接觸網感應電壓與穿越電流的分析與防護

施 麒 上海鐵路局調度所

在普速復線和高速（客專）電氣化鐵路接觸網檢修、搶修中，為了減少對運輸能力的影響，供電部門一般都利用V形天窗進行作業，即一線停電而鄰線正常供電。在這種供電模式下，鄰線會對停電線路產生感應電壓，鄰線的回流電流也仍然會流過停電線路的回流系統。

感應電壓與穿越電流在V形天窗作業中對作業人員的安全都會產生很大威脅，特點又各有不同。對感應電壓和穿越電流的防護，規章有不同的規定，但現場檢修中存在互相混淆的情況，其主要原因是對感應電壓及穿越電流的成因及危害認識不清。

1 感應電壓與穿越電流的產生

1.1 感應電壓

鄰線帶電接觸網作用于停電線路上的感應電分為兩種。一種是由于線路與大地、空氣之間存在耦合電容，從而產生的靜電感應電壓。另一種是帶電線路在周圍產生的交變磁場，通過電磁感應作用在停電線路上產生的感應電動勢。兩種感應電的疊加形成V形天窗區段停電線路上的感應電壓。

1.1.1 靜電感應電壓的計算

如圖1，導線1為帶電接觸網導線，導線2為停電接觸網導線，導線1′為導線1以大地為平面的鏡像，由此可得:

上二式中，d為兩條接觸網導線間水平距離，b為接觸網對地垂直高度。R為接觸網導線等效半徑，τ為接觸線上單位長度的電荷，ε為介質的介電常數。

圖1 靜電感應電壓示意圖

由于環境因素，還需乘以一個屏蔽系數。由于式（1）計算的是單位長度的電壓，還應乘以并行長度l，才能得到并行長度電壓。

1.1.2 電磁感應電壓的計算（帶回流線）

目前在我局普速鐵路中，基本都采用直供加回流的供電方式，停電接觸線感應電動勢為

式（2）中，為電流的頻率，M為上下行接觸線間互感系數，l為上下行接觸線平行長度，I為帶電接觸線上流過的電流。λgh為回流線和鐵軌共同作用下的屏蔽系數，一般取λgh=0.53。

1.1.3 實際接觸網V形天窗感應電壓

在實際V形天窗作業中，測得如表1所示在不同條件下的接觸網感應電壓的值。可以看出在無接地情況下，實際接觸網感應電壓高達3000 V以上，在兩端接地后，接地線之間的感應電壓顯著下降。

表1 現場實測不同條件下的感應電壓

1.2 穿越電流

在電氣化鐵路中，牽引電流從牽引變電所經過接觸網流入電力機車，再從電力機車經過鋼軌、大地、回流線回到牽引變電所。從電力機車流回牽引變電所的電流稱為牽引回流。如圖2所示。

圖2 接觸網牽引回流示意圖

在V形天窗作業時，鄰線不停電線路仍然有電力機車取流，回流系統中就會有牽引回流出現，停電線路與不停電線路的接觸網利用絕緣裝置可以隔開，但由于上、下行鋼軌通過車站渡線及道岔、扼流變壓器以及大地互相連通，所以牽引電流通過鋼軌回流時，上、下行鋼軌均有牽引回流經過。

當停電線路的接觸網作業裝設接地線（通常是要和鋼軌相聯）時，作業區兩端的接地線將鋼軌與接觸網并聯，于是接觸網成為回流系統的一條支路，接觸網上產生分流，現場將其叫做穿越電流。

2 感應電壓與穿越電流的特點與危害

2.1 感應電壓的特點

從對感應電壓的計算分析可以知道，由于接觸線水平間距和垂直高度是一定的，靜電感應電壓的大小與帶電接觸線電壓大小、天氣環境因素造成的靜電屏蔽系數有關。而電磁感應電壓的大小與天氣環境、導線上流過的電流、接觸網并行長度有密切關系。

2.2 穿越電流的特點

影響穿越電流的因素比較復雜，其存在與回流系統中導流設備的裝設位置和連接狀態以及檢修時接地線的裝設設置有關，其大小與回流系統的電氣參數、電力機車的取流大小和運行位置有關。圖3為典型的穿越電流傷人示意圖。

圖3 穿越電流造成人身傷害示意圖

2.3 危害

感應電壓的實際大小如表1，在不裝設接地線的情況下可以達到3 kV以上的高電壓。在帶電的鄰線接觸網有電力機車運行時，感應電壓的數值會更大，在發生金屬性接地短路的情況下，感應電壓則會瞬間急劇升高。

在進行V形天窗檢修時，采取裝設接地線等防護措施后，盡管鋼軌、回流線、接觸線中有穿越電流經過，由于鋼軌和回流線通過吸上線連通、作業區端兩端接觸線和鋼軌通過接地線可靠連接，所以正常情況下穿越電流都是從鋼軌、回流線、接觸網流過，不會對作業人員造成危害，但是，一旦有其它因素造成這些主導電回路開路，穿越電流就會從正在斷開點位置作業的人員身體流過（如圖3所示）。

穿越電流通過作業人員身體所分流的電流值與帶電鄰線的牽引回流大小、回流系統的電氣參數以及人員自身和所持機具的阻抗等因素有關，且數值與鋼軌、回流線中的牽引回流相比，所占比例非常小。但是，人體所能承受的電流值一般不超過15 mA，否則即有生命危險。

所以，不論是感應電壓還是穿越電流，對于現場作業人員的安全都是嚴重的威脅。

3 感應電壓與穿越電流的防護措施

感應電壓和穿越電流都是在V形天窗接觸網停電后，在停電接觸網和設備中存在的安全隱患。所不同的是，感應電壓存在的形式單一，而穿越電流就比較復雜。

3.1 感應電壓的防護

靜電感應電壓雖然電壓數值比較高，但由于是通過空氣介質感應而來，通常能量有限，采取接地措施就可消除。電磁感應電壓通過接地后，電壓有效值即趨于零。所以，對于感應電壓的最有效的手段是可靠接地。

從對感應電壓的計算公式可以知道，感應電壓與并行接觸線的長度密切相關，其電壓大小與接觸線并行長度成正比。因此，為了確保安全，必須在作業區段的兩端分別裝設可靠地接地線，從而將接觸線的有效并行長度盡可能減少到最小，僅一端接地并不能對感應電壓進行防護，還可能同時被穿越電流擊傷，如圖3中b圖所示。在作業范圍較大的情況下，隨車地線是比較重要的防護措施，《接觸網檢規》中也有如作業范圍超過1000 m需增設接地線的規定。

在任何情況下，作業區兩端掛有可靠連接的接地線是確保防止感應電壓傷害的絕對有效手段，但更應當考慮在檢修過程中的設備狀態變化后是否仍然滿足兩端接地的條件，這需要作業前進行充分的安全預想。

3.2 穿越電流的防護

穿越電流具有隱蔽性、路徑和大小很難確定，對人的傷害具有較大偶然性，因而容易被忽視。目前現場作業人員對于感應電壓有很高的重視程度，往往對于穿越電流的認識較為薄弱，甚至將對于感應電壓的防護和對于穿越電流的防護互相混淆，這是非常危險的。2011年8月鐵道部就通報了某局發生一起拆除負荷隔離開關引線作業，由穿越電流造成作業人員觸電死亡的惡性事故。

穿越電流其實就是牽引回流的某一條支路，所以對于穿越電流的防護關鍵點在于保證回流系統中主導電回路的完整與暢通，在檢修作業過程中禁止人為地在導電回路上制造新的斷開點，或者用身體機具將已斷開點導通。采取旁路措施（如設置短接線連接）是針對穿越電流進行防護的有效手段。在檢修特殊設備特殊點時，如隔離開關、分段絕緣器、電分段錨段關節、吸上線、扼流變相關設備等，必須先采取旁路措施，將可能在檢修中產生斷開點的兩端短接。在進行斷線接續、絕緣子檢修，和將導線連接后會造成新回流支路的作業時，必須先用短接線連接，使可能會產生斷開點的設備等電位，以此進行穿越電流的防護。

3.3 主要防護措施和注意事項

（1）裝設接地線只能消除感應電壓，并不能防護穿越電流，穿越電流必須要用短接線來進行防護。

（2）在需要同時設置接地線和短接線防護的作業，必須先在作業地點兩端裝設接地線，并在有可能產生感應電的中性區段加裝接地線，再用短接線將端口短接；作業結束，先拆除短接線，再拆除中性區段接地線，最后拆除兩端接地線。

（3）在電分段、軟橫跨等處作業，中性區及一旦斷開開關有可能成為中性區的停電設備上均應接地線。

（4）在檢修隔離開關（特別是常閉的隔離開關）時，必須在隔離開關閉合狀態下裝設短接線。

（5）除非作業結束，中途不得改變接地線和短接線的狀態位置。

（6）短接線必須使用不小于25的銅質導線。

4 結束語

鐵路電氣化快速發展至今，在積累生產運營管理經驗的過程中，不乏血的教訓，并以此換來了如今嚴謹的規章守則。對于感應電壓和穿越電流的防護，思想上的重視是第一位的，要嚴格按照規章規定采取安全措施，切不可心存僥幸而忽視規章。

在目前客運專線AT供電的運行模式下，一般禁止利用V形天窗進行作業，然而在不得不利用V形天窗進行搶修作業時，其供電回路較之普速鐵路更為復雜，這就需要作業人員有更為扎實的業務理論知識和更強烈的現場安全意識，從而確保現場作業的安全。