地鐵道岔電火花故障分析

（廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361000）

0 前言

國內(nèi)大部分地鐵線路采用直流1 500 V 為地鐵列車提供牽引供電，大多數(shù)工程利用走行軌兼作回流網(wǎng)，直流供電方式必然會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的牽引電流流經(jīng)回流鋼軌，鋼軌對(duì)地的雜散電流長(zhǎng)期存在，雖然采用了迷流回收裝置，但雜散電流的泄漏仍然是一個(gè)普遍性的問題。信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50157—2013）“第17 章 信號(hào)17.7.6 第3 條“信號(hào)室外設(shè)備應(yīng)通過線纜接地”的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)計(jì)了安全地線。

牽引回流鋼軌與道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)地線之間形成地位差，牽引回流在信號(hào)系統(tǒng)道岔絕緣處，常常發(fā)生擊穿、燒灼掉道岔絕緣，產(chǎn)生電火花現(xiàn)象，從地鐵開通以來，北京、上海、廣州、深圳、南京等地鐵線路都多次發(fā)生道岔電火花故障，道岔產(chǎn)生電火花的原因與處理措施也各不相同，仍未從根本上解決電火花隱患。針對(duì)這一問題，還需要找到出現(xiàn)問題的根本原因，并對(duì)問題采取合理的措施，既保證安全又消除隱患[1]。

1 分析道岔故障

廈門地鐵1 號(hào)線開通1 年多以來，共發(fā)生了8 起道岔電火花故障，其中燒斷轉(zhuǎn)轍機(jī)與電纜盒連接電纜1 起，影響道岔使用135 min，其他故障未對(duì)行車造成影響，卻存在明顯燒灼現(xiàn)象，給設(shè)備及行車組織都造成了一定影響，道岔角鋼燒絕緣故障6 起。

2 道岔產(chǎn)生電火花原因分析

2.1 道岔角鋼絕緣性能因素分析

絕緣部件自身絕緣良好：道岔角鋼絕緣包括絕緣墊板、絕緣套管、絕緣墊片，根據(jù)西安通號(hào)鐵路信號(hào)產(chǎn)品檢測(cè)站有限公司提供的檢測(cè)報(bào)告，該型號(hào)絕緣板產(chǎn)品表面色澤、結(jié)構(gòu)氣泡、裂紋、缺料、腫脹、變形、擦傷、毛刺、絕緣電阻、絕絕耐壓均符合要求，在直流500 V 下的絕緣電阻大于500 MΩ，在50 Hz/2400 V 的耐壓測(cè)試中也符合要求，因此絕緣件本身的絕緣性能良好，且滿足耐壓要求，見表1。

產(chǎn)生電火花的道岔角鋼絕緣組件安裝后現(xiàn)場(chǎng)絕緣值，見表1。

表1 產(chǎn)生電火花道岔角鋼安裝絕緣測(cè)試值

產(chǎn)生電火花綜上分析道岔角鋼絕緣單體性能良好，雖然絕緣組件絕緣不良與安裝后的絕緣性能不良為道岔產(chǎn)生電火花的一種原因，但非主要因素。

2.2 道岔角鋼絕緣環(huán)境因素分析

對(duì)發(fā)生電火花道岔周圍環(huán)境進(jìn)行檢查，結(jié)果見表2。

表2 產(chǎn)生電火花道岔安裝環(huán)境檢查表

產(chǎn)生電火花針對(duì)產(chǎn)生電火花的道岔周圍是否積水、積塵與潮濕進(jìn)行排查與分析，全線存在道岔基坑積水的道岔19 處，發(fā)生電火花故障的道岔并非基坑積水最嚴(yán)重的道岔，其中2 組為基坑不積水，無明顯的潮濕與積塵現(xiàn)象，因此認(rèn)為道岔周圍環(huán)境的積水、積塵與潮濕存在一定產(chǎn)生電火花的風(fēng)險(xiǎn)，但非主要因素。

2.3 供電牽引回流不暢因素分析

首先可以明確道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)處產(chǎn)生電火花的主要能量來自于機(jī)車回流電流。這樣就需要分析直流牽引供電的結(jié)構(gòu)和回流特性。通常該系統(tǒng)的供電模式是通過環(huán)網(wǎng)電纜將35 kV交流高壓電輸送到牽引變電所內(nèi)，整流機(jī)組將其降壓整流成1 500/750 V 直流電。經(jīng)由直流開關(guān)柜、上網(wǎng)隔離開關(guān)向接觸網(wǎng)供電，機(jī)車從接觸網(wǎng)取電。機(jī)車回流電流經(jīng)由鋼軌到牽引所的負(fù)極母排。如圖1 所示，直流供電回路可以大概總結(jié)為：整流機(jī)組正極→直流開關(guān)、上網(wǎng)隔刀→接觸網(wǎng)→機(jī)車→回流軌（鋼軌）→回流電纜、負(fù)極隔刀→整流機(jī)組負(fù)極。

需要指出的是，為了減少雜散電流，地鐵直流牽引系統(tǒng)采用絕緣安裝。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《CJJ49—92》規(guī)定，對(duì)于新建線路不應(yīng)小于15Ω·km，對(duì)于運(yùn)行線路不應(yīng)小于3Ω·km。正因?yàn)椴捎媒^緣安裝，在理想的情況下回流電流均回流至變電所內(nèi)。但考慮到鋼軌非理想導(dǎo)體，本身存在一定的阻抗。同時(shí)鋼軌的絕緣墊也非理想絕緣材料，在回流電流通過鋼軌及雜散電流泄漏至道床過程中，會(huì)產(chǎn)生一定電壓等級(jí)的軌電位。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，道岔產(chǎn)生電火花時(shí)，軌電位裝置均未動(dòng)作（達(dá)到120 V 即動(dòng)作），說明軌道回流通路正常，最低時(shí)10.6 V，最高時(shí)63 V。

圖1 直流牽引供電回路

據(jù)此分析地鐵直流供電方式必然存在強(qiáng)大的牽引回流，產(chǎn)生軌電位，道岔電火花的產(chǎn)生是牽引回流擊穿道岔角鋼絕緣的結(jié)果，即使?fàn)恳亓黜槙钞a(chǎn)生很低的軌電位，仍然會(huì)產(chǎn)生道岔電火花，因而認(rèn)為牽引回流不暢不是電火花產(chǎn)生的主要因素[2]。

2.4 雜散電流因素分析

道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)是附著在鋼軌上的設(shè)備，轉(zhuǎn)轍機(jī)本身是由弱電驅(qū)動(dòng)的電機(jī)設(shè)備及信號(hào)設(shè)備，為了保證設(shè)備及人身安全，在轉(zhuǎn)轍機(jī)與尖軌連接處采用絕緣安裝。在絕緣正常時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)不會(huì)有電流流通。當(dāng)絕緣被破壞或失效時(shí)，部分回流電流就會(huì)通過轉(zhuǎn)轍機(jī)流入大地，產(chǎn)生電火花使道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)產(chǎn)生不同程度的燒傷，甚至?xí)斐稍O(shè)備損壞、危及人身安全。

可以采用集中參數(shù)模型等效電路來分析其原理，如圖2 所示。正常情況下，機(jī)車從接觸網(wǎng)取電流i1，鋼軌回流電流為i2。鋼軌與大地的絕緣狀況可以表述為等效過渡電阻R3，當(dāng)?shù)啦磙D(zhuǎn)轍機(jī)絕緣正常的情況下，其等效電阻可以歸算入R3 中，此時(shí)僅有少部分雜散電流i3 泄漏到大地，抬升軌電位。如果道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)與鋼軌之間的絕緣降低，回流電流中就會(huì)有部分電流i4流過轉(zhuǎn)轍機(jī)，在薄弱點(diǎn)產(chǎn)生放電打火現(xiàn)象。

地鐵直流供電的雜散電流是客觀存在的，道岔角鋼絕緣組件由3 個(gè)部件組合安裝，在安裝施工時(shí)，組件之間不可避免地都會(huì)存在一定的間隙，雜散電流通過角鋼絕緣組件之間的間隙薄弱點(diǎn)放電打火，是電火花產(chǎn)生的主要因素。

圖2 回流回路等效模型

3 措施及建議

避免道岔產(chǎn)生電火花的措施及建議有4 點(diǎn)。1）消除道岔角鋼絕緣組件之間的間隙，將分體式絕緣改為整體絕緣。2）斷開雜散電流回路，斷開轉(zhuǎn)轍機(jī)機(jī)殼接地連接。3）優(yōu)化牽引回流的路徑，確保牽引回流暢通，適當(dāng)調(diào)低軌電位動(dòng)作電壓。4）提升絕緣性能，在進(jìn)行分體式絕緣安裝時(shí)要減小絕緣件之間的間隙，保持清潔干燥的環(huán)境。

針對(duì)該情況，筆者了解的全國部分同行業(yè)運(yùn)營(yíng)地鐵道岔打火問題的處理措施，主要包括2 種。第一種是拆除轉(zhuǎn)轍機(jī)地線，第二種是改造為整體絕緣，具體情況見表3。

表3 其他地鐵道岔絕緣及接地方式調(diào)研表

4 結(jié)論

當(dāng)列車占用道岔所在區(qū)域附近時(shí)，牽引電流通過列車經(jīng)鋼軌回流至供電負(fù)極柜，鋼軌中存在強(qiáng)大的牽引回流。同時(shí)，因?yàn)樨?fù)極柜與道岔角鋼的綜合接地存在一定的電位差（即軌電位），且道岔角鋼絕緣組件由3 個(gè)部件組合安裝，絕緣組件之間存在一定間隙，所以雜散電流會(huì)通過角鋼絕緣組件之間的間隙薄弱點(diǎn)放電電火花。