復(fù)線電氣化鐵路V形天窗感應(yīng)電的危害與預(yù)防

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

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路 V形天窗 感應(yīng)電 近似計算 預(yù)防

一、引言

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

二、感應(yīng)電產(chǎn)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(yīng)，產(chǎn)生了感應(yīng)電。按照感應(yīng)電產(chǎn)生機理的差異，可分為靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)兩類。

1.靜電感應(yīng)產(chǎn)生的原理。靜電感應(yīng)是指導(dǎo)體在外加電場的作用下，電荷在其中重新分布的現(xiàn)象。如果將導(dǎo)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(dǎo)體順電場方向的兩端將出現(xiàn)等量異種電荷，即感應(yīng)電荷。

2.電磁感應(yīng)產(chǎn)生的原理。電磁感應(yīng)是指磁場中的直導(dǎo)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(dǎo)體或線圈兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象。如果導(dǎo)體或線圈是某個閉合回路的一部分，則其中將產(chǎn)生感應(yīng)電流。

3.感應(yīng)電的特點。（1）在鐵路牽引供電系統(tǒng)中，感應(yīng)電的大小主要取決于接觸網(wǎng)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(chǎn)生的感應(yīng)電壓越高。（2）感應(yīng)電壓較高，在停電接觸線上未裝設(shè)接地線時，其最大值出現(xiàn)在停電接觸線兩端。當(dāng)一端接地后，接地端感應(yīng)電壓最小，未接地端感應(yīng)電壓最大。在停電接觸線上裝設(shè)接地線后，感應(yīng)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(yīng)電流。（3）感應(yīng)電具有隱蔽性，當(dāng)人體被感應(yīng)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(yīng)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(jù)靜電感應(yīng)原理可知，如果在一個原電荷附近放置一個導(dǎo)體，導(dǎo)體兩端就會出現(xiàn)感應(yīng)電荷，此時附近空間的電位分布就等于原電荷與感應(yīng)電荷在空間產(chǎn)生的電位的標量和。導(dǎo)體表面的感應(yīng)電荷很難直接求出，但如果原電荷是點電荷或線電荷，且導(dǎo)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(shè)存在一個鏡像電荷，如果其與場域內(nèi)的原電荷一起產(chǎn)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(yīng)電荷來求解的一種解題思想。

四、V形天窗時感應(yīng)電的相關(guān)計算

接觸網(wǎng)帶電時，附近空間將產(chǎn)生較強的交變電場。由于接觸網(wǎng)是平行架設(shè)于地面附近上空的導(dǎo)體，可以看作線電荷，接觸網(wǎng)正下方的大地為無限大接地導(dǎo)體的平面，可以看作一個等勢面，滿足場域內(nèi)邊界條件的定義，可依據(jù)鏡像法的思想，將大地中感應(yīng)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(chǎn)生的。

1.靜電感應(yīng)的相關(guān)計算。V形天窗作業(yè)時，設(shè)停電接觸線的電位為，帶電接觸線的電位為。假設(shè)場域內(nèi)距停電接觸線為處的電位為零，根據(jù)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(shù)。

將上下行接觸線看作平行長直導(dǎo)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(shù)據(jù)進行計算，得

2.電磁感應(yīng)的相關(guān)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(dāng)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(jù)牽引網(wǎng)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(shè)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(chǎn)生的感應(yīng)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(shè)停電接觸線感應(yīng)電壓為，因同時受三個回路影響，根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知，縱向感應(yīng)電動勢大小為：

（式3-3）

式中，為上下行接觸線的互感系數(shù)（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(shù)（任何接地的金屬回路都會對空間磁場產(chǎn)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(shù)近似取1×10-3；平行長度取15km；回流線、鋼軌的屏蔽系數(shù)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(jié)果可知，如果停電接觸線未接地，將存在很高的感應(yīng)電壓，是人體安全電壓的數(shù)十倍。

五、感應(yīng)電的預(yù)防措施

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

2.合理裝設(shè)接地線。按規(guī)定在變電所饋線隔離開關(guān)負荷側(cè)、作業(yè)區(qū)段兩端接觸線、回流線上裝設(shè)接地線，兩端接地線間的距離應(yīng)小于1000m。在接觸網(wǎng)與饋線、10kV電力線路同桿假設(shè)區(qū)段，饋線和10kV電力線路也應(yīng)停電并裝設(shè)接地線。天氣狀況不良的情況下，應(yīng)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(yīng)在架空地線接地點中間位置裝設(shè)接地線。

3.根據(jù)情況增設(shè)接地線或短接線。檢修分相時，應(yīng)在中性區(qū)增設(shè)接地線，消除中性區(qū)感應(yīng)電。檢修絕緣錨段關(guān)節(jié)、縱向電連接、隔離開關(guān)、吸上線等設(shè)備時，應(yīng)先使用短接線在原來連接部位進行連接，再進行設(shè)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(yīng)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(jié)語

本文在介紹感應(yīng)電原理的基礎(chǔ)上進行了相關(guān)計算，用具體數(shù)據(jù)說明了感應(yīng)電的存在與危害，希望能夠?qū)﹁F路安全管理部門提供一些參考與幫助。

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