电气化铁路感应电的危害与预防

电气化铁路
感应电的危害与预防
目录
第一章感应电的产生原理
第一节概述…………………………………………第二节静电感应的产生……………………………第三节电磁感应的产生……………………………第二章接触网线路对附近电线路的影响
第一节接触网线路对其附近通信线路的影响……第二节接触网线路对其附近电线路的影响及危害第三节感应电对附近不同电线路电磁影响的区别第四节感应电的危害特点及与高压触电的区别第三章消除感应电的方法
第一节 V形天窗接触网检修作业消除感应电方法第二节电力线路检修作业时消除感应电的方法第三节电力机车车顶作业时消除感应电的方法第四节接地线的作用及设臵规定
附录………………………………………………………主要参考文献…………………………………………
第一章感应电的产生原理
第一节概述
一、电能在人类社会活动中的应用
电能是自然界中蕴藏的一种可用不可见的高效资源。

自从被科学家发现它的利用价值以来，飞速的推动了社会生产力的进步、科学技术的发展，大大提高了人类的生活质量。

当今社会，各行各业都在广泛的使用电能，人们的生活也离不开电能。

没有电，社会生产活动就要停滞不前，人们的正常生活秩序也会发生混乱。

电能在给人们的生产生活带来诸多方便的同时，如果在使用中违反正确的操作方法，不按规定的安全操作规程操作，就会发生用电设施不能正常工作、损坏甚至危害操作人员的人身安全。

感应电是一种比较特殊的电能，在社会生产和生活的一些领域有着广泛的利用，但在一些领域中，必须预防和消除它的存在，如果不及时消除，就会对设备及人身安全造成危害，必须引起高度重视。

在电力行业（包括铁路牵引供电系统）的检修作业中，停电检修设施中产生的感应电对作业人员来说，是一种严重威胁作业安全的隐患。

如果作业中操作不当或违反安全工作规程中规定的安全措施、或不按规定的要求设臵安全措施，就会发生设备损坏乃至人身伤害事故。

感应电到底是什么东西？有什么危害？如何预防感应电的危害呢？
下面，我们一同走进感应电的世界，了解感应电的产生原理，掌握感应电产生的规律，以达到预防感应电损坏设备、威胁或伤害作业人员安全的目的。

二、感应电的分类及产生原理
通常，在物体上直接施加电压或电位后，物体上就会带电。

如果没有给物体直接施加电压或电位，仅在其周围有带电的物体，但该物体上也能带电的现象，我们称之为物体被感应，产生了感应电。

物体上产生的感应电按其产生原理不同，一般分为静电感应和电磁感应两类。

第二节静电感应的产生
一、静电感应的产生原理
物质是由分子组成的，分
子是由原子组成的，原子是由
原子核和其外围电子组成的。

如图1所示，两种物质紧密接
触后再分离时，一种物质把电
子传给另一种物质而带正电，
另一种物质得到电子而带负
电，这种现象就叫做静电感
应。

一般认为，两种接触的物
质相距小于25×10-8 cm时，
即会发生电子转移，产生静电。

两种物质摩擦时，增加两种物质达到25×10-8 cm以下距离的接触面积，并且不断的接触与分离，也可产生较多的静电。

两种物质接触后再分离或相互摩擦能够产生静电。

处于强电场中的两
种物质，在电场力
的作用下，正电荷
将按电场方向移
动，负电荷将逆电
场方向移动，当电
荷的移动达到平衡
状态后，如图2所
示，正、负电荷在
两种物质的表面上就会大量累积形成静电，即产生静电感应。

如图3所示，与流电相比，静电是相对静止的电荷。

这种电荷在两种
物质紧密接触的
瞬间，正负电荷
要产生相互吸
引。

这种电荷相
互吸引，就形成
了静电电荷的流
动，即产生静电
感应电流。

静电
感应电流的出现，会使两种物质间产生的静电电荷消失，静电就会消除。

与此相似，在强电场中产生的静电荷，如果能在两种电荷间形成一条相互接触的通路，则静电电荷也会流动，即产生静电感应电流。

同样，静电感应电流的出现，将使产生的静电电荷消失，静电就会
减弱或消除。

静电感应现象是一种常见的带电现象，如雷电、电容器残留电荷、摩擦带电、复印资料时纸张带电等都属于静电感应带电。

静电感应利用的好，能够为我们的生产生活带来好处，如电喷漆、静电除尘、静电植绒、静电复印等。

但在一些工作场所，必须采取措施，加以预防，如油品装运场所、易燃易爆场所、强电场环境下的检修作业场所等。

二、处于强电场下电线路中的静电感应
当带电线路（或带电接触网线）有交变电压时,其周围空间有电场存在,这时空间各点具有一定的电位,使位于这个电场中的中性导体出现带电现象。

如图4所
示，一段对地绝缘的电线路（即Z为∞）位于该电场中，在电场的作用下，导体中的自由电子就要作有规则的移
动，引起电荷的重新分布，使该导体呈现带电状态，即产生静电感应。

此时，带电线路与停电线路之间存在容性耦合电流I LA ，停电线路与大地间存在容性耦合分布性电流I A 。

停电线路上的静电感应电压为：
假设受静电影响的停电线路通过某一阻抗Z （例如人体）接地（如图4中阻抗Z ），则静电容性耦合电流I LA 将按电容C A 的容抗和阻抗Z 并联来分配，流经电容C A （或阻抗Z ）的电流，由下列因素决定：当停电线路对地绝缘时，电流I A 决定于电压U J 、电容C LA 及C A 的电抗值；当接地阻抗Z 比电容C A 的容抗小得多时，电流I A 则决定于电压U 、电容C A 的电抗值及阻抗Z 值。

这时，停电线路上的剩余电压近似等于电流I A 与阻抗Z 值的乘积。

通过对上述公式的分析推导，可得出下列静电感应电压、电流计算公式分别为:
A
LA LA j 。

C C C U U +∙=)(222v U c b a bc
K U j ∙++∙=)(102lg 4.413mA U r c l I p A -⨯=ω
式中:
U－静电感应电压；
K－感应系数，一般为0.4；
a－带电线路与停电线路间的平行距离；
b－带电线路距地面高度；
c－停电线路距地面高度；
U j－带电线路对地电压；
l－带电线路与停电线路间的平行接近长度；
p
ω－交流电角频率，一般为314；
r－停电线路导线半径。

因此可知，带电线路对附近停电线路的静电感应影响的具有以下特点：
1．停电线路上产生的静电感应电压的大小，与接近距离a的平方成反比；
2．静电电流的大小与接近段停电线路的长度成正比。

当人体碰触与带电线路接近段间距大于100m、平行长度较短（例如1～2km）的停电线路时，流经人体的静电感应电流值不大，可以不考虑对人体的影响。

对于与带电线路接近段较长（例如在数十公里）和接近距离较小（小于20m）的停电线路时，则停电线路上的静电感应电压将会较高，当人体碰触上述停电线路时，就有可能因流过人体的静电感应电流过大而出现危及人身安全的事故。

但当停电线路有保护接地线时，人为的在正、负静电电荷间形成了一条静电电流通路，保护接地线电阻与停电线路对地电阻Z并联连接于停电线路与大地之间。

由于保护接地线电阻近似为0。

因此，
停电线路与大地间的等效总电阻也为0，即静电感应电压约等于0。

此时，不论人体是有意识还是意外接触到停电线路，都不会存在停电线路对人体的静电感应威胁。

第三节电磁感应的产生
磁体材料和载流导体周围存在着一种叫做磁场的特殊物质。

1831年法拉第发现：处于磁场中的直导体发生运动或通过线圈的磁场发生变化时，在导体或线圈中都会产生电动势；若导体或线圈是一个闭合回路的一部分，则导体或线圈中将产生电流。

从本质上说，上述两种现象都是由于磁场发生变化而引起的。

我们把变化磁场在导体中引起电动势的现象称为电磁感应，也称“动磁生电”，由电磁感应引起的电动势叫做感应电动势；由感应电动势引起的电流叫感应电流。

一、电磁感应原理
1．直导体在磁场中运动产
生的感生电动势
如图5所示，当导体与磁
力线之间有相对切割运动时，
这个导体中就会产生出电动
势，若导体是一个闭合回路，
回路中就有感应电流。

导体停
止切割磁力线的运动，产生的
电动势就消失了。

研究表明：直导体中产生的感应电动势的方向、大小具有下列规律：
（1）感应电动势不但与导体在磁场中的运动方向有关，而且还与导体的运动速度有关。

（2）直导体中产生的感应电动势方向可用右手定则来判断：平伸右手，拇指与其余四指垂直，让掌心正对磁场N极，以拇指指向表示导体的运动方向，则其余四指的指向就是感应电动势的方向。

（3）直导体中感应电动势的大小为：
α
e=
Bvl
sin
式中：e---直导体中产生的感应电动势；
B---穿过直导体的磁场的磁通密度；
v---直导体切割磁场的运动速度；
l---直导体在磁场中的长度；
α—直导体与磁力线间的夹角。

2．变化的磁场穿过闭合线圈产生的感生电动势
如图6所示，将磁铁插入或拔出线圈时，线圈中磁场的磁通就会变化，线圈两端中就有电动势产生，若回路闭合，回路也会有电流
流动；磁铁不动时，电动
势就消失了。

这种磁变生电的现象
就是电磁感应现象。

由电
磁感应现象所产生的电动
势就是感应电动势，由感
应电动势所产生的电流就
是感应电流。

3．椤次定律和感应电势、电流方向的判断
椤次在研究电磁感应现象的过程中，通过大量实验得出以下两个结论：
第一，导体中产生感应电动势和感应电流的条件是：导体相对于磁场作切割磁力线运动或线圈中的磁通发生变化时，导体或线圈中就产生感应电动势；若导体或线圈是闭合电路的一部分，就会产生感应电流。

第二，感应电流产生的磁场总是阻碍原磁通的变化。

也就是说，当线圈中的磁通要增加时，感应电流就要产生一个磁场去阻碍它减少。

由于这个规律是椤次于1834年首次发现的，所以称为椤次定律。

椤次定律为我们提供了一个判断感应电动势和感应电流方向的方法，具体步骤是：
（1）首先判定原磁通的方向及其变化趋势（即增加还是减少）。

（2）根据感应电流的磁场方向永远和原磁通变化趋势相反的原理确定感应电流的磁场方向。

（3）根据感应磁场的方向，用安培定则（右手螺旋定则）就可判断出感应电动势或感应电流的方向。

应当注意，必须把线圈或导体看成一个电源。

在线圈或直导体内部，感应电流从电源的“-”端流到“+”端；在线圈或直导体的外部，感应电流由电源的“+”端经负载流回“-”端。

因此，在线圈或导体内部感应电流的方向永远和感应电动势的方向相同。

4．法拉第电磁感应定律和感应电动势的大小
椤次定律说明了感应电动势的方向，并没有回答感应电动势的大小。

法拉第在验证椤次定律的过程中发
现，检流计指针的偏转和线圈中磁通的变化快慢有关，磁通变化越快，检流计指针的偏转越大；磁通变化越慢，检流计指针的偏转越小。

所以，线圈中感应电动势的大小与线圈中磁通的变化速度（即变化率）成正比。

这个规律就叫做法拉第电磁感应定律。

如果用Δϕ表示在时间间隔Δt 内一个单匝线圈中的磁通变化量。

则一具单匝线圈产生的感应电动势为：
t e ∆∆-=ϕ
对于N 匝线圈，其感应电动势为
t t N e ∆∆Φ
-=∆∆-=ϕ
式中 e----在Δt 内感应电动势的平均值，V （伏特；
N----线圈的匝数；
ΔΦ----N 匝线圈的磁通变化量，Wb （韦伯）； Δt----磁通变化ΔΦ所需要的时间，s （秒）。

上式是法拉第电磁感应定律的数学表达式。

式中负号表示了感应电动势的方向永远和磁通变化的趋势相反。

在实际应用中，常用椤次定律来判断感应电动势的方向，而用法拉第电磁感应定律来计算感应电动势的大小（取绝对值）。

这两个定律，是电磁感应的基本定律。

5．自感和互感现象
（1）自感现象
如图7所示（a ）中，A 、B 是两个完全相同的灯泡。

灯泡A 与一个铁芯线圈串联，灯泡B 与一个纯电阻串联。

当合上开关K时，灯泡B正常发光，而灯泡A却是逐渐
变亮。

这是因
为，当
合上开
关K
时，电
流流入线圈时，该电流将产生一个左端为N极右端为S 极的磁场，由楞次定律知，这个增大的磁通会在线圈中引起感应电动势，而感应电动势又会产生一个左端为S 极右端为N极的磁通来阻碍原磁通的变化。

根据安培定则可判断出感应电流的方向与原流进线圈电流的方向相反。

因此流进线圈的电流不能很快上升，灯泡A也只能慢慢变亮。

这种一个回路中电流的变化而在其自身回路中产生感生电势的现象，称为自感现象，相应的电动势称为自感电动势，形成的电流称为自感电流。

（2）互感现象
如图8所示，（a）中是两个独立的线圈套在一个铁芯上，(b)中是两个独立的线圈的中轴线在一条直线上。

当线圈A中通
入电流后，线
圈两端有电动
势产生，线圈
B构成闭合回
路后，有电流
产生。

根据椤
次定律，线圈
A中产生的磁通必定穿过了线圈B。

这种由于一个回路中电流的变化而在邻近另一个回路中产生感生电势的现象，称为互感现象，相应的电动势称为互感电动势，形成的电流称为互感电流。

综上所述，在一定条件下，电能感应出磁，磁也能感应出电能。

6．电磁感应现象的利弊
电磁感应现象对人们来说，既有利又有弊。

（1）自感现象的利与弊：日光灯是利用镇流器中的自感电动势来点燃灯管的，同时又利用它来限制灯管的电流。

但在含有大电感元件的电路被切断的瞬间，因电感元件两端的自感电动势很高，在开关刀口的断开处会产生电弧，容易烧坏刀口，或者容易损坏设备的元器件。

（2）互感现象的利与弊：在供电设备中广泛使用的变压器、电流互感器、电压互感器等设备都是利用互感原理工作的，这是其有利的一面。

但在电子电路、电力线路、通讯线路中，若设计不合理、安装位臵不正确或者检修作业中安全措施设臵不当，就会造成相互间的干扰，严重时会使整个电路或系统工作不正常，甚至无法工作。

在检修作业中，由于安全措施设臵不当，感应电未能消除，就会危胁作业人员安全，甚至造成人身伤害事故。

7．电线路对其附近电线路的电磁影响
（1）单相带负荷运行电线路产生的电磁场对其附近电线路的影响
如图9所示，单相电线路L 1带负荷运行时，线路中的负荷电流I j 将在导线周围产生一个以带电线路L 1为圆心的电磁场Φ，带电线路L 1附近若有其他电线路或导体L 2时，该电磁场必然穿过其附近的其他电线路或导体L 2。

若带负荷
运行电线路L 1
中通过的电流
为直流电，产
生的磁场是一
个恒定不变的
磁场，假如此
时其附近的电
线路L 2相对该
磁场做切割磁力线的摆动，根据电磁感应原理，就会在其附近的电线路L 2中产生沿L 2分布的感应电压U 。

若带负荷运行电线路L 1中通过的电流为交流电，产生的磁场就为一个交变磁场，此时处于交变磁场中的电线路L 2若平行于电线路L 1（或两线间不垂直），根据电磁感应原理，也会在电线路L 2中产生沿L 2分布的感应电压U 。

感应电压的大小可用以下公式计算：
p j l M I U λω=
式中：U －感应电压；
I j －带电线路通过的电流；
λ－屏蔽系数，一般为1；
M －平行线路互感系数，一般为1040x10－6；
ω－交流电角频率，一般为314；
l－平行感应长度。

p
由此可知：感应电压U的大小与带电线路中的负荷电流大小、电流的变化率、两线路间的接近距离、平行程度成正比例关系。

如果电线路L2未构成闭合回路，就只存在感应电动势。

如果电线路L2是一个闭合的回路（如K在闭合位），在感应电动势的作用下，回路中就会有与负荷电流方向相反的感应电流i。

该感应电流i的大小与感应电动势的大小成正比、与回路中的阻抗成反比例关系。

（2）三相对称电线路产生的电磁场对其附近电线路的影响
三相对称带负荷运行电线路，每一相都会对其附近的电线路产生电磁感应影响，但由于三相电流的对称分布，产生的电磁场也是对称分布的，因此施加于同一点的电磁场矢量和理论上为零，产生的感应电动势也为零。

此时出现感应电动势，主要是因为三相线路间的分布间距、负荷电流的不对称因素所致，其感应电远小于单相或两相不对称电路产生的感应电。

（3）不对称电线路产生的电磁场对其附近电线路的影响
如果三相对称电路出现一相或两相短路或断路，产生的电磁场对附近的电线路而言，就不是对称分布，因而施加于其附近电线路上的电磁场将不为零，就将产生大的感应电动势，就会严重威胁附近的电线路正常状态。

电气化铁路接触网是一种典型的不对称运行的电线路，因而当接触网线路上有机车取流时，也会对附近的电线路产生很大的电磁感应影响。

如图10所示，复线区段接触网V形天窗作业时，未停电的一行接触网线路有机车取流时，不仅在其自身线路上因自感现象产生感应电，在其附近的电线路上（如停电的一行接触网线路、架空地线、供电线、低压电力线路及金属通信线路上）也会因互感现象产生感应电。

尤其接触网利用V形天窗作业时，如对感应电的产生认识不足，消除感应电的措施不可靠或未采取防止感应电的措施，就会严重威胁作业人员的安全。

在电气化铁路附近进行电力线路维
修等工作
时，由于
接触网上
的高电
压、大电
流对电力
线路产生
的感应电
远高于电
力线路的
影响，因此必须要采取可靠的安全措施，以防止感应电伤人。

第二章接触网线路对附近电线路的影响
带电线路上有电压就有电场存在，就会出现静电感
应；有电流就有电磁场存在，就会在附近电线路上产生感应电，这是一种客观存在的现象。

电气化铁道接触网线路属于强电高压线路，线路中通过的电流也是大电流，因此静电感应和电磁感应远胜于电力系统，对附近电线路的影响非常大，必须给予高度重视。

第一节接触网线路对其附近通信线路的影响
我国电气化铁道牵引供电系统采用工频单相25kv 交流制供电，其牵引供电方式主要有直接供电方式、BT 供电方式、AT供电方式和直供加回流线四种。

这种供电方式属于不平衡供电系统，当牵引电流流过接触网时，接触网导线周围产生的强电场和强磁场，必将对附近的通信线路和设备产生干扰和影响，使通信质量下降，严重时能危及设备和人身安全。

这方面的研究起步比较早，在电气化铁路修建时，从设计到施工、运用已采取了防干扰和消除感应电的技术措施，这里不再进行过多赘述。

第二节接触网线路对其附近电线路的影响及危害
牵引电流流过接触网时，在接触导线周围产生的强电场和强磁场不仅仅对通讯线路产生电磁感应，对其附近的一切电线路都会产生电磁感应。

如图11所示，在有电力机车运行的接触网线路，接触网上施加的电压为25kv、机车运行时接触网上的
电流通常在1000A以上。

根据电磁感应原理，必然会在附近的电线路上产生静电感应电压和电磁感应电压。

1．静电感应的影响和危害
当接触网加上25kv工频交流工作电压以后，就在接触网导线（包括承力索和接触线）的四周建立起垂直于导线表面的交变电场。

由于静电感应作用，处于该电
场内的各类架空电线路将产生对地感应电压u c2。

当接触网线附近一条停电检修的电线路处于悬空状态时，耦合电容容抗很大，耦合电容电流很小，其上的对地电压u c2很高，若人体不慎串入电线路与大地间将电线路与大地间构成通路时，人体电阻R人与耦合电容C2形成并联电路，由于人体电阻R人远小于耦合电容C2的容抗，静电感应的电流绝大部分将通过人体分流，
这一分流远大于耦合电容电流，会对作业人员的人身安全造成严重危害，必须采取措施来消除。

要消除静电感应对作业人员的危害影响，只要在该电线路与大地间设臵一条电阻远小于人体电阻R人的接地线，形成与人体电阻并联的支路就可以达到目的。

因为，用接地线构成的并联支路将电线路与大地间直接沟通，静电感应电流基本上全部由其分流，作业人员处于同一电位，不再承受感应电压，对作业人员形不成威胁或伤害。

如果接地线接触不可靠，接触电阻增大或断开，此时通过人体的感应电流就会增加。

当通过人体的电流超过所能承受的最大电流（一般规定为50mA）时，就会对人身造成伤害。

2．电磁感应的影响和危害
当接触网线路上有电力机车运行时，接触网线路中就有交流电流，其周围就会建立起交变磁场，由于电磁感应作用，这种交变磁场会在与其平行的附近电线路上感应出沿电线路纵向分布的感应电动势U。

如果电线路是悬空的，未构成闭合回路，受影响的电线路中就只有感应电动势存在。

如果构成了闭合回路，就必定有电磁感应电流i产生。

假如受影响的是一条停电检修的线路，线路上产生的感应电动势对作业人员的安全将是一种致命的危险隐患。

其影响情况如下：
（1）受影响停电检修的线路悬空，与大地间无任何连接点时，该线路中有感应电动势存在，若只有一人不慎串入线路与大地间将线路与大地间构成通路，不会
遭受电磁感应的危害；若有两人在不同地点不慎串入线路与大地间将线路与大地间构成两条通路，就会构成回路，产生感应电流，有遭受电磁感应的危害可能；
（2）当停电线路上只有一点与大地连通时，虽构不成闭合回路，不会有感应电流，但有感应电动势存在。

若有人与固定连接点相距一定距离的地方不慎串入线路与大地间，将线路与大地间形成通路，就会构成回路，产生感应电流，遭受电磁感应的危害；
（3）当有两点与地连通时，两地线间就构成了闭合回路，回路中就会有固定的感应电流产生。

若此时不慎将闭合回路断开，检修中就会随时发生作业人员身体连通的可能，对人身造成伤害。

3．检修线路上有接地线时产生感应电的特点
综上所述，要消除检修线路上的电磁感应电影响，必须要为被检修线路人为构建成一个闭合回路。

停电检修电线路时，为防止变配电所误送电，如图12所示，在被检修线路两端分别设臵的接地线，对感应电而言，
恰巧构
建了一
个人为
的闭合
回路，
为感应
电流提
供了通
路。

地
线的设臵不同，产生的感应电影响也不同。

其特点如下：。