李正康， 周文婕， 沈睿， 顧濤， 高仕斌， 韓正慶

（1.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司 電氣化設(shè)計研究院，四川 成都 610031；2.中國人民解放軍第五七〇一工廠3C車間，四川 成都 610031；3.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031；4.中國鐵路上海局集團有限公司 工電檢測所，上海 200071）

0 引言

在對電氣化鐵路檢修時，通常將復(fù)線上下行接觸網(wǎng)同時停電進行垂直天窗作業(yè)［1］，但在應(yīng)急搶修時為保證運輸?shù)臅r效性，復(fù)線上下行接觸網(wǎng)只在事故側(cè)停電，在非天窗點展開搶修，即V 形作業(yè)［2］。復(fù)線電氣化區(qū)段V 形作業(yè)時，由于上下行線路間存在電磁耦合和靜電耦合，在停電線路上會產(chǎn)生感應(yīng)電，如果對感應(yīng)電的耦合機理及危害認(rèn)識不夠，采取的安全防護措施不到位，極有可能發(fā)生感應(yīng)觸電事故。電氣化鐵路時有列車火災(zāi)發(fā)生［3］，并且列車火災(zāi)救援是容易感應(yīng)觸電的典型應(yīng)急作業(yè)場景。列車發(fā)生火災(zāi)時，需要火災(zāi)救援人員利用消防水槍滅火，在滅火過程中，水槍水柱可能觸及接觸網(wǎng)導(dǎo)線，即使列車所在線路已經(jīng)停電，但通電的相鄰線路接觸網(wǎng)在停電線路導(dǎo)線上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，此感應(yīng)電壓可能危及火災(zāi)救援人員的安全。因此，為保障列車火災(zāi)救援人員的安全、防止二次事故發(fā)生，有必要對這一情景下的感應(yīng)電安全防護措施進行研究。

在對感應(yīng)電安全防護的研究中，文獻［4］對廣州—深圳電氣化鐵路第三接觸線上的感應(yīng)電壓限制措施進行研究。文獻［5］對V形作業(yè)時，作業(yè)區(qū)兩端加掛地線的距離進行了探討。針對火災(zāi)救援防護，文獻［6—8］分別對地鐵和特長公路隧道火災(zāi)防護進行了研究。已有感應(yīng)電安全防護和火災(zāi)救援的研究中，沒有涉及列車火災(zāi)救援時對感應(yīng)電的安全防護。

針對列車火災(zāi)救援應(yīng)急作業(yè)場景，首先對感應(yīng)電壓耦合原理及影響因素進行理論分析，建立火災(zāi)救援時人體分壓模型，推導(dǎo)得到人體安全電壓限值下的水柱長度計算公式，進而選取典型線路對不同因素影響下復(fù)線直接供電方式、普速AT 供電方式、高速全并聯(lián)AT 供電方式的接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓進行現(xiàn)場測試，最后利用各種工況下的感應(yīng)電壓最大值，計算不同消防水槍噴口當(dāng)量直徑下的水柱最小安全長度，制定火災(zāi)救援時的安全防護方案，并通過現(xiàn)場測試驗證防護措施的正確性。

1 感應(yīng)電壓理論分析

復(fù)線電力接觸網(wǎng)示意見圖1，若線路L1兩端的斷路器打開，即變電所處斷路器1QF 和分區(qū)所處斷路器3QF 斷開，此時線路L1停電、L2正常供電，即接觸網(wǎng)V 停。因為線路L2與線路L1之間存在靜電耦合和電磁耦合，會在停電線路L1兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓由容性感應(yīng)電壓和感性感應(yīng)電壓兩部分組成［9］。

圖1 復(fù)線電力接觸網(wǎng)示意圖

1.1 容性感應(yīng)電壓

當(dāng)復(fù)線接觸網(wǎng)線路L1停電、線路L2正常供電時，可將復(fù)線接觸網(wǎng)簡化為2個導(dǎo)體，進而得到感應(yīng)電壓耦合模型（見圖2），由基爾霍夫定律可求得線路L1上的容性感應(yīng)電壓U1(C)：

圖2 感應(yīng)電壓耦合模型

式中：U2為線路L2的電壓；C11為線路L1對地電容；C12為線路L1和線路L2的線間耦合電容。

式（1）變形可得：

1.2 感性感應(yīng)電壓

當(dāng)線路L1停電時，流過線路L2的電流通過線間互感會在線路L1上產(chǎn)生感性感應(yīng)電壓U1(L)：

式中：I2為線路L2上流過的電流；Z12為線間互阻抗；L為線路L1和線路L2的并行長度。

1.3 合成感應(yīng)電壓

停電接觸網(wǎng)L1上的感應(yīng)電壓是上述容性感應(yīng)電壓和感性感應(yīng)電壓的疊加，即合成感應(yīng)電壓U1：

式中：U1(C)為線路L1上的容性感應(yīng)電壓；U1(L)為線路L1上的感性感應(yīng)電壓；θ為線路L1和線路L2的互阻抗角；φ為線路L2的功率因數(shù)角。

1.4 感應(yīng)電壓影響因素分析

綜合分析式（2）—式（4）可知：

（1）容性電壓大小與帶電線路電壓成正比，與停電線路對地電容和線間電容的比值成反比，而電容與接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及環(huán)境條件有關(guān)，因此感應(yīng)電壓需要考慮接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及環(huán)境條件。

（2）感性感應(yīng)電壓大小與線間的互阻抗、帶電線路的電流大小以及復(fù)線上下行線路并行長度成正比，因此在計算感性感應(yīng)電壓時需要考慮帶電運行線路上列車數(shù)量及列車在接觸網(wǎng)的位置。

（3）合成感應(yīng)電壓由容性感應(yīng)電壓和感性感應(yīng)電壓疊加，與容性感應(yīng)電壓和感性感應(yīng)電壓的幅值、上下行線路的參數(shù)以及正常運行線路的功率因數(shù)角有關(guān)。

（4）特殊情況下，若接觸網(wǎng)支柱同桿架設(shè)有其他電力線或者周圍有其他并行線路，則還需考慮其他帶電運行導(dǎo)體對停電線路感應(yīng)電壓的影響。

綜上所述，感應(yīng)電壓大小與線路環(huán)境條件、上下行線路并行長度、通過列車數(shù)量、列車位置等因素有關(guān)，不同線路的感應(yīng)電壓差別較大，若定量獲取接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓大小，需要對各種供電方式接觸網(wǎng)在不同工況下的感應(yīng)電壓進行測試，進行整體比較分析。

2 火災(zāi)救援人員承受電壓分析

2.1 火災(zāi)救援人員人體承受電壓原理

假設(shè)火災(zāi)救援人員利用消防水槍進行滅火時，若噴口不接地，水柱不慎接觸到停電接觸網(wǎng)，此時人體承受電壓模型見圖3。人體采用模擬電阻R2和對地電容C并聯(lián)模型，人體對地電容C取值43.5 pF［10］，在工頻下其容抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人體模擬電阻，在實際計算中可以忽略人體對地電容的并聯(lián)分流影響，故模型簡化為水柱電阻R1和人體模擬電阻R2的串聯(lián)。

圖3 火災(zāi)救援人體承受電壓模型

假設(shè)停電接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓為U，水柱承受電壓為U1，人體承受電壓為U2，則有：

人體承受電壓可以表示為：

由式（7）可知，假定人體模擬電阻R2和停電接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓U已知，則水柱電阻越大，人體承受電壓越小，因此現(xiàn)場火災(zāi)救援時，可以采取措施增大水柱電阻來減小停電接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓在人體分壓，最終保護火災(zāi)救援人員安全。其中，在人體安全電壓限值下，通過改變水柱長度增大水柱電阻是最簡單有效的防護措施。

2.2 人體安全電壓限值下的水柱長度

水柱電阻和當(dāng)量截面積計算公式為：

式中：ρ為水電阻率，Ω ?cm；L為水柱長度，cm；S1為水柱當(dāng)量橫截面積，cm2；D1為水槍噴口當(dāng)量直徑，cm。

聯(lián)立式（7）—式（9）可得水柱長度：

參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可以得到人體在工頻交流27.5 kV電壓環(huán)境中，耐受的交流安全電壓限值為33 V［11］。在大接觸面積（10 000 mm2）時，干燥條件下人體總阻抗為6 100 Ω，潮濕條件下為4 100 Ω［12］。純水電阻率高達18.2 MΩ ?cm，市政用水平均電阻率3 500 Ω ?cm，不小于1 500 Ω ?cm［13］。消防水槍接口公稱直徑和當(dāng)量噴口直徑參考消防水槍噴嘴直徑標(biāo)準(zhǔn)［14］。因此只要通過現(xiàn)場測試得到各種工況下的感應(yīng)電壓最大值，計算在人體安全電壓限值約束、不同消防水槍噴口當(dāng)量直徑下的水柱長度即可得到相應(yīng)的安全防護措施。

3 列車火災(zāi)救援安全防護措施

復(fù)線電氣化鐵路接觸網(wǎng)檢修作業(yè)時，根據(jù)鄰線接觸網(wǎng)是否帶電以及停電接觸網(wǎng)不同接地狀態(tài)可以分為接觸網(wǎng)V 停、接觸網(wǎng)垂停、接觸網(wǎng)V 停單端接地工況，為全面獲取各種因素影響下的感應(yīng)電壓，選取典型線路對直接供電方式、普速AT 供電方式、高速全并聯(lián)AT 供電方式的接觸網(wǎng)在不同工況下的感應(yīng)電壓進行現(xiàn)場測試，利用各種工況下測得的感應(yīng)電壓最大值，計算水柱最小安全長度，制定火災(zāi)救援時的安全防護措施。

3.1 接觸網(wǎng)V停感應(yīng)電壓測試

在普速或準(zhǔn)高速鐵路復(fù)線接觸網(wǎng)檢修中，接觸網(wǎng)檢修部門大多采用V 形作業(yè)對接觸網(wǎng)檢修［15］，選取普速AT 線路、高鐵全并聯(lián)AT 線路，在寧西線長安集—梓樹莊、合肥樞紐、滬蓉線長安集—合肥南、淮南線撮鎮(zhèn)—橋頭集以及合福線長臨河—無為組織現(xiàn)場測試，接觸網(wǎng)V停感應(yīng)電壓測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 接觸網(wǎng)V停感應(yīng)電壓測試數(shù)據(jù)

分析表1可以得出：

（1）接觸網(wǎng)V 停時停電線路感應(yīng)電壓與上下行接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

（2）接觸網(wǎng)V 停時感應(yīng)電壓最大已測到3 940 V，根據(jù)式（10）計算得到火災(zāi)救援時人體安全電壓限值下的水柱最小安全長度，接觸網(wǎng)V 停噴口不接地時水柱最小安全長度見表2。

表2 接觸網(wǎng)V停噴口不接地時水柱最小安全長度 m

由表2 可得出接觸網(wǎng)V 停時停電線路感應(yīng)電壓較高，列車發(fā)生火災(zāi)時不采取防護措施直接進行救援會危及火災(zāi)救援人員生命安全。以現(xiàn)場實測接觸網(wǎng)V 停時的感應(yīng)電壓3 940 V 為例，當(dāng)消防水槍噴嘴公稱直徑為65 mm、水電阻率為3 500 Ω ?cm 時，消防水柱要在7.84 m 以上才能保證火災(zāi)救援人員安全；而當(dāng)水電阻率下降為1 500 Ω ?cm 時，消防水柱需達18.30 m 以上，遠(yuǎn)大于鐵路接觸線標(biāo)稱高度5.3 m。

綜上所述，接觸網(wǎng)V 停時感應(yīng)電壓很高，僅靠加大消防水柱長度無法保證火災(zāi)救援人員安全，火災(zāi)救援時必須采取電氣防護措施。

3.2 接觸網(wǎng)垂停感應(yīng)電壓測試

在接觸網(wǎng)V停測試中，感應(yīng)電壓最大已達到3 940 V，嚴(yán)重威脅火災(zāi)救援人員的生命安全，因此在接觸網(wǎng)V停測試的基礎(chǔ)上，繼續(xù)設(shè)計接觸網(wǎng)垂停、接觸網(wǎng)垂停與電網(wǎng)并行區(qū)段的感應(yīng)電壓測試方案，在寧安線池州—安慶、合福線長臨河—巢湖東—無為、京九線阜北—伍明—王寨組織現(xiàn)場測試，接觸網(wǎng)垂停感應(yīng)電壓測試數(shù)據(jù)見表3。

分析表3可以得出：

（1）停電線路應(yīng)考慮外部電網(wǎng)引起的感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓最高已達132 V。外部電網(wǎng)耦合產(chǎn)生的感應(yīng)電壓受外部電網(wǎng)電壓等級、外部電網(wǎng)與接觸線的空間距離以及并行長度的綜合影響，外部電網(wǎng)電壓越高、與接觸網(wǎng)距離越近、并行長度越長，引起的接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓越高。因此，外部電網(wǎng)引起的感應(yīng)電壓可能遠(yuǎn)大于132 V。

（2）停電線路應(yīng)考慮其他股道行車的影響。表3測試序號8 中，測試地點為站場，受其他股道行車的影響，感應(yīng)電壓最大達351 V。

表3 接觸網(wǎng)垂停感應(yīng)電壓測試數(shù)據(jù)

綜上所述，接觸網(wǎng)垂停會在外部電網(wǎng)、臨近行車線路等各種因素共同作用下產(chǎn)生感應(yīng)電壓。雖然現(xiàn)場實測該電壓值較小，但不排除極端條件下會存在較大的感應(yīng)電壓，因此，列車發(fā)生火災(zāi)時不采取接地措施會危及火災(zāi)救援人員生命安全。

3.3 接觸網(wǎng)V停單端接地感應(yīng)電壓測試

在接觸網(wǎng)垂停測試中，得出停電接觸網(wǎng)仍會受周圍電網(wǎng)影響，并且在站場附近還受其他股道行車的影響。在列車火災(zāi)救援時，線路實行垂停存在困難，這對火災(zāi)救援人員的生命安全產(chǎn)生極大威脅，亟待研究V停單端接地措施以降低感應(yīng)電壓，因此在接觸網(wǎng)V 停感應(yīng)電壓測試和接觸網(wǎng)垂停感應(yīng)電壓測試的基礎(chǔ)上，繼續(xù)設(shè)計接觸網(wǎng)V 停單端接地感應(yīng)電壓測試方案，在寧西線長安集—梓樹莊、合肥樞紐、滬蓉線長安集—合肥南、淮南線撮鎮(zhèn)—橋頭集及京九線阜北—伍明—王寨組織現(xiàn)場測試，接觸網(wǎng)V 停單端接地感應(yīng)電壓測試數(shù)據(jù)見表4。

分析表4可以得出：

（1）停電線路感應(yīng)電壓與運行線路上列車負(fù)荷有關(guān)。

（2）感應(yīng)電壓較不接地大幅降低。表1 中接觸網(wǎng)V停不接地時，電壓最大可達3 940 V，表4中接觸網(wǎng)V停單端接地時，電壓最大只有501 V，電壓降低幅度明顯。

表4 接觸網(wǎng)V停單端接地感應(yīng)電壓測試數(shù)據(jù)

（3）若只有鄰線接觸網(wǎng)的耦合作用，則距離接地點越遠(yuǎn)感應(yīng)電壓越大，即使接地點離測試點距離較遠(yuǎn)，感應(yīng)電壓仍較不接地大幅降低，為確保列車火災(zāi)救援防護措施的安全性，接地點離救援點越近越好，在條件允許情況下可采取接觸網(wǎng)兩端接地的防護措施。

（4）接觸網(wǎng)V停單端接地感應(yīng)電壓最大可達到501 V，根據(jù)式（10）計算得到噴口不接地時水柱最小安全長度，噴口不接地時水柱最小安全長度見表5。

綜上所述，在接觸網(wǎng)V 停單端接地時，停電線路感應(yīng)電壓比不接地大幅降低，此時通過較長的水柱可以保障救援人員安全。根據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》（2014 版），列車頂部距離軌面高度為4.8 m，接觸線距離軌面高度不小于5.15 m。根據(jù)一般滅火救援場景，火災(zāi)救援人員站在地面通過消防水柱滅火，即使水柱接觸到導(dǎo)線，但此時的水柱長度應(yīng)遠(yuǎn)大于表5中的最小安全水柱長度。因此，接觸網(wǎng)V 停單端接地可以保障地面火災(zāi)救援人員安全。

表5 噴口不接地時水柱最小安全長度 m

3.4 防護方案驗證

在淮南線撮鎮(zhèn)—橋頭集下行049#進行接觸網(wǎng)V停測試時，測得不接地時最大感應(yīng)電壓已達3 940 V，計算得到的最小水柱安全長度已經(jīng)無法保證救援人員安全，提出火災(zāi)救援時V 停接觸網(wǎng)必須接地的防護措施，為驗證防護措施的正確性和有效性，繼續(xù)在049#支柱組織測試，分為接觸網(wǎng)V 停不接地測試、橋頭集分區(qū)所上網(wǎng)點接地測試、分區(qū)所網(wǎng)點供電線接地測試，并且測試時在牽引所同步記錄鄰線饋線電壓、電流實時數(shù)據(jù)?；茨暇€撮鎮(zhèn)—橋頭集下行049#感應(yīng)電壓測試數(shù)據(jù)見表6。

分析表6可知：

表6 淮南線撮鎮(zhèn)—橋頭集下行049#感應(yīng)電壓測試數(shù)據(jù)

測試序號5 中049#支柱處進行接觸網(wǎng)V 停測試，在距測試點最遠(yuǎn)端16 km的橋頭集分區(qū)所網(wǎng)點進行單端接地，感應(yīng)電壓最大只有120 V；在牽引所供電線進行接觸網(wǎng)V停測試，距測試點最遠(yuǎn)端22 km的分區(qū)所網(wǎng)點進行單端接地時，感應(yīng)電壓也只有229 V。以現(xiàn)場接觸網(wǎng)V 停單端接地實測的最大感應(yīng)電壓229 V 為例，根據(jù)式（10） 計算得到噴口不接地時水柱最小安全長度（見表7）。

表7 噴口不接地時水柱最小安全長度 m

由表7 可知，當(dāng)消防水槍噴嘴公稱直徑為65 mm、水電阻率為3 500 Ω ?cm時，消防水柱在0.39 m 即可保證救援人員安全；而當(dāng)水電阻率下降為1 500 Ω ?cm時，消防水柱也只需達到0.92 m，遠(yuǎn)小于地面火災(zāi)救援人員的消防水柱可能接觸到接觸線的距離，因此接觸網(wǎng)V 停單端接地可以保障地面火災(zāi)救援人員安全，并且在無人值守變電站可以遠(yuǎn)程操作三工位隔離開關(guān)進行接觸網(wǎng)V 停單端接地防護，驗證了防護措施的正確性和有效性。

4 結(jié)論

首先分析接觸網(wǎng)V 形作業(yè)時感應(yīng)電壓的耦合原理，對影響感應(yīng)電壓的因素進行探討，針對列車火災(zāi)救援應(yīng)急場景建立人體分壓模型，推導(dǎo)得到人體安全電壓限值下的水柱長度計算公式。為全面獲取各種因素影響下的感應(yīng)電壓，設(shè)計接觸網(wǎng)V停、垂停、V停單端接地時的感應(yīng)電壓測試方案，選取典型線路對復(fù)線直接供電方式、普速AT 供電方式、高速全并聯(lián)AT 供電方式的接觸網(wǎng)感應(yīng)電壓進行現(xiàn)場測試，利用各種工況下測得的感應(yīng)電壓最大值，計算水柱最小安全長度，制定了火災(zāi)救援時的安全防護措施，并通過現(xiàn)場測試，驗證了防護措施的正確性。通過理論研究、現(xiàn)場測試和計算分析，提出以下安全防護措施：

（1）接觸網(wǎng)V 停時火災(zāi)救援人員存在很大的觸電風(fēng)險，必須采取接地防護措施。

（2）接觸網(wǎng)垂停時會在外部電網(wǎng)、臨近行車線路等各種因素共同作用下產(chǎn)生感應(yīng)電壓，宜采取接地措施保障火災(zāi)救援人員安全。

（3）接觸網(wǎng)V 停單端接地時，停電線路電壓大幅降低，此時通過控制水柱長度可以避免地面救援人員觸電。

（4）為確保列車火災(zāi)救援時接地防護措施的安全性，接地點離救援點越近越好，在條件允許情況下可采取接觸網(wǎng)兩端接地的防護措施。

（5）在當(dāng)下無人值守變電站這種新的變電站運行方式下，可以遠(yuǎn)程操作三工位隔離開關(guān)進行接觸網(wǎng)V停單端接地防護。