鋼軌電位限制器新型控制方式研究

王凱建 韓連祥

(北京城建設(shè)計研究總院有限責(zé)任公司 北京 100037)

隨著城市軌道交通技術(shù)的發(fā)展及以人為本的建設(shè)理念，人身安全防護(hù)問題越來越受到重視。根據(jù)IEC規(guī) 范 IEC62128—1—2003 Railwayapplication—fixed installations part 1:protective provisions relating to electrical safety and earthing及我國 GB 50157—2003《地鐵設(shè)計規(guī)范》的要求，近十幾年新建的城市軌道交通項目均在車站設(shè)置了鋼軌電位限制器，用以限制走行軌對地電位的異常升高，避免人身受到電擊傷害。近些年的實(shí)際運(yùn)行表明，鋼軌電位限制器在運(yùn)行過程中尚存在一些問題。下面將針對運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，從設(shè)計的角度給出建議的解決措施，供業(yè)內(nèi)人士在今后的設(shè)計及建設(shè)中參考。

1 鋼軌電位限制器的功能及原理

車站鋼軌電位限制器的功能，是為了防止乘客在上下車時由于其他列車的運(yùn)行，使鋼軌對地電位過高或其他異常電位對人身造成電擊傷害。鋼軌電位限制器通過持續(xù)地檢測鋼軌對地電位，以兩者電位差(即電壓值)作為鋼軌電位限制器的動作條件。當(dāng)鋼軌對地電位超過設(shè)定的電壓值時，鋼軌_電位限制器通過接觸器或晶閘管將鋼軌與地短接起來，以降低鋼軌對地電位，保障乘客安全。

根據(jù)設(shè)定電壓值的不同，鋼軌電位限制器分為三段保護(hù)，其中一段、二段保護(hù)利用接觸器閉合實(shí)現(xiàn)接地，三段保護(hù)利用晶閘管的快速動作特性，首先閉合實(shí)現(xiàn)接地，待接觸器閉合后，晶閘管退出，其動作原理見圖1。

圖1 鋼軌電位限制器的動作流程

2 鋼軌電位限制器在運(yùn)行中存在的問題

筆者對國內(nèi)外部分城市軌道交通線路中設(shè)置的鋼軌電位限制器運(yùn)行情況進(jìn)行了調(diào)研。調(diào)研結(jié)果表明，大部分線路經(jīng)常性地出現(xiàn)鋼軌對地電位超過設(shè)定值的情況，而且與列車是否在車站無直接關(guān)系，并引起鋼軌電位限制器頻繁通斷甚至閉鎖在接地狀態(tài)。

2.1 問題的原因

1)鋼軌對地絕緣不好，存在一點(diǎn)或者多點(diǎn)接地情況，從而導(dǎo)致零點(diǎn)漂移而引起縱向電位升高。

2)牽引變電所間距設(shè)置過大，主要體現(xiàn)在區(qū)間過長，或者區(qū)間存在長大坡段，列車持續(xù)取流，鋼軌對地電位增加。

3)鋼軌電位限制器設(shè)定值偏小。

2.2 造成的影響

1)由于鋼軌通過鋼軌電位限制器與地進(jìn)行頻繁或長時的短接，將會造成雜散電流泄漏量增大，加快對結(jié)構(gòu)鋼筋及周圍金屬管線的腐蝕。

2)鋼軌電位限制器的接觸器頻繁通斷，嚴(yán)重時每天每臺鋼軌電位限制器動作數(shù)百次，會大大縮短接觸器的使用壽命，并增加維護(hù)的工作量。

3)由于鋼軌電位限制器的動作信號會上傳至控制中心的電力調(diào)度，頻繁地報警、通斷及閉鎖信號將會給調(diào)度人員帶來一定的煩擾。

3 存在問題的解決措施

針對鋼軌電位限制器在運(yùn)行過程中存在的問題，在保證裝置功能的前提下提出解決措施，以盡量減少鋼軌電位限制器的動作次數(shù)及接地時間。解決措施共包括兩部分內(nèi)容，一種是常規(guī)措施，一種是新型的控制方式。

3.1 常規(guī)控制措施

1)加強(qiáng)對鋼軌的監(jiān)測，對絕緣破壞的位置清潔道床，并更換軌道扣件絕緣墊和道釘?shù)慕^緣套管。

2)合理設(shè)置牽引變電所的間距，對于存在長大坡度的區(qū)間，適當(dāng)縮小牽引變電所的間距，以保證鋼軌對地電位小于等于規(guī)范的規(guī)定值。

3)參照IEC標(biāo)準(zhǔn)，將鋼軌電位限制器的一段動作值由目前的90 V調(diào)整為120 V。

4)已經(jīng)建成的地鐵線路由于牽引變電所設(shè)置的位置不盡合理，從而產(chǎn)生了鋼軌對地電位超標(biāo)，引起了鋼軌電位限制器經(jīng)常閉合或者閉鎖?？梢圆扇≡陂L大區(qū)間走行軌并聯(lián)直流電纜的措施，降低走行軌的單位電阻。

5)設(shè)置鋼軌電位限制器閉鎖后的遠(yuǎn)方復(fù)歸功能，以減少接地時間。

3.2 新型控制方式

3.2.1 引入新方式的可行性

在地鐵線路投入運(yùn)營后，列車行走線路屬于封閉區(qū)域，尤其在設(shè)置了屏蔽門后更是如此。在列車未進(jìn)站時，站內(nèi)乘客無法接觸走行軌和列車，而車內(nèi)乘客處于一個等電位環(huán)境。此時，走行軌的電位高低對乘客沒有影響。只有當(dāng)列車進(jìn)站停車、乘客開始上下車時，乘客才會通過列車和走行軌發(fā)生聯(lián)系。因此，將列車的進(jìn)/出站信號引入鋼軌電位限制器的保護(hù)作為判定條件，是不會對鋼軌電位限制器的功能帶來影響的。

3.2.2 新型控制方式的原理

走行軌上的電位檢測一直在工作狀態(tài)中，此時將列車的進(jìn)/出站信號引入鋼軌電位限值器的保護(hù)動作判定條件中，即列車停站作為鋼軌電位限制器動作的另一個基本條件。如果達(dá)到電壓檢測的設(shè)定值，再判定列車的?？啃盘?如果兩者均滿足條件，鋼軌電位限制器方能動作;其中一個條件不滿足或兩個條件均不滿足時，裝置不動作。這種新型控制方式的動作流程如圖2所示。

圖2 鋼軌電位限制器采用新型控制方式的動作流程

3.2.3 新型控制方式的接線及定值整定

引入新型的控制方式后，鋼軌電位限制器邏輯判斷部分的接線原理如圖3所示。上、下行列車的進(jìn)站信號分別為常開干接點(diǎn)信號KS2、KS1，離站信號分別為常閉干接點(diǎn)信號KS4、KS3。這4個接點(diǎn)信號可以直接由信號系統(tǒng)提供，也可以由屏蔽門系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)。由于是信號系統(tǒng)單向提供的信號，鋼軌電位限制器的運(yùn)行及動作不會反饋給信號系統(tǒng)，因此不會對信號系統(tǒng)造成任何影響。經(jīng)邏輯判斷后，將轉(zhuǎn)換后的信號KA1、KA2引入合閘回路。同時，合閘回路設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)位于“投入聯(lián)鎖”的位置時，即引入上、下行列車的進(jìn)出站信號;當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)位于“取消聯(lián)鎖”的位置時，即取消列車進(jìn)出站信號的判定;當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)位于“空位”時，裝置退出。

圖3 鋼軌電位限制器邏輯判斷部分的接線原理

在引入列車停站信號后，鋼軌電位限值器的保護(hù)動作情況如下:

1)一段保護(hù):列車進(jìn)出站信號+鋼軌與地之間的電壓差大于120 V(一段動作電壓)，兩個條件都滿足時，一段保護(hù)動作，接觸器合閘，經(jīng)一定時間恢復(fù)開斷。當(dāng)連續(xù)動作3次后，接觸器將不再恢復(fù)開斷，而保持在閉合狀態(tài)。

2)二段保護(hù):列車停站信號+鋼軌與保護(hù)地之間的電壓差大于150 V(二段動作電壓)，兩個條件都滿足時，接觸器保持閉合，不再恢復(fù)開斷。

3)三段保護(hù):鋼軌與保護(hù)地之間的電壓差大于600 V(三段動作電壓)時，晶閘管回路首先在約0.2 ms內(nèi)導(dǎo)通，使鋼軌與地短接，然后啟動接觸器合閘并保持在閉合狀態(tài)。接觸器合閘后，晶閘管回路立即斷開。

4 結(jié)語

鋼軌電位限制器采取新型控制方式，在保證乘客上下車的人身安全的基礎(chǔ)上，增加了列車進(jìn)/出站信號作為鋼軌電位限制器的動作條件，將避免列車在運(yùn)行過程中鋼軌電位限制器的誤動作，減少由于鋼軌電位限制器動作而造成的雜散電流腐蝕，有利于降低對正常運(yùn)營的干擾。

［1］GB 50157—2003地鐵設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，2003:99-116.

［2］IEC 62128—1—2003 Railway application—fixed installations part 1:protective provisions relating to electrical safety and earthing［S］.Geniva，2003:121-123.

［3］GB 50490—2009.城市軌道交通技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009:21-22.

［4］北京城建設(shè)計研究總院.青島地鐵3號線供電系統(tǒng)投標(biāo)文件［G］.2009:122-123.

［5］長江電器.北京地鐵10號線及奧運(yùn)支線750VDC鋼軌電位柜［G］.北京，2007:7-14.

［6］王禹橋.對地鐵軌道電位異常升高的研究［J］.城市軌道交通研究，2009(8):35-38.

［7］王珩.地鐵屏蔽門系統(tǒng)的絕緣與接地［J］.城市軌道交通研究，2001(4):77-79.