鋼軌電位限制裝置在北京地鐵中的應(yīng)用研究

付躍

北京市軌道交通運(yùn)營管理有限公司，中國·北京100071

1 引言

與道路等交通方式相比，軌道交通運(yùn)輸具有運(yùn)量大、定時(shí)、環(huán)保、節(jié)能等顯著優(yōu)點(diǎn)。因此，城市軌道交通受到越來越多的關(guān)注。隨著地鐵在中國北京爆炸式的發(fā)展，其安全性也受到了廣泛關(guān)注和極高重視。論文會(huì)對(duì)鋼軌電位限制裝置造成的設(shè)備誤動(dòng)作的原因進(jìn)行分析，并總結(jié)這些年對(duì)鋼軌電位限制裝置的改進(jìn)措施，為鋼軌電位限制裝置在新建線路的投入或產(chǎn)品的更新?lián)Q代提供理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。論文從分析地鐵走行軌電位升高的原因開始，論述鋼軌電位限制裝置在北京地鐵中設(shè)置的必要性和保護(hù)原理，并對(duì)鋼軌電位限制裝置誤動(dòng)作的原因進(jìn)行分析，并總結(jié)這些年對(duì)鋼軌電位限制裝置的改進(jìn)措施，為鋼軌電位限制裝置在新建線路的投入或產(chǎn)品的更新?lián)Q代提供理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

2 走行軌對(duì)地電位的形成原因分析

在地鐵直流牽引系統(tǒng)中，不論是接觸軌式供電系統(tǒng)還是架空接觸網(wǎng)式供電系統(tǒng)均采用走行軌作為牽引系統(tǒng)的回路介質(zhì)，并且為了防止雜散電流的危害，牽引系統(tǒng)設(shè)計(jì)為不接地系統(tǒng)，直流供電設(shè)備采用絕緣安裝，走行軌通過扣件下部的絕緣墊板與大地絕緣。在車輛運(yùn)行時(shí)，牽引電流通過變電所的直流母線送到接觸軌上，車輛通過受流器與接觸軌連接取流，牽引電流在通過走行軌回到變電所負(fù)極母線。少許的電流流入大地形成雜散電流。走行軌到變電所的負(fù)母線間存在著縱向電阻。絕緣安裝的走行軌與大地之間的泄漏電阻稱為過渡電阻。直流牽引系統(tǒng)采用走行軌正常回流時(shí)，因?yàn)榭v向電阻的存在走行軌會(huì)與大地之間形成電位差。運(yùn)行原因，列車在進(jìn)行電制動(dòng)時(shí)，牽引電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，正極連接接觸網(wǎng)，負(fù)極連接走行軌，由于牽引電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)是反電動(dòng)勢(shì)，因此相當(dāng)于向鋼軌進(jìn)行反送電，造成鋼軌電位的上升。故障原因，接觸電網(wǎng)與鋼軌發(fā)生短路、直流設(shè)備發(fā)生框架泄露故障、牽引變電所整流變壓器二次側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地短路時(shí)，鋼軌對(duì)地電位就會(huì)升高。

3 鋼軌電位限制裝置在北京地鐵必要性

屏蔽門的安裝模式屏蔽門、安全門的安裝，主要是為了防止旅客進(jìn)入行車軌道的一種安全措施，目前屏蔽門和安全門的安裝共有兩種安裝方式是可行的。屏蔽門、安全門直接接地，不與走行軌做等電位連接。這樣做從理論上講，對(duì)人身安全是無危害的，因?yàn)槠帘伍T實(shí)際上是直接接在地下結(jié)構(gòu)鋼筋上，走行軌對(duì)鋼筋間的過渡電阻在實(shí)際中測量為0.3Ω左右，而理論上的走行軌通過鋼軌電位限制裝置接地的“地”為0.5Ω，顯然0.3＜0.5，從這個(gè)不等式中就可以得出結(jié)論，人員在這種安裝方式上是安全可靠的。但這種屏蔽門安裝方式必須配備有鋼軌電位限制裝置，因?yàn)檫@種屏蔽門安裝方式不能解決站臺(tái)跨步電壓的危害，如果鋼軌電位過高，人員站在站臺(tái)上會(huì)受到危害。屏蔽門、安全門與走行軌做等電位連接并絕緣安裝、站臺(tái)設(shè)絕緣安全帶。此方案的優(yōu)點(diǎn)是站臺(tái)上的旅客的活動(dòng)范圍與走行軌完全隔離，不會(huì)有跨步電壓的危害，乘客只有在上下車的過程中有可能接觸到車輛（走行軌），而旅客站在絕緣安全帶上，不存在人身安全問題。如果屏蔽門是全封閉設(shè)計(jì)，解決了人員在上下車的過程中接觸到車體的可能，就完全可以取代鋼軌電位限制裝置的作用，而鋼軌電位限制裝置就可以不在地鐵中應(yīng)用。

4 屏蔽門對(duì)地電阻測試

屏蔽門系統(tǒng)對(duì)提高地鐵運(yùn)營安全有著重要的作用，北京地鐵新線已經(jīng)全部安裝了屏蔽門，還對(duì)老線進(jìn)行改造，全部加裝屏蔽門。北京地鐵屏蔽門系統(tǒng)安裝方式采取屏蔽門、安全門與走行軌等電位連接并絕緣安裝，站臺(tái)設(shè)置絕緣安全帶的安裝模式。這種安裝模式在上文中已經(jīng)敘述，理論上只要屏蔽門系統(tǒng)解決了人員在上下車的過程中接觸到車體的可能，就完全可以取代鋼軌電位限制裝置的作用，而鋼軌電位限制裝置就可以不在地鐵中應(yīng)用。但在實(shí)際中，受地鐵站環(huán)境復(fù)雜，溫度，濕度等天氣氣候影響，這種理論是不可行的。

請(qǐng)看對(duì)屏蔽門做的測試：

測試項(xiàng)目：屏蔽門對(duì)地絕緣電阻，本次測試依據(jù)建設(shè)年代、生產(chǎn)廠家、運(yùn)營線路從北京地鐵運(yùn)營線路上選取典型車站進(jìn)行絕緣電阻的測試，驗(yàn)證屏蔽門的絕緣是否達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，為項(xiàng)目研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

測試方法：使用Fluke1587絕緣測試多用表，一端接屏蔽門金屬門體，一端接站臺(tái)地面（大地），測試絕緣電阻。

接線說明：測試點(diǎn)選取在屏蔽門金屬門柱內(nèi)側(cè)。地面測試點(diǎn)選取在絕緣安全帶范圍內(nèi)。

5 鋼軌電位限制裝置保護(hù)原理

鋼軌電位限制裝置，又稱短路裝置，設(shè)置車站變電所內(nèi)。

由圖1可以看出，鋼軌電位限制裝置保護(hù)為傳統(tǒng)的三段式保護(hù)，鋼軌電位限制裝置主要通過檢測鋼軌對(duì)地電壓進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作。地鐵鋼軌電位限制裝置主要由多級(jí)電壓測量元件和短路復(fù)合開關(guān)組成，短路復(fù)合開關(guān)電路由直流接觸器和晶閘管并聯(lián)組成。

圖1 鋼軌電位限制裝置工作示意圖

保護(hù)動(dòng)作設(shè)置最初設(shè)計(jì)如下：當(dāng)鋼軌電位大于90V并經(jīng)一定延時(shí)，接觸器合閘動(dòng)作使鋼軌與地相連，延時(shí)10s后分閘，如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)連續(xù)動(dòng)作3次后，鋼軌電位還偏高，則限制裝置合閘后不再分閘。 當(dāng)鋼軌電位大于150V時(shí)，接觸器無延時(shí)動(dòng)作，不再分閘，直到電壓恢復(fù)正常值接觸器斷開。當(dāng)鋼軌電位大于300V時(shí)，晶閘管在1ms之內(nèi)導(dǎo)通，使鋼軌與地相連，同時(shí)接觸器啟動(dòng)其常開接點(diǎn)永久接通[1]。

6 鋼軌電位限制裝置造成設(shè)備誤動(dòng)作的原因分析及改進(jìn)措施

鋼軌電位限制裝置頻繁動(dòng)作分析：在5號(hào)線、房山線、八號(hào)線、九號(hào)線開通運(yùn)營初期，鋼軌電位限制裝置頻繁動(dòng)作，究其原因，一為鋼軌電位限制裝置達(dá)到動(dòng)作值而正常動(dòng)作，即鋼軌對(duì)地電位已經(jīng)超過保護(hù)定值所設(shè)定的90V，另一種原因就是鋼軌電位限制裝置的誤動(dòng)作。那到底是哪種原因呢？是不是北京地鐵走行軌對(duì)地電壓不穩(wěn)定而造成鋼軌電位限制裝置動(dòng)作呢，包括作者在內(nèi)的地鐵技術(shù)人員專門做過各條線路走行軌對(duì)地電壓的測試。鋼軌電位限制裝置誤動(dòng)作原因分析以及改進(jìn)措施：鋼軌電位限制裝置自身誤動(dòng)作的原因可分為內(nèi)因和外因兩種。內(nèi)因：鋼軌電位限制裝置本身存在元件缺陷：如其微機(jī)保護(hù)裝置抗干擾能力差，遇到電磁干擾后誤動(dòng)作；又如測量裝置故障導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，未能反映出走行軌對(duì)地的實(shí)際電壓，造成軌電位裝置誤動(dòng)作。

7 改進(jìn)措施

加強(qiáng)鋼軌電位限制裝置中各元器件的抗干擾性。鋼軌電位限制裝置柜體鍍鋅處理，增強(qiáng)防銹防腐力度。加強(qiáng)鋼軌電位限制裝置測量裝置的精度與準(zhǔn)度，定期給微機(jī)保護(hù)裝置升級(jí)，防止其測量有誤。裝置內(nèi)一、二次電纜加裝金屬護(hù)套，加強(qiáng)抗磁干擾。

鋼軌電位限制裝置與走行軌電纜連接工藝：在鋼軌電位限制裝置應(yīng)用的5號(hào)線、亦莊線、房山線、八通線等線路中，鋼軌電位限制裝置與走行軌之間的電纜連接采取栓接工藝，即在鋼軌上用電鉆開孔，采用螺釘固定的模式。這種模式接觸電阻大，且受人員施工質(zhì)量的制約，在地鐵經(jīng)過的時(shí)候受到強(qiáng)烈震動(dòng)，造成部分螺絲松動(dòng)，導(dǎo)致接觸電阻增大，使鋼軌電位限制裝置誤動(dòng)作。鋼軌電位限制裝置與走行軌間電纜連接工藝可以采用爆炸焊實(shí)現(xiàn)被連接導(dǎo)體之間的可靠連接。與螺栓連接和漲栓連接相比較，焊接優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了永久分子結(jié)合，永不松動(dòng)或被腐蝕，其受到地鐵列車經(jīng)過震動(dòng)影響小。對(duì)于已經(jīng)采用栓接工藝的各條線路來說，加強(qiáng)設(shè)備的巡視檢修工作，若發(fā)現(xiàn)電纜連接處有松動(dòng)及時(shí)整改，并考慮涂抹導(dǎo)電膏，連接螺母更換成防脫扣螺母等等。外因：鋼軌電位限制裝置誤動(dòng)作的外因是外部環(huán)境所造成的。鋼軌在無地鐵經(jīng)過的時(shí)候，對(duì)地電壓非常的低；在列車駛過的時(shí)候，鋼軌對(duì)地電壓會(huì)上升，但正常情況下低于鋼軌電位限制裝置的動(dòng)作值；但是當(dāng)列車入站剎車的時(shí)候，會(huì)使鋼軌出現(xiàn)一個(gè)瞬時(shí)電壓，這個(gè)電壓持續(xù)時(shí)間不長，但其大小可能就會(huì)超出鋼軌電位限制裝置的動(dòng)作值，造成鋼軌電位限制裝置誤動(dòng)作。對(duì)于列車在剎車時(shí)產(chǎn)生的瞬時(shí)電壓造成的鋼軌電位限制裝置誤動(dòng)作的問題，可以從鋼軌電位限制裝置微機(jī)保護(hù)裝置的程序上來解決，如鋼軌電位限制裝置與屏蔽門聯(lián)動(dòng)，使鋼軌電位限制裝置只在乘客上下地鐵時(shí)啟動(dòng)，從而避開列車剎車。目前八通線鋼軌電位限制裝置加裝工程中，鋼軌電位限制裝置就是這樣設(shè)置的。采用此種方案，可以在很大程度上減少走行軌電位限制在運(yùn)行過程中不必要的動(dòng)作，減輕由于不必要?jiǎng)幼鲗?duì)地鐵系統(tǒng)造成的影響，減少走行軌直接接地的時(shí)間，在保證人身安全的同時(shí)提高了設(shè)備可靠度與安全性，大大減小了走行軌直接接地造成的電能損失，降低了雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)及設(shè)備造成的危害[2]。

8 結(jié)語

論文通過對(duì)地鐵鋼軌（走行軌）電位產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)有三個(gè)原因?qū)е碌罔F鋼軌電位有所上升，分別是鋼軌本身原因，運(yùn)行原因和故障原因。其中通過對(duì)第一個(gè)原因建模分析發(fā)現(xiàn)，在此原因下軌電位對(duì)地電壓大小受負(fù)荷電流、回流走行軌電阻、過度電阻影響。這種原因產(chǎn)生的鋼軌對(duì)地電位不高，在人體安全電壓范圍之內(nèi)，一般不會(huì)超過40V。故運(yùn)行原因和故障原因是導(dǎo)致鋼軌電位過高的主要因素。鋼軌電位限制裝置作為北京地鐵控制鋼軌（走行軌）對(duì)地電壓的重要保護(hù)裝置，目前起到不可替代的作用。北京地鐵技術(shù)人員一直在對(duì)鋼軌電位限制裝置進(jìn)行改進(jìn)，使得鋼軌電位限制裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性有了很大的提高[3]。論文總結(jié)分析了鋼軌電位限制裝置進(jìn)入北京地鐵以來出現(xiàn)的誤動(dòng)作原因以及相應(yīng)的改進(jìn)措施，為鋼軌電位限制裝置在新線的投入或產(chǎn)品的更新?lián)Q代提供經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。