地铁道岔电火花故障分析

（厦门轨道交通集团有限公司，福建 厦门 361000）

0 前言

国内大部分地铁线路采用直流1 500 V 为地铁列车提供牵引供电，大多数工程利用走行轨兼作回流网，直流供电方式必然会产生强大的牵引电流流经回流钢轨，钢轨对地的杂散电流长期存在，虽然采用了迷流回收装置，但杂散电流的泄漏仍然是一个普遍性的问题。信号系统根据《地铁设计规范》（GB 50157—2013）“第17 章 信号17.7.6 第3 条“信号室外设备应通过线缆接地”的设计要求进行设计，道岔转辙机设计了安全地线。

牵引回流钢轨与道岔转辙机地线之间形成地位差，牵引回流在信号系统道岔绝缘处，常常发生击穿、烧灼掉道岔绝缘，产生电火花现象，从地铁开通以来，北京、上海、广州、深圳、南京等地铁线路都多次发生道岔电火花故障，道岔产生电火花的原因与处理措施也各不相同，仍未从根本上解决电火花隐患。针对这一问题，还需要找到出现问题的根本原因，并对问题采取合理的措施，既保证安全又消除隐患[1]。

1 分析道岔故障

厦门地铁1 号线开通1 年多以来，共发生了8 起道岔电火花故障，其中烧断转辙机与电缆盒连接电缆1 起，影响道岔使用135 min，其他故障未对行车造成影响，却存在明显烧灼现象，给设备及行车组织都造成了一定影响，道岔角钢烧绝缘故障6 起。

2 道岔产生电火花原因分析

2.1 道岔角钢绝缘性能因素分析

绝缘部件自身绝缘良好：道岔角钢绝缘包括绝缘垫板、绝缘套管、绝缘垫片，根据西安通号铁路信号产品检测站有限公司提供的检测报告，该型号绝缘板产品表面色泽、结构气泡、裂纹、缺料、肿胀、变形、擦伤、毛刺、绝缘电阻、绝绝耐压均符合要求，在直流500 V 下的绝缘电阻大于500 MΩ，在50 Hz/2400 V 的耐压测试中也符合要求，因此绝缘件本身的绝缘性能良好，且满足耐压要求，见表1。

产生电火花的道岔角钢绝缘组件安装后现场绝缘值，见表1。

表1 产生电火花道岔角钢安装绝缘测试值

产生电火花综上分析道岔角钢绝缘单体性能良好，虽然绝缘组件绝缘不良与安装后的绝缘性能不良为道岔产生电火花的一种原因，但非主要因素。

2.2 道岔角钢绝缘环境因素分析

对发生电火花道岔周围环境进行检查，结果见表2。

表2 产生电火花道岔安装环境检查表

产生电火花针对产生电火花的道岔周围是否积水、积尘与潮湿进行排查与分析，全线存在道岔基坑积水的道岔19 处，发生电火花故障的道岔并非基坑积水最严重的道岔，其中2 组为基坑不积水，无明显的潮湿与积尘现象，因此认为道岔周围环境的积水、积尘与潮湿存在一定产生电火花的风险，但非主要因素。

2.3 供电牵引回流不畅因素分析

首先可以明确道岔转辙机处产生电火花的主要能量来自于机车回流电流。这样就需要分析直流牵引供电的结构和回流特性。通常该系统的供电模式是通过环网电缆将35 kV交流高压电输送到牵引变电所内，整流机组将其降压整流成1 500/750 V 直流电。经由直流开关柜、上网隔离开关向接触网供电，机车从接触网取电。机车回流电流经由钢轨到牵引所的负极母排。如图1 所示，直流供电回路可以大概总结为：整流机组正极→直流开关、上网隔刀→接触网→机车→回流轨（钢轨）→回流电缆、负极隔刀→整流机组负极。

需要指出的是，为了减少杂散电流，地铁直流牵引系统采用绝缘安装。根据行业标准《CJJ49—92》规定，对于新建线路不应小于15Ω·km，对于运行线路不应小于3Ω·km。正因为采用绝缘安装，在理想的情况下回流电流均回流至变电所内。但考虑到钢轨非理想导体，本身存在一定的阻抗。同时钢轨的绝缘垫也非理想绝缘材料，在回流电流通过钢轨及杂散电流泄漏至道床过程中，会产生一定电压等级的轨电位。经实际测量，道岔产生电火花时，轨电位装置均未动作（达到120 V 即动作），说明轨道回流通路正常，最低时10.6 V，最高时63 V。

图1 直流牵引供电回路

据此分析地铁直流供电方式必然存在强大的牵引回流，产生轨电位，道岔电火花的产生是牵引回流击穿道岔角钢绝缘的结果，即使牵引回流顺畅产生很低的轨电位，仍然会产生道岔电火花，因而认为牵引回流不畅不是电火花产生的主要因素[2]。

2.4 杂散电流因素分析

道岔转辙机是附着在钢轨上的设备，转辙机本身是由弱电驱动的电机设备及信号设备，为了保证设备及人身安全，在转辙机与尖轨连接处采用绝缘安装。在绝缘正常时，转辙机不会有电流流通。当绝缘被破坏或失效时，部分回流电流就会通过转辙机流入大地，产生电火花使道岔转辙机产生不同程度的烧伤，甚至会造成设备损坏、危及人身安全。

可以采用集中参数模型等效电路来分析其原理，如图2 所示。正常情况下，机车从接触网取电流i1，钢轨回流电流为i2。钢轨与大地的绝缘状况可以表述为等效过渡电阻R3，当道岔转辙机绝缘正常的情况下，其等效电阻可以归算入R3 中，此时仅有少部分杂散电流i3 泄漏到大地，抬升轨电位。如果道岔转辙机与钢轨之间的绝缘降低，回流电流中就会有部分电流i4流过转辙机，在薄弱点产生放电打火现象。

地铁直流供电的杂散电流是客观存在的，道岔角钢绝缘组件由3 个部件组合安装，在安装施工时，组件之间不可避免地都会存在一定的间隙，杂散电流通过角钢绝缘组件之间的间隙薄弱点放电打火，是电火花产生的主要因素。

图2 回流回路等效模型

3 措施及建议

避免道岔产生电火花的措施及建议有4 点。1）消除道岔角钢绝缘组件之间的间隙，将分体式绝缘改为整体绝缘。2）断开杂散电流回路，断开转辙机机壳接地连接。3）优化牵引回流的路径，确保牵引回流畅通，适当调低轨电位动作电压。4）提升绝缘性能，在进行分体式绝缘安装时要减小绝缘件之间的间隙，保持清洁干燥的环境。

针对该情况，笔者了解的全国部分同行业运营地铁道岔打火问题的处理措施，主要包括2 种。第一种是拆除转辙机地线，第二种是改造为整体绝缘，具体情况见表3。

表3 其他地铁道岔绝缘及接地方式调研表

4 结论

当列车占用道岔所在区域附近时，牵引电流通过列车经钢轨回流至供电负极柜，钢轨中存在强大的牵引回流。同时，因为负极柜与道岔角钢的综合接地存在一定的电位差（即轨电位），且道岔角钢绝缘组件由3 个部件组合安装，绝缘组件之间存在一定间隙，所以杂散电流会通过角钢绝缘组件之间的间隙薄弱点放电电火花。