站臺(tái)屏蔽門與鋼軌不等電位連接的可行性分析

王文波 林小杰

(天津?yàn)I海快速交通發(fā)展有限公司運(yùn)營(yíng)維修部，300451，天津∥第一作者，工程師)

城市軌道交通所使用的站臺(tái)屏蔽門按照其安裝高度不同可以分為全高屏蔽門和半高屏蔽門，其中半高屏蔽門又稱為安全門。天津市津?yàn)I輕軌分為地上段和地下段，其中地下段(天津站至東興路站)安裝站臺(tái)全高屏蔽門，地上段(中山門站至東海路站)安裝站臺(tái)安全門。

目前，受城市軌道交通客流量迅速攀升的影響，站臺(tái)屏蔽門系統(tǒng)已經(jīng)成為新建線路的首選，一些沒有安裝站臺(tái)屏蔽門的既有線路車站也正在實(shí)施或準(zhǔn)備加裝站臺(tái)屏蔽門。但如何解決站臺(tái)絕緣下降和屏蔽門與鋼軌是否應(yīng)該進(jìn)行等電位連接一直是個(gè)受爭(zhēng)論的問題，困擾著設(shè)計(jì)、施工、建設(shè)以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位。津?yàn)I輕軌線地上段車站于2004年正式投入運(yùn)營(yíng)，站臺(tái)安全門的安裝施工于2011年11月結(jié)束并投入使用;地下段站臺(tái)屏蔽門隨車站一起建成并于2011年5月投入使用?？紤]到一般情況下站臺(tái)絕緣無法滿足要求的實(shí)際情況，站臺(tái)屏蔽門(含安全門)和鋼軌之間均未進(jìn)行等電位連接。

1 站臺(tái)屏蔽門與鋼軌進(jìn)行等電位連接問題的由來

目前國(guó)內(nèi)站臺(tái)屏蔽門安裝過程中，由于屏蔽門與鋼軌之間均按進(jìn)行等電位連接考慮，因此需在站臺(tái)屏蔽門站臺(tái)側(cè)一定范圍內(nèi)(一般0.9～1.5 m)的地面進(jìn)行絕緣處理。

站臺(tái)進(jìn)行絕緣處理不僅施工工藝復(fù)雜、工期長(zhǎng)、增加建設(shè)成本，而且受塵土、潮氣以及車站清潔工作等因素影響，絕緣無法保證。以津?yàn)I輕軌站臺(tái)安全門為例，在投用之初對(duì)站臺(tái)絕緣進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果如表1所示。

表1 津?yàn)I輕軌線站臺(tái)絕緣電阻檢測(cè)結(jié)果

施工過程中對(duì)單個(gè)門體進(jìn)行測(cè)量，絕緣值均在5 MΩ以上。但整側(cè)站臺(tái)安全門門體通過等電位線連接后，在環(huán)境干燥且將門體和大理石擦拭干凈的情況下，測(cè)量值均能滿足0.5 MΩ的要求;潮濕環(huán)境下大部分車站不能達(dá)到CJ/T 236—2006《城市軌道交通站臺(tái)屏蔽門》的有關(guān)規(guī)定，即“門體與車站結(jié)構(gòu)之間的絕緣電阻大于等于0.5 MΩ”的要求。

站臺(tái)進(jìn)行絕緣處理不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且絕緣效果無法保證，一旦絕緣下降也沒有很好的恢復(fù)辦法。由目前國(guó)內(nèi)站臺(tái)屏蔽門絕緣情況的現(xiàn)狀引出本文所要探討的問題，即站臺(tái)屏蔽門與鋼軌間不進(jìn)行等電位連接是否可行。

2 站臺(tái)屏蔽門與鋼軌進(jìn)行等電位連接的原因和存在的問題

站臺(tái)屏蔽門與鋼軌進(jìn)行等電位連接就是將站臺(tái)屏蔽門金屬部分與鋼軌通過電纜進(jìn)行連接，使鋼軌與站臺(tái)屏蔽門金屬框架部分處于相同的電位。

2.1 站臺(tái)屏蔽門與鋼軌進(jìn)行等電位連接的原因

站臺(tái)屏蔽門與鋼軌進(jìn)行等電位連接主要是為了避免因軌道電位升高、屏蔽門電氣回路故障等原因?qū)е落撥壟c屏蔽門金屬框架間出現(xiàn)電位差，而使上下車的乘客觸電。雖然乘客皮膚同時(shí)接觸屏蔽門和車輛金屬裸露部分的概率很低，但作為安全隱患，仍需高度重視。

將站臺(tái)屏蔽門與鋼軌進(jìn)行等電位連接后不僅可以消除兩者之間的電位差，確保乘客安全，而且在柔性接觸網(wǎng)出現(xiàn)斷線故障接觸到屏蔽門體時(shí)可以快速、可靠地跳閘斷電。

2.2 存在的問題

在進(jìn)行等電位連接情況下，站臺(tái)絕緣不良(站臺(tái)絕緣下降到一定程度時(shí))會(huì)引發(fā)以下問題:

1)信號(hào)系統(tǒng)“紅光帶”問題:正常情況下，當(dāng)軌道被列車占用時(shí)，采用軌道電路的城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)會(huì)將該段軌道電路在控制顯示終端顯示為“紅色”，以表示該段軌道被“占用”。由于等電位連接后軌道與站臺(tái)連為一體，如果站臺(tái)絕緣無法滿足軌道電路對(duì)地的絕緣要求，該段軌道即使在沒有列車占用的情況下也將顯示為“紅色”，造成對(duì)行車指揮體系的干擾。

2)雜散電流腐蝕問題:如果站臺(tái)絕緣不良，等電位連接將鋼軌上的雜散電流引入到車站金屬結(jié)構(gòu)中，造成對(duì)金屬部件的腐蝕。

3)站臺(tái)上金屬連接部件會(huì)出現(xiàn)“打火”現(xiàn)象:站臺(tái)絕緣不良，鋼軌上的雜散電流通過等電位連接線被引入站臺(tái)，在站臺(tái)金屬連接部件出現(xiàn)打火現(xiàn)象。這在采用等電位連接的各條運(yùn)營(yíng)線路上都是個(gè)普遍的現(xiàn)象。

如果站臺(tái)經(jīng)過絕緣處理并能一直保持良好狀態(tài)，那么屏蔽門與鋼軌之間進(jìn)行等電位連接是非常有必要的。但是，縱觀國(guó)內(nèi)城市軌道交通行業(yè)，經(jīng)過絕緣處理的站臺(tái)在投入使用后絕緣不良是個(gè)共性的問題，至今也沒有很好的解決辦法。

3 不進(jìn)行等電位連接的可行性分析

站臺(tái)屏蔽門與鋼軌之間不進(jìn)行等電位連接是否可行的關(guān)鍵，是需要分析屏蔽門電氣回路故障、軌道電位抬升兩種情況下，屏蔽門與鋼軌之間的電壓差是否會(huì)使乘客發(fā)生觸電事故。

3.1 站臺(tái)屏蔽門電氣回路故障

站臺(tái)屏蔽門電氣回路主要有驅(qū)動(dòng)回路和控制回路。控制回路為DC 5 V電壓，驅(qū)動(dòng)回路因電機(jī)型號(hào)不同有DC 85 V、DC 110 V及AC 220 V、AC 380 V等幾種。

DC 85 V、DC 110 V回路設(shè)計(jì)有絕緣監(jiān)測(cè)模塊，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)回路并對(duì)控制回路絕緣情況進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)絕緣下降將會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警;同時(shí)，帶有漏電保護(hù)裝置的開關(guān)也可以保護(hù)人身安全。

使用DC 85 V或DC 110 V驅(qū)動(dòng)電機(jī)的屏蔽門電源柜均設(shè)計(jì)有隔離變壓器，可以實(shí)現(xiàn)屏蔽門電源回路與市域電網(wǎng)間的電氣隔離，并實(shí)現(xiàn)“不共地”，即使出現(xiàn)直流輸出回路一點(diǎn)或多點(diǎn)對(duì)外殼短路故障，由于“不共地”而不形成電流通路，也可以避免出現(xiàn)人身觸電事故。

AC 220 V、AC 380 V電機(jī)在各行業(yè)中使用廣泛，保護(hù)措施可靠，在此不一一贅述。

因此，屏蔽門電氣回路故障不會(huì)導(dǎo)致乘客出現(xiàn)觸電事故。

3.2 軌道電位升高

人體出現(xiàn)觸電感覺是因?yàn)殡娏髁鬟^人體出現(xiàn)電流效應(yīng)，主要包括感知、反應(yīng)、電灼傷和心室纖顫。人體感知電流的閥值與人體的自身情況(如人體皮膚的接觸電壓、接觸面積、接觸壓力、皮膚類型等)和環(huán)境溫、濕度，電流流過人體的時(shí)間、頻率、波形及路徑等諸多因素有關(guān)［2］。因?yàn)槿梭w感知電流程度的不確定性，國(guó)際通用的DC 36 V就成為判斷屏蔽門與鋼軌之間電壓差是否安全的重要依據(jù)。

3.2.1 故障情況下的軌道電位變化

經(jīng)過多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，導(dǎo)致軌道電位瞬間升高至36 V以上的故障如下:

1)接觸網(wǎng)(或第三軌)對(duì)鋼軌、對(duì)地或架空地線發(fā)生短路故障;

2)直流供電系統(tǒng)發(fā)生框架泄露故障;

3)牽引變電所整流變壓器二次側(cè)交流系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障。

考慮上述故障時(shí)，可以將站臺(tái)屏蔽門等同于列車本體而納入到城市軌道交通直流供電系統(tǒng)的保護(hù)范圍，而不需單獨(dú)考慮。即使直流供電系統(tǒng)保護(hù)裝置失靈，由于軌道電位限制裝置的存在也會(huì)瞬間使鋼軌與大地相連。

3.2.2 正常情況下軌道電位的變化分析

正常情況下，軌道電位升高是由于鋼軌中的回流電流引起的，如圖1所示。

圖1 按照雙邊供電建立的供電原理示意圖

可根據(jù)基爾霍夫第一定律推導(dǎo)出任一點(diǎn)軌道電位公式如下:

式中:

u(x)——軌道上任一點(diǎn)的軌道電位;

I1——變電所A的供電電流;

I2——變電所B的供電電流;

L1——列車中心距離變電所A的距離;

L——兩變電所之間的距離。

從上式可以看出，軌道電位高低和整流器位置、饋電區(qū)段長(zhǎng)度、負(fù)荷分擔(dān)狀態(tài)、負(fù)荷電流、回流線電阻、軌道電流及鋼軌對(duì)地電阻等有關(guān)。一般情況下，軌道對(duì)地電位差最大不超過60 V［4］。

為驗(yàn)證正常情況下軌道電位的變化情況，分別在津?yàn)I輕軌線選取島式站臺(tái)(新立鎮(zhèn)站)、側(cè)式站臺(tái)(胡家園站)、露天式站臺(tái)(市民廣場(chǎng)站)和地下站臺(tái)(大直沽站)進(jìn)行站臺(tái)屏蔽門和鋼軌之間的電位差測(cè)量。經(jīng)過對(duì)上述4個(gè)車站全天候共計(jì)292次測(cè)量結(jié)果顯示，除新立鎮(zhèn)站有16次電位差測(cè)量結(jié)果高于36 V外，其他均低于36 V，尤其是大直沽站作為地下車站更是普遍低于10 V。新立鎮(zhèn)站的測(cè)量結(jié)果普遍偏高，但最高值也不超過60 V(見表2)。

表2 新立鎮(zhèn)站站臺(tái)屏蔽門與鋼軌間電壓測(cè)量結(jié)果表

經(jīng)查，新立鎮(zhèn)與臨近的東麗站距離較近，為1.98 km，由于該站處于高架上坡區(qū)段，因此下行線路進(jìn)站和出站分別有12.9‰和25‰的坡度。該站情況類似兩段樓梯間的“平臺(tái)”，列車爬坡進(jìn)站和爬坡出站需要的牽引電流大，因此，軌道電位也會(huì)相應(yīng)升高。在北京地鐵，目前大部分線路沒有設(shè)置站臺(tái)屏蔽門與鋼軌的等電位線，也尚未有乘客對(duì)此感到不適的情況報(bào)告［3］。廣州地鐵1號(hào)線、3號(hào)線列車運(yùn)行時(shí)對(duì)鋼軌的檢測(cè)數(shù)據(jù)也顯示了鋼軌對(duì)地電位小于36 V［5］。

經(jīng)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量并結(jié)合同行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，站臺(tái)屏蔽門與鋼軌之間不進(jìn)行等電位連接，雖然在理論上存在安全隱患，但考慮60 V左右的電壓對(duì)人體的實(shí)際傷害很小且不具備長(zhǎng)時(shí)間密切接觸的可能，故實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)是很低的。為徹底消除60 V電壓可能帶來的安全隱患，可采用將屏蔽門金屬框架進(jìn)行覆膜絕緣處理的方式來解決。

3.2.3 采用覆膜絕緣處理的優(yōu)缺點(diǎn)分析

在已投入使用的站臺(tái)進(jìn)行絕緣修復(fù)工作，實(shí)際上是不可能的，故只能采取彌補(bǔ)措施。考慮可實(shí)施性和簡(jiǎn)易性，采用在站臺(tái)屏蔽門附近加鋪絕緣墊和對(duì)屏蔽門金屬框架進(jìn)行覆膜絕緣處理都是不錯(cuò)的選擇。但加鋪絕緣墊存在磕絆上下車乘客、受雨水潮氣等影響會(huì)使絕緣下降，以及無法解決鋼軌與屏蔽門金屬框架之間電壓差的問題，因此，對(duì)屏蔽門金屬框架進(jìn)行覆膜絕緣處理具有效果好、實(shí)施簡(jiǎn)便、成本低等明顯優(yōu)勢(shì)。

但是，覆膜絕緣處理也存在不足，即長(zhǎng)時(shí)間使用后會(huì)存在邊角翹起、起泡等問題，需要定期進(jìn)行補(bǔ)貼或重新覆膜。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，站臺(tái)屏蔽門與鋼軌之間不進(jìn)行等電位連接所擔(dān)心的電壓差問題，經(jīng)過理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，以及結(jié)合同行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，其影響是很小的并且可以通過在屏蔽門金屬框架上覆膜進(jìn)行絕緣處理的方式來解決。因此，站臺(tái)屏蔽門與鋼軌不進(jìn)行等電位連接是可行的，但須注意以下兩點(diǎn):

1)城市軌道交通供電系統(tǒng)配置軌道電位限制裝置是不進(jìn)行等電位連接的安全保障;

2)為避免柔性接觸網(wǎng)斷線后與站臺(tái)屏蔽門門體接觸產(chǎn)生安全隱患，應(yīng)將屏蔽門等同于電纜橋架看待，即將同一側(cè)屏蔽門金屬框架與電纜橋架等電位相連。

站臺(tái)屏蔽門與鋼軌不進(jìn)行等電位連接就不需要對(duì)站臺(tái)進(jìn)行絕緣處理。這不僅大幅地降低了建設(shè)成本，還節(jié)約了建設(shè)工期，也可以避免信號(hào)系統(tǒng)“紅光帶”故障和雜散電流對(duì)車站鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕及出現(xiàn)“打火”等問題，其意義是明顯的。

［1］CJ/T 236—2006城市軌道交通站臺(tái)屏蔽門［S］.

［2］王曉飛，張朝暉，李東，等.人體感知電流閾值與腦電圖特征的關(guān)聯(lián)研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào).2009，30(10):2186.

［3］杜宏民.地鐵屏蔽門絕緣安裝相關(guān)問題探討［J］.都市快軌交通，2012(1):78.

［4］王禹橋，李威，楊雪峰，等.對(duì)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.

［5］廣州市地下鐵道設(shè)計(jì)研究院.廣州地鐵2號(hào)線屏蔽門系統(tǒng)研究報(bào)告［R］.廣州:廣州市地下鐵道設(shè)計(jì)研究院，2009.