地铁安全门柔性接触网等电位设计探讨

黄育良

0 引言

列车进站时，轨道和列车车体的对地电压会升至90～130 V。乘客在上下车过程中，可能存在跨步电压的风险。目前地上或高架车站一般安装全高安全门或半高安全门，而接触网一般则采用柔性接触网；也有少量的地下车站采用柔性接触网。由于柔性接触网有掉落的风险，有可能掉落后搭接在安全门上，在接触瞬间，电流可高达数十千安的电流。

目前对于采用柔性接触网的车站，一般会在站台边缘至站台2m处采用大理石（或绝缘地板）绝缘并且轨道本身绝缘。轨道作为回流轨，且设有“钢轨电位限制装置”，使其电压最高值一般最大为90 V。安全门与钢轨进行单点等电位连接，见图1。

1 安全门等电位设计

1.1 等电位方式

对于门主体等电位，常用的有电缆连接或铜排连接2种方式。

对于活动门与门机主体等电位，常用的有碳刷和拖链挂等电位电缆2种方式。

对于固定门、地槛、应急门、立柱与主体的等电位，一般采用电缆或者镀锡铜编织带。

图1 安全门绝缘层设置示意图

图2为实际工程中等电位的连接设计示意图。

1.2 等电位设计原则

图2 安全门等电位连接示意图

采用柔性接触网的安全门系统等电位设计一般有以下2个设计指标。

（1）根据屏蔽门行业标准CJT 236-2006《城市轨道交通站台屏蔽门》，门体应保持有效的电气连接，其总电阻值小于等于0.4 Ω。

（2）当柔性接触网掉落并搭接在安全门门体上出现短路情况下，通过等电位电缆泄流，从而保证乘客和设备安全。

2 等电位电缆的计算

2.1 主干部分铜排（电缆）截面积计算

对于主干部分采用铜排（电缆）截面积的计算，主要考虑的是在柔性接触网搭接短路情况下的防护。

当检测到短路时，供电系统将断开断路器，当经过Ttot（总分断时间，s）后，电流消除。

设计原则为电缆的截面必须允许短路电流通过，此时铜导体不会熔化，电缆不能起火。

因此，设计等电位电缆时，需要考虑在最大电流通过时，导体不会起火的最小导体截面积。

而最恶劣的情况就是接触网与运行轨间阻抗为零，此时电流为最大。因此，我们可以在设计时假设接触网与运行轨之间的短路电路阻抗为零。

2.1.1 短路电流表达式

变电站等效电路如图3所示。

流过图3线路的短路电流如下：

图3 变电站等效电路

式（1）、（2）中： Iss为短路电流；U为接触网电压，1 500 V；Rss为变电站等效电阻；Lss为变电站等效电感；τ为电路时间常数。

2.1.2 总分断时间的确定

总分断时间Ttot是指过电流释放与短路电流取消之间的时间，其电流I、电压U、时间t特性见图4，其中：Iss为短路电流，I^ss为短路电流峰值，Id为脱扣电流，I^d为最大分断电流，Ue为额定电压（DC1500V），U^arc为峰值电压，tm为分闸时间，Ttot为总分断时间。

总分断时间是通过断路器参数及短路电流初始上升率估算的。

短路电流的上升率是通过短路电流公式得出的，此为在时间零点的最大值。最大的电流上升率为：

根据图3，代入式（3）

根据2.73 MA/s，由图5可以查找出总分断时间约在15～35 ms范围之内。

当短路时，回路中流过的最大短路电流取决于：①未分断时的最大短路电流；②输入电压；③短路电流初始上升率。

图4 断路器短路电流及电压特性曲线图

如果按照最大短路电流为120 kA、输入电压为1 500 V，由短路电流Iss初始上升率2.73 MA/s，可根据图6中的曲线②，得到最大分断电流I^d约为40 kA。

忽略其他能量损耗，假设所有电量都消耗在电缆的发热上，在dt持续过程中，电缆内部温度变量dθ如下式计算：

式（4）中：ρ为铜电阻率；C为在固体状态时铜热容量，390 J/kg·K；D为铜密度，8 900 kg/m3；S为电缆截面。

图5 基于电流上升率的总分断时间

图6 基于电流初始上升率的最大分断电流

为了确保到电流消失为止所有电流流过，电缆截面S必须足够大，所以：

式（5）中：θnc为当短路电流消失时，电缆内铜导体温度；θN为正常温度，300 K。

因此，截面积S必须满足：

θnc最大不能超过无火灾时电缆支持温度θF，570 K。对于给出的温度θ，

式（7）中：ρN：为在正常温度（30℃）下的铜电阻率，17×10-9Ω·m；δρ为铜电阻系数温度变化，6.68×10-11Ω·m/K。

假如在0与Ttot之间，ρ是一个常量，可接受的温度最大值θ= θF(保守计算)，由如下计算：

如果电流从时间0至Td成线性由0升至Ib，然后在Td与Ttot之间成线性下降，那么

简化后得：

假设分断时间为30 ms，故障电流80 kA，则可以推算出等电位电缆最小截面积为50 mm2。实际工程一般采用150 mm2。

2.2 支路部分等电位连接计算

对于在安全门后部，可能被掉落接触网搭接的部分，均需要按短路电流保护的要求设计其截面。

对于不会被接触网搭接的部分，则只需要根据不大于0.4 Ω设计即可。

3 结语

综上所述，安全门在柔性接触网的线路情况下，由于有被掉落的接触网搭接的风险，因此，需要按照其短路电流设计等电位铜排（电缆）截面。而从安全门的跨步电压考虑，站台必须做好绝缘带的防护。该方案的缺陷在于，目前实际工程中站台上的部件偶尔会与安全门接触，从而导致打火现象。因此，施工过程中，还需要严格控制站台部件与安全门间的爬电距离。

[1] 叶宏，凌人. 屏蔽门门体绝缘及站台绝缘的探讨[J]. 现代城市轨道交通，2012(6).

[2] 张奇. 屏蔽门系统与钢轨等电位连接是否必要之初探[J]. 建筑知识：学术刊，2011(4).

[3] 孙增田，程强，李华. 屏蔽门接轨保护及绝缘保护必要性分析[J]. 城市轨道交通研究，2006(7).

[4] CJT236-2006 城市轨道交通站台屏蔽门[S].