基于軌跡交叉理論的電力設施保護策略和措施

孫廣通

(廣東電網有限責任公司廣州供電局，廣東 廣州 510620)

0 引言

在正常運行狀態下，電力架空線路通過輸電桿塔實現升高、支撐、固定等作用，保持帶電導線垂直對地、水平對物有足夠安全徑向間距；電纜線路通過各類絕緣層實現絕緣，保持帶電導線對外有足夠安全絕緣強度。

當吊車、塔吊等大型起重機械金屬部件突破電力架空線路安全間距，挖掘機、盾構機等掘地設備破壞電纜線路絕緣層時，帶電導線瞬間失去傳輸和分配電能的作用，沿外力介入放電途徑發生短路，即電力設施外力破壞。當電力管線發生外力破壞時，會干擾電網正常運行方式和潮流趨勢，危及電網穩定和電力供應，損傷或損毀輸電線路設施，電擊或電傷周邊人員，引發物體碰撞、人員受困、交通癱瘓、火災失控等二次事故。因此，電力設施運維單位和相關責任主體應采取措施防范電力設施外力破壞事件的發生。下面從軌跡交叉理論分析電力設施外力破壞產生機理，探討電力設施保護策略，提出針對性技術防范措施。

1 軌跡交叉理論

軌跡交叉理論由約翰遜(W．g．ionson)和斯奇巴(Skiba)等安全工程學專家提出，是一種從事故的直接原因和間接原因出發研究事故致因的理論。

1.1 理論觀點

在事故致因諸多理論當中，軌跡交叉理論強調人系統和物系統在事故致因層面占有同等地位[1]。人的不安全行為和物的不安全狀態均可能會導致事故的發生，人系統和物系統在時間和空間的風險軌跡交叉點就是事故發生的時空載體。軌跡交叉理論事故模型如圖1所示。

圖1 軌跡交叉理論事故模型

通過落實事前安全措施，干預人系統和物系統在風險運動軌跡的動態相交，就可避免風險、隱患向事件、事故方向發展。

1.2 釋放能量時間累積

根據能量意外釋放理論，設fi(t)為某一事件過程中可能釋放的一系列意外能量(i=1，2，3，…，n)，E為在某一段時間上的累積，E0為事故發生時所需能量的臨界值，t1為事件起始時間，t2為事件終止時間。則有：

當E≥E0時，釋放能量在時間上的累積達到臨界值，即可造成事故事件[2]。

1.3 軌跡交叉時空累積

根據能量意外釋放理論和軌跡交叉理論，設t代表時間的量，v代表空間的量，gi(t，v)為人的不安全行為導致能量在時間與空間上的意外釋放，hi(t，v)為物的不安全狀態導致能量在時間與空間上的意外釋放，fi(gi(t，v)，hi(t，v))為人的不安全行為與物的不安全狀態在時間與空間上交叉導致的能量意外釋放，其中i=1，2，3，…，n。G為事件在時間與空間上能量的累積。則有：

當G≥E0時，釋放能量在時間上和空間上的累積達到臨界值，即可造成事件或事故[2]。

2 模型分析

電力架空線路和電纜線路穿越地上或地下的自然公共空間，同住建、交通、水務、市政等行業施工項目在時空軌跡分布上存在鄰近、重疊、穿越或交叉等時空關聯，為兩種獨立業態發生軌跡交叉創建地緣時空分布關系。

2.1 還原場景

設某工地分布輸電塔線、配電桿線和電纜線路等電力管線，電壓等級包括10 kV，110 kV，220 kV和500 kV，施工單元包括塔吊、起重機械、挖掘機械和頂管機械等大型工程機械。

常見電力設施保護區固定工地危險源場景[3]如圖2所示。

圖2 電力設施保護區典型施工場地危險源現場還原

對于地面架設的電力線路，外力破壞風險點主要來源于空中水平方向的塔吊、垂直方向的吊車等大型工程機械超越安全極限距離，引發物理時空軌跡交叉或次生傾倒隱患。對于地下敷設的電纜線路，外力破壞風險點主要來源于地面開挖、鉆探，地下頂管、盾構等動土作業引發物理時空軌跡交叉或次生懸空隱患。

2.2 建立模型

在電力設施保護區及其周邊分布的各類施工場地內，電力線路導電部分承載電能，桿塔、管溝等支持或附屬設施承載勢能，形成施工作業面內物的不安全狀態[4]；起重機械、挖掘機械、頂管機械等作業活動軌跡點，形成作業面內人的不安全行為。電力設施保護區內生產作業或活動軌跡同上述能量載體發生電氣連接或物理連接引發能量釋放累積量超過臨界值E0，導致發生電力設施因施工外力破壞發生的電氣事故或機械事故。電力設施保護區施工場地常見物的不安全狀態和人的不安全行為如表1所示。

表1 常見物的不安全狀態和人的不安全行為統計

2.3 危險區域

引發模型內電能和勢能軌跡交叉時空能量釋放量G≥E0的因素較多，主要取決于兩種業態能量軌跡時空距離是否接近或突破極限距離d0，還包括交叉點及其周邊的風向、風速、溫度、濕度等因素。為正確區分外力破壞發生的可能性和嚴重性，必須正確劃分時空交叉狀態危險區域的大小和級別。

針對目前國內建筑施工來看，中小企業占據了很大比重。對于這些企業而言，施工管理人員組成相對國營企業和大企業來說，缺乏合理性及科學性，管理人員的專業素養以及水平參差不齊，給施工管理帶來了很多不利的影響[3]。另外，這些企業往往沒有配備相應的崗位職責人員，導致管理過程中極易出現漏洞，要么多人重復管理一項職務，要么無人管，很容易出現一個人身兼多職的現象。一旦出現問題，很容易出現逃避責任的問題。

根據電能發生放電觸電短路和勢能發生機械能量釋放的電壓等級或敷設位置，結合《電力設施保護條例》和《電業安全工作規程》等法律法規和標準技術文獻規定，將外力破壞危險區域設置劃分為事故區(0區)、隱患區(1區)和風險區(2區)[5]等三個區。

2．3．1 事故區(0區)

指電力設施正常運行時，外部擾動單元達到特定時空距離d0內，極易引發G≥E0，引發外力破壞事故發生。

2．3．2 隱患區(1區)

指電力設施正常運行時，外部擾動單元達到特定時空距離d1內，較易引發G≥E0，導致外力破壞事故發生。

2．3．3 風險區(2區)

指電力設施正常運行時，外部擾動單元達到特定時空距離d2內，可能引發G≥E0，導致外力破壞事故發生。

表2 危險區域等級劃分

輸電架空線路、電纜線路和桿塔拉線等物的不安全狀態，危險區域劃分界限如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 輸電架空線路現場危險區域劃分

圖4 電纜線路現場危險區域劃分

圖5 桿塔線路現場危險區域劃分

3 策略探討

通過消除電力設施載電靜態危險軌跡分布化解物的不安全狀態，通過約束作業單元活動軌跡發展空間管控人的不安全行為，控制兩類危險源活動軌跡的發展交叉，實現事前管控。主要包括直接安全技術措施、間接安全技術措施、提示性安全技術措施和補充安全措施。

3.1 直接安全技術措施

通過施工前期勘測、設計等環節完成電力設施本體遷移，在主體工程施工前消除或減小電能載體和勢能載體等物的不安全狀態，從本質安全層面上隔絕人的不安全行為等軌跡時空交叉能量釋放。

3.2 間接安全技術措施

3．2．1 防護措施

(1) 屏護。對于地面電力架空線路，屏護是采用遮欄、柵欄等組成限位繩、限高架、防撞墩等防護裝置進行保護。對于地下電纜線路，屏護是采用護罩、護蓋等組成隔離檔板等防護裝置進行保護。屏護能將電能載體或勢能載體等物的不安全狀態同外界人的不安全行為隔絕，能防止人的無意識、有意識觸及或過分接近物的能量載體，隔離軌跡發展到事故區(0區)交叉點。通常設置在風險區(2區)。

(2) 絕緣。對于10 kV及以下的配電架空裸導線，絕緣是將裸導線更換成絕緣導體，或在風險桿段解口為裸導線增加絕緣護套，將事故區(0區)范圍縮小至絕緣護套導電導體本體。

3．2．2 保護措施

(1) 限位設置。對于地面電力架空線路，通過設置吊車限高裝置、塔吊水平限位裝置限制機械部位穿越隱患區(1區)進入事故區(0區)。通常結合屏護措施使用。

（2）光電聯鎖。通過對吊車、吊塔等大型活動工程機械設置有源光電探測裝置，用于探測機械部位進入隱患區(1區)和事故區(0區)時發出機械停止聯鎖信號，搭配發出光電提醒信號。通常結合屏護措施使用。

3.3 提示性安全技術措施

如果以上兩步技術措施不能實現或不能完全實現時，應使用安全提示信息明確警告剩余風險，對風險區(2區)及其周邊人的不安全行為進行提醒。通常結合安全色、安全標志進行現場應用。提示性安全技術措施不能夠代替直接或間接安全措施。

3.4 補充安全措施

制定應急預案，指明受困人員脫險的安全要點，人員觸電或機械傷害后的急救措施，發生火災等次生災害的消防措施。

4 措施應用

4.1 排查電力設施現場分布

對于開放式分布的架空電力線路，排查電能載體導線和勢能載體桿塔的地理分布。對于隱蔽式分布的埋地電纜線路，根據管線備案坐標、路面設備標樁、第三方物探和試掘等方式確定電纜埋深、走向等基礎信息。將上述危險區域劃分為事故區(0區)、隱患區(1區)和風險區(2區)充分排查。

4.2 提出針對性綜合管控策略

根據現場電力設施分布和危險區域劃分結論，結合施工場地出現的各種起吊、鉆探、打樁等活動軌跡分布情況，排查出軌跡交叉重疊、交叉和臨近狀態；結合現場擬定可行的直接、間接和提示性安全技術措施及補充保護措施，實現物的不安全狀態和人的不安全行為的時空隔絕。

4.3 落實現場安全措

制定電力設施保護方案。內容包括：遷改電力設備等直接性安全技術措施；設置限位繩、限高架、防撞墩等防護措施，必要時配備大型工程機械限位裝置和光電聯鎖裝置，屏護全部事故區(0區)和隱患區(1區)，全面落實間接性安全技術措施；擺放或張貼由安全色和安全標識結合形成的安全標示，提醒剩余安全風險；擬定應急搶險預案。

5 結束語

當電力設施發生外力破壞事件時，對電能或勢能等致害物和外力擾動單元等受害人均造成不可逆轉的損害，直接危及人、電網、設備等的安全，因此需要將防范措施落實在物的不安全狀態和人的不安全行為發生軌跡交叉之前，避免事故發生。