鋼軌電位限制器新型控制方式研究

王凱建 韓連祥

(北京城建設計研究總院有限責任公司 北京 100037)

隨著城市軌道交通技術的發展及以人為本的建設理念，人身安全防護問題越來越受到重視。根據IEC規 范 IEC62128—1—2003 Railwayapplication—fixed installations part 1:protective provisions relating to electrical safety and earthing及我國 GB 50157—2003《地鐵設計規范》的要求，近十幾年新建的城市軌道交通項目均在車站設置了鋼軌電位限制器，用以限制走行軌對地電位的異常升高，避免人身受到電擊傷害。近些年的實際運行表明，鋼軌電位限制器在運行過程中尚存在一些問題。下面將針對運行中出現的問題，從設計的角度給出建議的解決措施，供業內人士在今后的設計及建設中參考。

1 鋼軌電位限制器的功能及原理

車站鋼軌電位限制器的功能，是為了防止乘客在上下車時由于其他列車的運行，使鋼軌對地電位過高或其他異常電位對人身造成電擊傷害。鋼軌電位限制器通過持續地檢測鋼軌對地電位，以兩者電位差(即電壓值)作為鋼軌電位限制器的動作條件。當鋼軌對地電位超過設定的電壓值時，鋼軌_電位限制器通過接觸器或晶閘管將鋼軌與地短接起來，以降低鋼軌對地電位，保障乘客安全。

根據設定電壓值的不同，鋼軌電位限制器分為三段保護，其中一段、二段保護利用接觸器閉合實現接地，三段保護利用晶閘管的快速動作特性，首先閉合實現接地，待接觸器閉合后，晶閘管退出，其動作原理見圖1。

圖1 鋼軌電位限制器的動作流程

2 鋼軌電位限制器在運行中存在的問題

筆者對國內外部分城市軌道交通線路中設置的鋼軌電位限制器運行情況進行了調研。調研結果表明，大部分線路經常性地出現鋼軌對地電位超過設定值的情況，而且與列車是否在車站無直接關系，并引起鋼軌電位限制器頻繁通斷甚至閉鎖在接地狀態。

2.1 問題的原因

1)鋼軌對地絕緣不好，存在一點或者多點接地情況，從而導致零點漂移而引起縱向電位升高。

2)牽引變電所間距設置過大，主要體現在區間過長，或者區間存在長大坡段，列車持續取流，鋼軌對地電位增加。

3)鋼軌電位限制器設定值偏小。

2.2 造成的影響

1)由于鋼軌通過鋼軌電位限制器與地進行頻繁或長時的短接，將會造成雜散電流泄漏量增大，加快對結構鋼筋及周圍金屬管線的腐蝕。

2)鋼軌電位限制器的接觸器頻繁通斷，嚴重時每天每臺鋼軌電位限制器動作數百次，會大大縮短接觸器的使用壽命，并增加維護的工作量。

3)由于鋼軌電位限制器的動作信號會上傳至控制中心的電力調度，頻繁地報警、通斷及閉鎖信號將會給調度人員帶來一定的煩擾。

3 存在問題的解決措施

針對鋼軌電位限制器在運行過程中存在的問題，在保證裝置功能的前提下提出解決措施，以盡量減少鋼軌電位限制器的動作次數及接地時間。解決措施共包括兩部分內容，一種是常規措施，一種是新型的控制方式。

3.1 常規控制措施

1)加強對鋼軌的監測，對絕緣破壞的位置清潔道床，并更換軌道扣件絕緣墊和道釘的絕緣套管。

2)合理設置牽引變電所的間距，對于存在長大坡度的區間，適當縮小牽引變電所的間距，以保證鋼軌對地電位小于等于規范的規定值。

3)參照IEC標準，將鋼軌電位限制器的一段動作值由目前的90 V調整為120 V。

4)已經建成的地鐵線路由于牽引變電所設置的位置不盡合理，從而產生了鋼軌對地電位超標，引起了鋼軌電位限制器經常閉合或者閉鎖。可以采取在長大區間走行軌并聯直流電纜的措施，降低走行軌的單位電阻。

5)設置鋼軌電位限制器閉鎖后的遠方復歸功能，以減少接地時間。

3.2 新型控制方式

3.2.1 引入新方式的可行性

在地鐵線路投入運營后，列車行走線路屬于封閉區域，尤其在設置了屏蔽門后更是如此。在列車未進站時，站內乘客無法接觸走行軌和列車，而車內乘客處于一個等電位環境。此時，走行軌的電位高低對乘客沒有影響。只有當列車進站停車、乘客開始上下車時，乘客才會通過列車和走行軌發生聯系。因此，將列車的進/出站信號引入鋼軌電位限制器的保護作為判定條件，是不會對鋼軌電位限制器的功能帶來影響的。

3.2.2 新型控制方式的原理

走行軌上的電位檢測一直在工作狀態中，此時將列車的進/出站信號引入鋼軌電位限值器的保護動作判定條件中，即列車停站作為鋼軌電位限制器動作的另一個基本條件。如果達到電壓檢測的設定值，再判定列車的停靠信號:如果兩者均滿足條件，鋼軌電位限制器方能動作;其中一個條件不滿足或兩個條件均不滿足時，裝置不動作。這種新型控制方式的動作流程如圖2所示。

圖2 鋼軌電位限制器采用新型控制方式的動作流程

3.2.3 新型控制方式的接線及定值整定

引入新型的控制方式后，鋼軌電位限制器邏輯判斷部分的接線原理如圖3所示。上、下行列車的進站信號分別為常開干接點信號KS2、KS1，離站信號分別為常閉干接點信號KS4、KS3。這4個接點信號可以直接由信號系統提供，也可以由屏蔽門系統轉發。由于是信號系統單向提供的信號，鋼軌電位限制器的運行及動作不會反饋給信號系統，因此不會對信號系統造成任何影響。經邏輯判斷后，將轉換后的信號KA1、KA2引入合閘回路。同時，合閘回路設置轉換開關，當轉換開關位于“投入聯鎖”的位置時，即引入上、下行列車的進出站信號;當轉換開關位于“取消聯鎖”的位置時，即取消列車進出站信號的判定;當轉換開關位于“空位”時，裝置退出。

圖3 鋼軌電位限制器邏輯判斷部分的接線原理

在引入列車停站信號后，鋼軌電位限值器的保護動作情況如下:

1)一段保護:列車進出站信號+鋼軌與地之間的電壓差大于120 V(一段動作電壓)，兩個條件都滿足時，一段保護動作，接觸器合閘，經一定時間恢復開斷。當連續動作3次后，接觸器將不再恢復開斷，而保持在閉合狀態。

2)二段保護:列車停站信號+鋼軌與保護地之間的電壓差大于150 V(二段動作電壓)，兩個條件都滿足時，接觸器保持閉合，不再恢復開斷。

3)三段保護:鋼軌與保護地之間的電壓差大于600 V(三段動作電壓)時，晶閘管回路首先在約0.2 ms內導通，使鋼軌與地短接，然后啟動接觸器合閘并保持在閉合狀態。接觸器合閘后，晶閘管回路立即斷開。

4 結語

鋼軌電位限制器采取新型控制方式，在保證乘客上下車的人身安全的基礎上，增加了列車進/出站信號作為鋼軌電位限制器的動作條件，將避免列車在運行過程中鋼軌電位限制器的誤動作，減少由于鋼軌電位限制器動作而造成的雜散電流腐蝕，有利于降低對正常運營的干擾。

［1］GB 50157—2003地鐵設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003:99-116.

［2］IEC 62128—1—2003 Railway application—fixed installations part 1:protective provisions relating to electrical safety and earthing［S］.Geniva，2003:121-123.

［3］GB 50490—2009.城市軌道交通技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2009:21-22.

［4］北京城建設計研究總院.青島地鐵3號線供電系統投標文件［G］.2009:122-123.

［5］長江電器.北京地鐵10號線及奧運支線750VDC鋼軌電位柜［G］.北京，2007:7-14.

［6］王禹橋.對地鐵軌道電位異常升高的研究［J］.城市軌道交通研究，2009(8):35-38.

［7］王珩.地鐵屏蔽門系統的絕緣與接地［J］.城市軌道交通研究，2001(4):77-79.