关于一起承力索断线事故的成因辨析

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[摘 要]本文通过对一起承力索断线事故的辨析，探讨牵引供电系统中电弧的产生与熄灭，以及机车带电进入停电区的危害。

[关键词]承力索断线；电弧

中图分类号：TG357 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）29-0087-01

0 前言

这是一起若干年前的、已定性的承力索断线事故案例。本文以电弧学的相关知识为基础，对事故的成因进行分析，旨在进行技术探讨。为避免涉入事故责任追究等事项，文中相关的所亭名称、车站名称、公里标等均隐去。但事故经过及时间顺序等均按事故报告进行了真实还原。并从专业角度对事故的实际成因进行推导。

本案例颇具典型意义，导致承力索断线的实际原因也颇具专业分析价值。本文将对笔者的个人分析进行详细阐述。欢迎有关的专业人士不吝赐教、批评斧正！

1 事故经过

1） XXXX年X月X日2时36分，某变电所上行供电臂（212DL，DL为断路器，以下同）跳闸，重合成功，对应的开闭所（232DL）重合闸未启动（失压闭锁），如图1所示：

2）2时50分电调远动闭合开闭所232DL，恢复上行正常供电方式。（在2时36分至2时50分共计14分钟内共有三趟T字头电力机车通过该绝缘关节）。

3）3时42分，变电所211DL、212DL同时跳闸（1200A/24KV），重合失败。3时51分，机车降弓后强送变电所211，开闭所231成功。3时52分，强送变电所212失败。

4）3点45分，XXX18次列车（HX1B机车、编组70辆、速度67KM/H）列车运行至开闭所绝缘锚段关节后方发现接触网无电，司机立即采取断主断、降弓措施并报告调度。

5）3时52分，电调通知接触网工区出动抢修。4时46分，先期到达抢修人员反馈，绝缘锚段关节承力索断线，波及范围7个跨距，跨中吊弦大面积脱落，定位点偏移6处，Ⅱ、Ⅳ锚段中心锚节底于接触线线面。

6）7时29分恢复送电。共计中断供电3小时47分钟。

2.原因分析

在《事故报告》的原因分析中认为：因开闭所至分区所上行环供，在开闭所对应的接触网绝缘锚段关节（因电调没有及时合上开闭所开关）两侧，两接触网间存在较大的电压差，在电力机车受电弓通过时（在2时36分至2时50分共计14分钟内共有三趟T字头电力机车通过该绝缘关节），绝缘关节接触网转换点处形成较大的电弧，烧伤承力索。

笔者认为以上分析有欠合理。说明如下：

首先我们了解一下电弧形成和持续的条件。当两个导通有载电路的金属导体刚分离时，刚刚脱离接触的“炽热点”，形成金属的热发射。产生自由电子在电场作用下高速移向阳极，与间隙中的中性质点相撞，使其产生链式增殖反应式的积累游离、碰撞游离，如果分离导体间隙中的电场足够强（试验证明：在均匀电场中，空气的击穿场强约为30KV/cm），则在强电场的作用下，碰撞游离发展为电子崩并进而发展为“流注”现象，形成电弧。电弧是一种游离态气体的自持放电现象，是自由电子、带电离子定向移动的通道，所以电弧具有很高的导电率。电弧放电具有短路特征，电流密度极大，温度极高。电弧温度度可以高达4000―5000℃（弧心温度可达10000℃以上），形成金属蒸汽。高温下的金属气体分子和原子热运动加剧，互相碰撞分裂形成热游离。电弧是由积累游离、碰撞游离产生并有热游离维持的。游离过程的同时，有去游离过程存在，即复合（正、负离子复合为中性粒子）与扩散（分为电扩散和热扩散）。当游离过程大于去游离过程时，电弧持续；当游离过程小于去游离过程，并且达到一定程度时，电弧才熄灭。维持游离的基本条件是电场的存在，即断口间足够电压的存在。

现在我们对上述《事故报告》的原因分析进行推导：由分区所环供至开闭所绝缘锚段关节右侧的电压与关节左侧的电压可能存在电压差，列车通过时也可能产生电弧。但这一电弧不具持续性。受电弓通过该断口前先与左侧的接触线接触取流。在断口处，在与右侧接触线接触前的瞬间，由于存在电压差可能会产生一个小电弧。但随即受电弓达到锚段关节的中心柱处将断口短接，形成如图2所示的无源等电位回路：

回路中没有电流，电弧熄灭。当受电弓离开左侧接触线瞬间也可能产生一个小电弧，但此时受电弓已从右侧接触线取流，由于电弧电阻大于导体电阻，机车不会通过电弧向左侧接触网取流。因此电弧熄灭。

由以上分析可知，机车通过上述有电位差的绝缘锚段关节时，可能产生电弧，但这种电弧不具持续性。在此我们称之为火花放电。这种放电可能会对接触线造成轻伤。但不会形成持续电弧，并在电弧自身的热作用下，通过吊弦上升，烧断承力索。

在大型站场分束供电股道间的度线分段。与上述232DL未闭合情况类似。在一侧有几台机车同时启动时（其分段两端的电压差要更大于上述情况），另有机车通过分段的情况时有发生，但从未发生因压差产生电弧而断承力索的情况。如图3所示：

由以上分析例证可知原《事故报告》的原因分析存在问题。下面我们对事故的实际情况进行推导：

1）由《事故报告》可知：承力索断线的原因为电弧烧断。

2）能烧断承力索的电弧可能是一个瞬间短路的强大短路电弧，但在上述事故经过中可见：3时42分 212DL跳闸时的短路电流并不大，仅1200A，且引发短路的各种原因如：天气、异物、绝缘、机故等不可能不留下痕迹。而在事故报告中并未提及。因此，可以排除这种可能性。

3）除短路电弧外，能烧断承力索的另一种可能性是由受电弓拉出的非短路性质的持续性电弧。这种电弧的产生有两种情况。第一种是由受电弓将电弧从一相电拉至另一相电。造成异相短接，而相关保护没有及时动作。显然，在上述锚段关节周围并不存在异相电。因此这种可能性可以排除。另一种情况是电弧由受电弓由有电区向无电区拉出，并由电弧和机车构成工作回路。由以往事故经验可知：这种电弧持续时间长，并均会在自身热作用下，由两边悬挂的接触线间上升至承力索间燃烧，并最终将承力索烧断。这与《事故报告》中的情况接近吻合。

4） 据了解，事故区段开闭所的断路器有检压重合功能，而分区所的上下行并联断路器无自动重合功能，电调在2时36分上行供电臂（212DL）跳闸，重合成功时，没有注意到开闭所（232DL）重合闸未启动。我们很难想象当时电调能想起闭合分区所的上下行并联断路器（252DL），因此我们推断事故过程如下：

2时36分，某变电所上行供电臂（212DL）跳闸，重合成功，对应的开闭所（232DL）重合闸未启动（失压闭锁），分区所上下行并联断路器（252DL）失压跳（不具重合功能），电调忙于分析跳闸原因，未能及时闭合232DL与252DL。在上行开闭所与分区所间形成了一段24.15Km的无电区。

在2时36分至2时50分共计14分钟内共有三趟T字头电力机车（最高运行时速160Km/h）通过该绝缘关节。当第一列T字头电力机车通过时，在绝缘锚段关节断口处形成电弧。列车通过后，持续电弧将该断口接续导通。构成如图4所示回路：

机车通过关节时，首先在断口处接触线间产生电弧，机车通过关节后，电弧在自身的热作用下，通过吊弦上升，在两锚段承力索间持续燃烧。如图5：

由于通过机车构成的回路阻抗较大，因此电弧中通过的电流为正常的负荷电流（电流在200-300A之间），电弧的温度及破坏性也远较短路电弧要小（电弧电流越大，温度越高）。另外由于承力索采用的金属（铜合金）熔点较高且T字头列车运行速度快、室外温度低（事故时间为冬季夜间）、无电区短等因素。约10分钟左右机车断主断，过分相，切断回路。电弧熄灭，承力索冷却恢复刚性。在此过程中电弧起了一个连接导体的作用。通过的列车司机不会感觉任何异常，而承力索的烧损也不是很严重。但连续重复经过三次燃弧过程（与上述情况相同）后承力索的损伤已经很严重了。但仍未断线。

2时50分电调发现开闭所和分区所的断路器没有闭合，立即远动闭合开闭所232DL，分区所252DL。恢复上行正常供电方式。后又经过一段时间（52分钟以上）的自身张力拉扯及列车进入锚段后引发的悬挂晃动后，终于在XXX18次接近锚段关节时断线。

3时42分，变电所211DL、212DL同时跳闸。XXX18次列车发现接触网无电报告。以及之后的抢修恢复等。

笔者认为这起事故的本质是一起带电进入停电区事故。机车带电过分相时在第一个断口拉弧的过程也与上述情况雷同。带电进入停电区不仅在有人作业时，会造成人员伤亡。即使在无人作业时其危害也不容忽视，往往具有隐蔽性，当机车或牵引变电所又异常反应时，已造成了断线的严重后果。