站台屏蔽门与钢轨不等电位连接的可行性分析

2014-03-17王文波林小杰

城市轨道交通研究 2014年6期

王文波林小杰

(天津滨海快速交通发展有限公司运营维修部，300451，天津∥第一作者，工程师)

城市轨道交通所使用的站台屏蔽门按照其安装高度不同可以分为全高屏蔽门和半高屏蔽门，其中半高屏蔽门又称为安全门。天津市津滨轻轨分为地上段和地下段，其中地下段(天津站至东兴路站)安装站台全高屏蔽门，地上段(中山门站至东海路站)安装站台安全门。

目前，受城市轨道交通客流量迅速攀升的影响，站台屏蔽门系统已经成为新建线路的首选，一些没有安装站台屏蔽门的既有线路车站也正在实施或准备加装站台屏蔽门。但如何解决站台绝缘下降和屏蔽门与钢轨是否应该进行等电位连接一直是个受争论的问题，困扰着设计、施工、建设以及运营维护单位。津滨轻轨线地上段车站于2004年正式投入运营，站台安全门的安装施工于2011年11月结束并投入使用;地下段站台屏蔽门随车站一起建成并于2011年5月投入使用。考虑到一般情况下站台绝缘无法满足要求的实际情况，站台屏蔽门(含安全门)和钢轨之间均未进行等电位连接。

1 站台屏蔽门与钢轨进行等电位连接问题的由来

目前国内站台屏蔽门安装过程中，由于屏蔽门与钢轨之间均按进行等电位连接考虑，因此需在站台屏蔽门站台侧一定范围内(一般0.9～1.5 m)的地面进行绝缘处理。

站台进行绝缘处理不仅施工工艺复杂、工期长、增加建设成本，而且受尘土、潮气以及车站清洁工作等因素影响，绝缘无法保证。以津滨轻轨站台安全门为例，在投用之初对站台绝缘进行检测的结果如表1所示。

表1 津滨轻轨线站台绝缘电阻检测结果

施工过程中对单个门体进行测量，绝缘值均在5 MΩ以上。但整侧站台安全门门体通过等电位线连接后，在环境干燥且将门体和大理石擦拭干净的情况下，测量值均能满足0.5 MΩ的要求;潮湿环境下大部分车站不能达到CJ/T 236—2006《城市轨道交通站台屏蔽门》的有关规定，即“门体与车站结构之间的绝缘电阻大于等于0.5 MΩ”的要求。

站台进行绝缘处理不仅费时费力，而且绝缘效果无法保证，一旦绝缘下降也没有很好的恢复办法。由目前国内站台屏蔽门绝缘情况的现状引出本文所要探讨的问题，即站台屏蔽门与钢轨间不进行等电位连接是否可行。

2 站台屏蔽门与钢轨进行等电位连接的原因和存在的问题

站台屏蔽门与钢轨进行等电位连接就是将站台屏蔽门金属部分与钢轨通过电缆进行连接，使钢轨与站台屏蔽门金属框架部分处于相同的电位。

2.1 站台屏蔽门与钢轨进行等电位连接的原因

站台屏蔽门与钢轨进行等电位连接主要是为了避免因轨道电位升高、屏蔽门电气回路故障等原因导致钢轨与屏蔽门金属框架间出现电位差，而使上下车的乘客触电。虽然乘客皮肤同时接触屏蔽门和车辆金属裸露部分的概率很低，但作为安全隐患，仍需高度重视。

将站台屏蔽门与钢轨进行等电位连接后不仅可以消除两者之间的电位差，确保乘客安全，而且在柔性接触网出现断线故障接触到屏蔽门体时可以快速、可靠地跳闸断电。

2.2 存在的问题

在进行等电位连接情况下，站台绝缘不良(站台绝缘下降到一定程度时)会引发以下问题:

1)信号系统“红光带”问题:正常情况下，当轨道被列车占用时，采用轨道电路的城市轨道交通信号系统会将该段轨道电路在控制显示终端显示为“红色”，以表示该段轨道被“占用”。由于等电位连接后轨道与站台连为一体，如果站台绝缘无法满足轨道电路对地的绝缘要求，该段轨道即使在没有列车占用的情况下也将显示为“红色”，造成对行车指挥体系的干扰。

2)杂散电流腐蚀问题:如果站台绝缘不良，等电位连接将钢轨上的杂散电流引入到车站金属结构中，造成对金属部件的腐蚀。

3)站台上金属连接部件会出现“打火”现象:站台绝缘不良，钢轨上的杂散电流通过等电位连接线被引入站台，在站台金属连接部件出现打火现象。这在采用等电位连接的各条运营线路上都是个普遍的现象。

如果站台经过绝缘处理并能一直保持良好状态，那么屏蔽门与钢轨之间进行等电位连接是非常有必要的。但是，纵观国内城市轨道交通行业，经过绝缘处理的站台在投入使用后绝缘不良是个共性的问题，至今也没有很好的解决办法。

3 不进行等电位连接的可行性分析

站台屏蔽门与钢轨之间不进行等电位连接是否可行的关键，是需要分析屏蔽门电气回路故障、轨道电位抬升两种情况下，屏蔽门与钢轨之间的电压差是否会使乘客发生触电事故。

3.1 站台屏蔽门电气回路故障

站台屏蔽门电气回路主要有驱动回路和控制回路。控制回路为DC 5 V电压，驱动回路因电机型号不同有DC 85 V、DC 110 V及AC 220 V、AC 380 V等几种。

DC 85 V、DC 110 V回路设计有绝缘监测模块，可实时监测驱动回路并对控制回路绝缘情况进行检测，发现绝缘下降将会进行声光报警;同时，带有漏电保护装置的开关也可以保护人身安全。

使用DC 85 V或DC 110 V驱动电机的屏蔽门电源柜均设计有隔离变压器，可以实现屏蔽门电源回路与市域电网间的电气隔离，并实现“不共地”，即使出现直流输出回路一点或多点对外壳短路故障，由于“不共地”而不形成电流通路，也可以避免出现人身触电事故。

AC 220 V、AC 380 V电机在各行业中使用广泛，保护措施可靠，在此不一一赘述。

因此，屏蔽门电气回路故障不会导致乘客出现触电事故。

3.2 轨道电位升高

人体出现触电感觉是因为电流流过人体出现电流效应，主要包括感知、反应、电灼伤和心室纤颤。人体感知电流的阀值与人体的自身情况(如人体皮肤的接触电压、接触面积、接触压力、皮肤类型等)和环境温、湿度，电流流过人体的时间、频率、波形及路径等诸多因素有关［2］。因为人体感知电流程度的不确定性，国际通用的DC 36 V就成为判断屏蔽门与钢轨之间电压差是否安全的重要依据。

3.2.1 故障情况下的轨道电位变化

经过多年运行经验总结，导致轨道电位瞬间升高至36 V以上的故障如下:

1)接触网(或第三轨)对钢轨、对地或架空地线发生短路故障;

2)直流供电系统发生框架泄露故障;

3)牵引变电所整流变压器二次侧交流系统发生单相接地故障。

考虑上述故障时，可以将站台屏蔽门等同于列车本体而纳入到城市轨道交通直流供电系统的保护范围，而不需单独考虑。即使直流供电系统保护装置失灵，由于轨道电位限制装置的存在也会瞬间使钢轨与大地相连。

3.2.2 正常情况下轨道电位的变化分析

正常情况下，轨道电位升高是由于钢轨中的回流电流引起的，如图1所示。

图1 按照双边供电建立的供电原理示意图

可根据基尔霍夫第一定律推导出任一点轨道电位公式如下:

式中:

u(x)——轨道上任一点的轨道电位;

I1——变电所A的供电电流;

I2——变电所B的供电电流;

L1——列车中心距离变电所A的距离;

L——两变电所之间的距离。

从上式可以看出，轨道电位高低和整流器位置、馈电区段长度、负荷分担状态、负荷电流、回流线电阻、轨道电流及钢轨对地电阻等有关。一般情况下，轨道对地电位差最大不超过60 V［4］。

为验证正常情况下轨道电位的变化情况，分别在津滨轻轨线选取岛式站台(新立镇站)、侧式站台(胡家园站)、露天式站台(市民广场站)和地下站台(大直沽站)进行站台屏蔽门和钢轨之间的电位差测量。经过对上述4个车站全天候共计292次测量结果显示，除新立镇站有16次电位差测量结果高于36 V外，其他均低于36 V，尤其是大直沽站作为地下车站更是普遍低于10 V。新立镇站的测量结果普遍偏高，但最高值也不超过60 V(见表2)。

表2 新立镇站站台屏蔽门与钢轨间电压测量结果表

经查，新立镇与临近的东丽站距离较近，为1.98 km，由于该站处于高架上坡区段，因此下行线路进站和出站分别有12.9‰和25‰的坡度。该站情况类似两段楼梯间的“平台”，列车爬坡进站和爬坡出站需要的牵引电流大，因此，轨道电位也会相应升高。在北京地铁，目前大部分线路没有设置站台屏蔽门与钢轨的等电位线，也尚未有乘客对此感到不适的情况报告［3］。广州地铁1号线、3号线列车运行时对钢轨的检测数据也显示了钢轨对地电位小于36 V［5］。

经理论分析、现场实际测量并结合同行业的经验，站台屏蔽门与钢轨之间不进行等电位连接，虽然在理论上存在安全隐患，但考虑60 V左右的电压对人体的实际伤害很小且不具备长时间密切接触的可能，故实际风险是很低的。为彻底消除60 V电压可能带来的安全隐患，可采用将屏蔽门金属框架进行覆膜绝缘处理的方式来解决。

3.2.3 采用覆膜绝缘处理的优缺点分析

在已投入使用的站台进行绝缘修复工作，实际上是不可能的，故只能采取弥补措施。考虑可实施性和简易性，采用在站台屏蔽门附近加铺绝缘垫和对屏蔽门金属框架进行覆膜绝缘处理都是不错的选择。但加铺绝缘垫存在磕绊上下车乘客、受雨水潮气等影响会使绝缘下降，以及无法解决钢轨与屏蔽门金属框架之间电压差的问题，因此，对屏蔽门金属框架进行覆膜绝缘处理具有效果好、实施简便、成本低等明显优势。

但是，覆膜绝缘处理也存在不足，即长时间使用后会存在边角翘起、起泡等问题，需要定期进行补贴或重新覆膜。