复线电气化铁路列车火灾救援安全防护措施

李正康， 周文婕， 沈睿， 顾涛， 高仕斌， 韩正庆

（1.中铁二院工程集团有限责任公司 电气化设计研究院，四川 成都 610031；2.中国人民解放军第五七〇一工厂3C车间，四川 成都 610031；3.西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031；4.中国铁路上海局集团有限公司 工电检测所，上海 200071）

0 引言

在对电气化铁路检修时，通常将复线上下行接触网同时停电进行垂直天窗作业［1］，但在应急抢修时为保证运输的时效性，复线上下行接触网只在事故侧停电，在非天窗点展开抢修，即V 形作业［2］。复线电气化区段V 形作业时，由于上下行线路间存在电磁耦合和静电耦合，在停电线路上会产生感应电，如果对感应电的耦合机理及危害认识不够，采取的安全防护措施不到位，极有可能发生感应触电事故。电气化铁路时有列车火灾发生［3］，并且列车火灾救援是容易感应触电的典型应急作业场景。列车发生火灾时，需要火灾救援人员利用消防水枪灭火，在灭火过程中，水枪水柱可能触及接触网导线，即使列车所在线路已经停电，但通电的相邻线路接触网在停电线路导线上会产生感应电压，此感应电压可能危及火灾救援人员的安全。因此，为保障列车火灾救援人员的安全、防止二次事故发生，有必要对这一情景下的感应电安全防护措施进行研究。

在对感应电安全防护的研究中，文献［4］对广州—深圳电气化铁路第三接触线上的感应电压限制措施进行研究。文献［5］对V形作业时，作业区两端加挂地线的距离进行了探讨。针对火灾救援防护，文献［6—8］分别对地铁和特长公路隧道火灾防护进行了研究。已有感应电安全防护和火灾救援的研究中，没有涉及列车火灾救援时对感应电的安全防护。

针对列车火灾救援应急作业场景，首先对感应电压耦合原理及影响因素进行理论分析，建立火灾救援时人体分压模型，推导得到人体安全电压限值下的水柱长度计算公式，进而选取典型线路对不同因素影响下复线直接供电方式、普速AT 供电方式、高速全并联AT 供电方式的接触网感应电压进行现场测试，最后利用各种工况下的感应电压最大值，计算不同消防水枪喷口当量直径下的水柱最小安全长度，制定火灾救援时的安全防护方案，并通过现场测试验证防护措施的正确性。

1 感应电压理论分析

复线电力接触网示意见图1，若线路L1两端的断路器打开，即变电所处断路器1QF 和分区所处断路器3QF 断开，此时线路L1停电、L2正常供电，即接触网V 停。因为线路L2与线路L1之间存在静电耦合和电磁耦合，会在停电线路L1两端产生感应电压，该感应电压由容性感应电压和感性感应电压两部分组成［9］。

图1 复线电力接触网示意图

1.1 容性感应电压

当复线接触网线路L1停电、线路L2正常供电时，可将复线接触网简化为2个导体，进而得到感应电压耦合模型（见图2），由基尔霍夫定律可求得线路L1上的容性感应电压U1(C)：

图2 感应电压耦合模型

式中：U2为线路L2的电压；C11为线路L1对地电容；C12为线路L1和线路L2的线间耦合电容。

式（1）变形可得：

1.2 感性感应电压

当线路L1停电时，流过线路L2的电流通过线间互感会在线路L1上产生感性感应电压U1(L)：

式中：I2为线路L2上流过的电流；Z12为线间互阻抗；L为线路L1和线路L2的并行长度。

1.3 合成感应电压

停电接触网L1上的感应电压是上述容性感应电压和感性感应电压的叠加，即合成感应电压U1：

式中：U1(C)为线路L1上的容性感应电压；U1(L)为线路L1上的感性感应电压；θ为线路L1和线路L2的互阻抗角；φ为线路L2的功率因数角。

1.4 感应电压影响因素分析

综合分析式（2）—式（4）可知：

（1）容性电压大小与带电线路电压成正比，与停电线路对地电容和线间电容的比值成反比，而电容与接触网的结构及环境条件有关，因此感应电压需要考虑接触网的结构及环境条件。

（2）感性感应电压大小与线间的互阻抗、带电线路的电流大小以及复线上下行线路并行长度成正比，因此在计算感性感应电压时需要考虑带电运行线路上列车数量及列车在接触网的位置。

（3）合成感应电压由容性感应电压和感性感应电压叠加，与容性感应电压和感性感应电压的幅值、上下行线路的参数以及正常运行线路的功率因数角有关。

（4）特殊情况下，若接触网支柱同杆架设有其他电力线或者周围有其他并行线路，则还需考虑其他带电运行导体对停电线路感应电压的影响。

综上所述，感应电压大小与线路环境条件、上下行线路并行长度、通过列车数量、列车位置等因素有关，不同线路的感应电压差别较大，若定量获取接触网感应电压大小，需要对各种供电方式接触网在不同工况下的感应电压进行测试，进行整体比较分析。

2 火灾救援人员承受电压分析

2.1 火灾救援人员人体承受电压原理

假设火灾救援人员利用消防水枪进行灭火时，若喷口不接地，水柱不慎接触到停电接触网，此时人体承受电压模型见图3。人体采用模拟电阻R2和对地电容C并联模型，人体对地电容C取值43.5 pF［10］，在工频下其容抗远远大于人体模拟电阻，在实际计算中可以忽略人体对地电容的并联分流影响，故模型简化为水柱电阻R1和人体模拟电阻R2的串联。

图3 火灾救援人体承受电压模型

假设停电接触网感应电压为U，水柱承受电压为U1，人体承受电压为U2，则有：

人体承受电压可以表示为：

由式（7）可知，假定人体模拟电阻R2和停电接触网感应电压U已知，则水柱电阻越大，人体承受电压越小，因此现场火灾救援时，可以采取措施增大水柱电阻来减小停电接触网感应电压在人体分压，最终保护火灾救援人员安全。其中，在人体安全电压限值下，通过改变水柱长度增大水柱电阻是最简单有效的防护措施。

2.2 人体安全电压限值下的水柱长度

水柱电阻和当量截面积计算公式为：

式中：ρ为水电阻率，Ω ⋅cm；L为水柱长度，cm；S1为水柱当量横截面积，cm2；D1为水枪喷口当量直径，cm。

联立式（7）—式（9）可得水柱长度：

参考相关标准，可以得到人体在工频交流27.5 kV电压环境中，耐受的交流安全电压限值为33 V［11］。在大接触面积（10 000 mm2）时，干燥条件下人体总阻抗为6 100 Ω，潮湿条件下为4 100 Ω［12］。纯水电阻率高达18.2 MΩ ⋅cm，市政用水平均电阻率3 500 Ω ⋅cm，不小于1 500 Ω ⋅cm［13］。消防水枪接口公称直径和当量喷口直径参考消防水枪喷嘴直径标准［14］。因此只要通过现场测试得到各种工况下的感应电压最大值，计算在人体安全电压限值约束、不同消防水枪喷口当量直径下的水柱长度即可得到相应的安全防护措施。

3 列车火灾救援安全防护措施

复线电气化铁路接触网检修作业时，根据邻线接触网是否带电以及停电接触网不同接地状态可以分为接触网V 停、接触网垂停、接触网V 停单端接地工况，为全面获取各种因素影响下的感应电压，选取典型线路对直接供电方式、普速AT 供电方式、高速全并联AT 供电方式的接触网在不同工况下的感应电压进行现场测试，利用各种工况下测得的感应电压最大值，计算水柱最小安全长度，制定火灾救援时的安全防护措施。

3.1 接触网V停感应电压测试

在普速或准高速铁路复线接触网检修中，接触网检修部门大多采用V 形作业对接触网检修［15］，选取普速AT 线路、高铁全并联AT 线路，在宁西线长安集—梓树庄、合肥枢纽、沪蓉线长安集—合肥南、淮南线撮镇—桥头集以及合福线长临河—无为组织现场测试，接触网V停感应电压测试数据见表1。

表1 接触网V停感应电压测试数据

分析表1可以得出：

（1）接触网V 停时停电线路感应电压与上下行接触网结构参数有关。

（2）接触网V 停时感应电压最大已测到3 940 V，根据式（10）计算得到火灾救援时人体安全电压限值下的水柱最小安全长度，接触网V 停喷口不接地时水柱最小安全长度见表2。

表2 接触网V停喷口不接地时水柱最小安全长度 m

由表2 可得出接触网V 停时停电线路感应电压较高，列车发生火灾时不采取防护措施直接进行救援会危及火灾救援人员生命安全。以现场实测接触网V 停时的感应电压3 940 V 为例，当消防水枪喷嘴公称直径为65 mm、水电阻率为3 500 Ω ⋅cm 时，消防水柱要在7.84 m 以上才能保证火灾救援人员安全；而当水电阻率下降为1 500 Ω ⋅cm 时，消防水柱需达18.30 m 以上，远大于铁路接触线标称高度5.3 m。

综上所述，接触网V 停时感应电压很高，仅靠加大消防水柱长度无法保证火灾救援人员安全，火灾救援时必须采取电气防护措施。

3.2 接触网垂停感应电压测试

在接触网V停测试中，感应电压最大已达到3 940 V，严重威胁火灾救援人员的生命安全，因此在接触网V停测试的基础上，继续设计接触网垂停、接触网垂停与电网并行区段的感应电压测试方案，在宁安线池州—安庆、合福线长临河—巢湖东—无为、京九线阜北—伍明—王寨组织现场测试，接触网垂停感应电压测试数据见表3。

分析表3可以得出：

（1）停电线路应考虑外部电网引起的感应电压，感应电压最高已达132 V。外部电网耦合产生的感应电压受外部电网电压等级、外部电网与接触线的空间距离以及并行长度的综合影响，外部电网电压越高、与接触网距离越近、并行长度越长，引起的接触网感应电压越高。因此，外部电网引起的感应电压可能远大于132 V。

（2）停电线路应考虑其他股道行车的影响。表3测试序号8 中，测试地点为站场，受其他股道行车的影响，感应电压最大达351 V。

表3 接触网垂停感应电压测试数据

综上所述，接触网垂停会在外部电网、临近行车线路等各种因素共同作用下产生感应电压。虽然现场实测该电压值较小，但不排除极端条件下会存在较大的感应电压，因此，列车发生火灾时不采取接地措施会危及火灾救援人员生命安全。

3.3 接触网V停单端接地感应电压测试

在接触网垂停测试中，得出停电接触网仍会受周围电网影响，并且在站场附近还受其他股道行车的影响。在列车火灾救援时，线路实行垂停存在困难，这对火灾救援人员的生命安全产生极大威胁，亟待研究V停单端接地措施以降低感应电压，因此在接触网V 停感应电压测试和接触网垂停感应电压测试的基础上，继续设计接触网V 停单端接地感应电压测试方案，在宁西线长安集—梓树庄、合肥枢纽、沪蓉线长安集—合肥南、淮南线撮镇—桥头集及京九线阜北—伍明—王寨组织现场测试，接触网V 停单端接地感应电压测试数据见表4。

分析表4可以得出：

（1）停电线路感应电压与运行线路上列车负荷有关。

（2）感应电压较不接地大幅降低。表1 中接触网V停不接地时，电压最大可达3 940 V，表4中接触网V停单端接地时，电压最大只有501 V，电压降低幅度明显。

表4 接触网V停单端接地感应电压测试数据

（3）若只有邻线接触网的耦合作用，则距离接地点越远感应电压越大，即使接地点离测试点距离较远，感应电压仍较不接地大幅降低，为确保列车火灾救援防护措施的安全性，接地点离救援点越近越好，在条件允许情况下可采取接触网两端接地的防护措施。

（4）接触网V停单端接地感应电压最大可达到501 V，根据式（10）计算得到喷口不接地时水柱最小安全长度，喷口不接地时水柱最小安全长度见表5。

综上所述，在接触网V 停单端接地时，停电线路感应电压比不接地大幅降低，此时通过较长的水柱可以保障救援人员安全。根据《铁路技术管理规程》（2014 版），列车顶部距离轨面高度为4.8 m，接触线距离轨面高度不小于5.15 m。根据一般灭火救援场景，火灾救援人员站在地面通过消防水柱灭火，即使水柱接触到导线，但此时的水柱长度应远大于表5中的最小安全水柱长度。因此，接触网V 停单端接地可以保障地面火灾救援人员安全。

表5 喷口不接地时水柱最小安全长度 m

3.4 防护方案验证

在淮南线撮镇—桥头集下行049#进行接触网V停测试时，测得不接地时最大感应电压已达3 940 V，计算得到的最小水柱安全长度已经无法保证救援人员安全，提出火灾救援时V 停接触网必须接地的防护措施，为验证防护措施的正确性和有效性，继续在049#支柱组织测试，分为接触网V 停不接地测试、桥头集分区所上网点接地测试、分区所网点供电线接地测试，并且测试时在牵引所同步记录邻线馈线电压、电流实时数据。淮南线撮镇—桥头集下行049#感应电压测试数据见表6。

分析表6可知：

表6 淮南线撮镇—桥头集下行049#感应电压测试数据

测试序号5 中049#支柱处进行接触网V 停测试，在距测试点最远端16 km的桥头集分区所网点进行单端接地，感应电压最大只有120 V；在牵引所供电线进行接触网V停测试，距测试点最远端22 km的分区所网点进行单端接地时，感应电压也只有229 V。以现场接触网V 停单端接地实测的最大感应电压229 V 为例，根据式（10） 计算得到喷口不接地时水柱最小安全长度（见表7）。

表7 喷口不接地时水柱最小安全长度 m

由表7 可知，当消防水枪喷嘴公称直径为65 mm、水电阻率为3 500 Ω ⋅cm时，消防水柱在0.39 m 即可保证救援人员安全；而当水电阻率下降为1 500 Ω ⋅cm时，消防水柱也只需达到0.92 m，远小于地面火灾救援人员的消防水柱可能接触到接触线的距离，因此接触网V 停单端接地可以保障地面火灾救援人员安全，并且在无人值守变电站可以远程操作三工位隔离开关进行接触网V 停单端接地防护，验证了防护措施的正确性和有效性。

4 结论

首先分析接触网V 形作业时感应电压的耦合原理，对影响感应电压的因素进行探讨，针对列车火灾救援应急场景建立人体分压模型，推导得到人体安全电压限值下的水柱长度计算公式。为全面获取各种因素影响下的感应电压，设计接触网V停、垂停、V停单端接地时的感应电压测试方案，选取典型线路对复线直接供电方式、普速AT 供电方式、高速全并联AT 供电方式的接触网感应电压进行现场测试，利用各种工况下测得的感应电压最大值，计算水柱最小安全长度，制定了火灾救援时的安全防护措施，并通过现场测试，验证了防护措施的正确性。通过理论研究、现场测试和计算分析，提出以下安全防护措施：

（1）接触网V 停时火灾救援人员存在很大的触电风险，必须采取接地防护措施。

（2）接触网垂停时会在外部电网、临近行车线路等各种因素共同作用下产生感应电压，宜采取接地措施保障火灾救援人员安全。

（3）接触网V 停单端接地时，停电线路电压大幅降低，此时通过控制水柱长度可以避免地面救援人员触电。

（4）为确保列车火灾救援时接地防护措施的安全性，接地点离救援点越近越好，在条件允许情况下可采取接触网两端接地的防护措施。

（5）在当下无人值守变电站这种新的变电站运行方式下，可以远程操作三工位隔离开关进行接触网V停单端接地防护。