面半径，m；d为两条接触网间的距离，m；ε为介电常数，c2/N·M2。

两线间耦合电容CL=C12=C21=-β21=α21/Δ，

(3)

图1等效电路中，阻抗值为：

(4)

1.1.3 流经人体电流的计算与电路仿真

电流的计算公式为：

(5)

由公式(3)可得单位长度复线接触网间的耦合电容CL≈1.2 pF，模型中人体电阻值Rren=1 750 Ω[6]，人体的电容值Cren大约为100 pF[7],一般情况下绝缘胶鞋的对地电容Cshoe为100 pF，绝缘胶鞋对地绝缘电阻Rshoe一般为200 MΩ[6]。两接触网导线距地高度为h=6 m，两接触网导线相距d=4 m，半径均为r=7 mm，l取一个锚段的长度l=1 800 m，在空气中ε取真空介电常数ε0=8.85×10-12，ω=2πf=100π,接触网电压为U=27.5 kV，将以上数值代入公式(4)、(5)得：

I1≈0.01 mA

将“1.1.1”中电路用simulink进行仿真，参数如上述计算所示。其仿真结果如图3所示：

1.2 电磁感应回路中流经人体电流的计算

1.2.1 电磁感应电压回路模型

在复线接触网停电检修时，流经人体的电流中有一部分是由电磁感应电压产生的，其计算电路如图4所示，其中U2为停电侧接触网由于电磁感应所产生的电压。

1.2.2 流经人体电流的计算与电路仿真

在复线接触网检修时，运行的接触网中的电流会对停电侧接触网产生电磁感应电压，停电侧接触网上的感应电动势计算公式如下所示：

E=2πfMlIλ

(6)

其中：f为电流频率，Hz；M为上下行接触网间的互感系数，H·km-1；l为上下行接触网的并行长度，km；I为供电侧接触网电流，A，其值取没有列车经过时电流，约为500 A；λ为屏蔽系数，一般取λ=0.53。

M=[4.6lg(Dg/d)-jπ/2]×10-4

(7)

(8)

(9)

其中：σ为大地的电导率，一般取0.01 S/m；d为上下行接触网的平行间距，m；将“1.1.3”中参数，带入(6)-(9)可得:

将U2和Z2代入公式(5)可得：

I2≈0.007 mA

1.3 复线接触网停电检修时流经人体总电流

流经人体的总电流：

I=I1+I2=0.017 mA

将“1.2.1”中电路根据“1.1.3”中参数用simulink进行仿真，其仿真结果如图5所示。

2 人体安全电流

根据研究(见表1)从医学角度分析,流过工频交流电流时,成年男性和女性身体的电流值分别达到9 mA 和6 mA时，依照体质，有些人体不可摆脱,20 mA时,肌肉收缩,呼吸困难,50 mA时,即使时间不超过1 s,也会引起心室纤维性颤动,造成触电死亡[7]。

表1 交流电流电击的临界值表

3 流经人体电流的影响因素与事故成因

3.1 流经人体电流的影响因素

3.1.1 复线接触网并行长度的影响

在以上计算中，复线接触网的并行长度按一个锚段的长度即1800进行计算，这时流经人体的电流约为0.017 mA，而在实际中复线接触网的并行长度有时会超过1800。对照上面人体临界安全电流值，当复线接触网并行长度达到100 km时，接触网高度等其他参数与“1.1.3”中相同，将l=100 km代入(3)～(6),计算得流经人体的电流值为：I≈0.9 mA+0.5 mA=1.4 mA，对照表1可知，当l=100 km时流经人体的电流(按男人的标准)已超过感觉的临界值，十分接近不舒服的电击值，若并行长度超过100 km，在其他条件不变的情况下，人体可能由于电击而产生高空坠落。

3.1.2 鞋阻抗值的影响

一般情况下，工作人员作业时都会穿绝缘胶鞋，它的电阻值一般在200 MΩ左右，是防止流经人体电流值过大的重要部分，但是若绝缘胶鞋破损或未穿绝缘胶鞋，影响鞋的电阻值，那么流经人体的电流值会变得很大。

在“1.1.3”中其他参数不变的情况下，将鞋对地绝缘电阻值Rshoe以及鞋的对地电容Cshoe改为0，通过式(3)～(6),计算一个锚段长度的复接触网流经人体的电流值为：I≈19 mA+129 mA=148 mA，对照表1可知，当鞋对地绝缘电阻值Rshoe以及鞋的对地电容Cshoe为0时流经人体的电流已远超过人能承受的疼痛电击，这时作业人员会因身体流过过大电流而死亡。以上计算的情况是不穿绝缘胶鞋的极端情况，通过计算可知绝缘胶鞋在复线接触网检修时对于影响流经人体电流起着关键性作用。

3.1.3 天气因素的影响

在复线接触网检修的过程中，很有可能会碰到下雨的情况，或者由于检修任务的紧迫而不得不在下雨的情况下进行复线接触网的检修，这时流经人体的电流也会由于雨势的大小而不同程度的增高。下面讨论暴雨情况下流经人体的电流值。

在暴雨情况下，复线接触网间的相对介电常数取水的相对介电常数εr=81.5，介电常数ε=εr×ε0，计算得ε=81.5×8.85×10-12=7.2×10-10c2/N·m2,将其代入式(3)得单位长度复线接触网间的耦合电容为CL≈97.8 pF。在“1.1.3”中其他参数不变的情况下代入新的耦合电容值重新计算式(4)～(5)，可知在暴雨天气时，复线接触网并行长度为一个锚段长度时流经人体的电流值为：I≈0.9 mA+0.007 mA=0.907 mA，对照表1可知，按男人的标准看，该值接近感觉的临界值。

3.1.4 人体电阻的影响

人体在清洁、干燥、表皮完好的情况下其电阻值一般为1 750 Ω，而在人体表皮受损或者污秽、潮湿时，电阻值会降低。在“1.1.3”中其他参数不变的情况下按人体表皮电阻为0，人体内部电阻为500 Ω计算式(3)～(6)，得到人体表皮完全受损情况下复线接触网并行长度为一个锚段长度时流经人体的电流值为：I≈0.01 mA+0.007 mA=0.017 mA。与人体清洁、干燥、表皮完好时流经人体电阻值进行比较可知前后变化不大。

3.1.5 其他因素

接触网架线高度与两条接触网间距离也会对流经人体的电流值产生影响。但接触网的高度及距离变化的幅度不大，故接触网架线高度与两条接触网间距离并不是影响流经人体电流值的主要原因。

3.2 事故成因分析与预防措施

综上所述，可知在影响流经人体电流的几个因素中，鞋的电阻值起着关键性的作用，当鞋的阻值降为1.5 MΩ时，复线接触网并行长度为一个锚段时流经人体的电流值就会超过9 mA即疼痛电击的临界值，从而发生电击事故。其次，在暴雨天气时，流经人体的电流也会上升，在一个锚段的长度内，电流由0.017 mA增长为0.907 mA，这时在绝缘胶鞋未破损情况下，由于鞋的阻抗的作用，串联电容分压环节产生的电流值I1不会随复线接触网并行长度l的变化而发生变化，其值稳定在0.9 mA左右，而电磁感应环节所产生的电流I2会随着l的增长而不断增长，所以复线接触网并行长度在一定程度上也起着关键性作用。而在绝缘胶鞋完好时，人体电阻的变化并不会对流经人体的电流产生很大变化，故人体电阻值不是影响流经人体电流的关键因素。

建议在复线接触网检修时一定要断开50%备用联络隔离开关，这样可以限制复线接触网的并行长度，另外工作人员一定要穿电工绝缘胶鞋，增大阻抗值。

4 结论

本文通过耦合电容与电磁感应电压的理论分析了复线接触网检修时流经工作人员的电流，弥补了静电感应电压理论对于此问题分析的不足。经过模型建立与计算以及simulink仿真，得出在一般情况下复线接触网检修时流经人体的是一个微小电流的结论。对比人体安全电流值，本文进一步分析了影响复线接触网检修时流经人体电流的原因，并从电流角度分析了复线接触网停电检修时造成触电事故的主要原因，提出了限制流经人体电流、预防触电事故的措施。