地鐵站臺(tái)屏蔽門(mén)等電位智能導(dǎo)通裝置的研發(fā)構(gòu)想

陳 輝 劉 啟 劉 懿

（成都地鐵有限公司運(yùn)營(yíng)公司，610031，成都∥第一作者，高級(jí)工程師）

受施工工藝水平限制，目前站臺(tái)屏蔽門(mén)系統(tǒng)的裝修絕緣普遍難以滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)要求。行業(yè)內(nèi)對(duì)站臺(tái)屏蔽門(mén)絕緣不良帶來(lái)的等電位線應(yīng)不應(yīng)該接的問(wèn)題也爭(zhēng)議較多。在絕緣不良情況下，等電位線的連接將會(huì)造成屏蔽門(mén)通過(guò)絕緣薄弱處進(jìn)行電流漏泄，并產(chǎn)生打火現(xiàn)象。這一方面會(huì)造成火災(zāi)隱患，另一方面會(huì)產(chǎn)生大量的雜散電流進(jìn)入車(chē)站，從而長(zhǎng)期產(chǎn)生電腐蝕，將會(huì)對(duì)相關(guān)建筑及設(shè)備設(shè)施壽命帶來(lái)影響。

成都地鐵1號(hào)線開(kāi)通以來(lái)，已多次發(fā)生站臺(tái)屏蔽門(mén)打火現(xiàn)象。針對(duì)上述問(wèn)題，地鐵公司已多次召開(kāi)行業(yè)內(nèi)專(zhuān)家分析研討會(huì)，有兩種意見(jiàn)：一是保持站臺(tái)屏蔽門(mén)與鋼軌的等電位線連接；二是干脆不接等電位線，采用屏蔽門(mén)增加絕緣膜的方案以防止乘客觸摸形成電壓差。保持等電位線連接無(wú)法解決打火問(wèn)題，但完全不接等電位線僅依靠絕緣膜又經(jīng)常會(huì)因乘客原因造成絕緣膜破損，無(wú)論是采用哪種方案都存在一定的缺陷和風(fēng)險(xiǎn)。

為解決上述問(wèn)題，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，如果開(kāi)發(fā)一種智能導(dǎo)通裝置，在列車(chē)停穩(wěn)后保持站臺(tái)屏蔽門(mén)與鋼軌的等電位連接導(dǎo)通，車(chē)門(mén)關(guān)閉后斷開(kāi)站臺(tái)屏蔽門(mén)與鋼軌的連接，這樣就可以解決乘客安全和雜散電流腐蝕（或打火）問(wèn)題，同時(shí)又能對(duì)站臺(tái)屏蔽門(mén)絕緣情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，便于及時(shí)采取預(yù)防措施。

1 站臺(tái)屏蔽門(mén)等電位連接的原理及存在問(wèn)題

根據(jù)地鐵工程的規(guī)范要求，在鋼軌作為牽引回流通路時(shí)，站臺(tái)屏蔽門(mén)需要與站臺(tái)結(jié)構(gòu)及周邊設(shè)施實(shí)現(xiàn)絕緣安裝，絕緣電阻應(yīng)不小于0.5 MΩ，同時(shí)與鋼軌之間實(shí)現(xiàn)等電位連接。這主要是因?yàn)椋河捎阡撥壥腔亓鬈墸瑸楸苊庵绷麟娫磳?duì)結(jié)構(gòu)鋼筋、金屬管道的腐蝕，鋼軌需與地絕緣，因此鋼軌與地間存在電壓。若站臺(tái)屏蔽門(mén)不與鋼軌進(jìn)行等電位連接或站臺(tái)屏蔽門(mén)絕緣不夠時(shí)，當(dāng)列車(chē)停靠在站臺(tái)時(shí)，列車(chē)與站臺(tái)屏蔽門(mén)間將存在電壓，即軌地電位。若此電位超出人體能耐受的電壓，將危及旅客安全。其具體原理如圖1所示。

在實(shí)際的工程實(shí)施過(guò)程中，由于工期緊張、多工序交叉作業(yè)，站臺(tái)屏蔽門(mén)與站臺(tái)結(jié)構(gòu)及周邊設(shè)施實(shí)現(xiàn)絕緣安裝的難度很大。在運(yùn)營(yíng)后因站臺(tái)絕緣層進(jìn)水或其他破壞而導(dǎo)致絕緣下降的情況也經(jīng)常發(fā)生。

圖1 列車(chē)牽引回流與站臺(tái)屏蔽門(mén)間產(chǎn)生電壓差示意圖

由于鋼軌與站臺(tái)屏蔽門(mén)之間采用電纜形式實(shí)現(xiàn)了完全的等電位連接，在站臺(tái)屏蔽門(mén)的絕緣下降或者絕緣完全被破壞時(shí)，會(huì)有大量的牽引回流通過(guò)鋼軌進(jìn)入站臺(tái)屏蔽門(mén)，造成站臺(tái)屏蔽門(mén)之間或內(nèi)部出現(xiàn)打火、拉弧的現(xiàn)象，并可能引發(fā)火災(zāi)。

目前，成都地鐵1號(hào)線、2號(hào)線站臺(tái)屏蔽門(mén)自開(kāi)通以來(lái)已發(fā)生多次打火事件，故存在著潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

在對(duì)成都地鐵1號(hào)線火車(chē)北站站臺(tái)屏蔽門(mén)等電位連接線的電流實(shí)際測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)連接線有超過(guò)500 A的電流，一般情況下根據(jù)牽引回流的不同及站臺(tái)屏蔽門(mén)絕緣電阻的變化，有90～300 A 左右的電流進(jìn)入站臺(tái)屏蔽門(mén)，大致占牽引回流的10%以上。

因此，對(duì)站臺(tái)屏蔽門(mén)等電位連接進(jìn)行研究已顯得十分必要。

由于大電流在列車(chē)進(jìn)出站起停的瞬間表現(xiàn)得更為明顯，現(xiàn)提出開(kāi)發(fā)一種智能導(dǎo)通裝置的構(gòu)想，在需要接通時(shí)實(shí)現(xiàn)等電位接通，以確保乘客安全，而在其他時(shí)候保持?jǐn)嚅_(kāi)以防止雜散電流進(jìn)入車(chē)站。這將能有效地緩解目前面臨的絕緣問(wèn)題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)站臺(tái)屏蔽門(mén)絕緣的在線監(jiān)測(cè)。

2 站臺(tái)屏蔽門(mén)等電位智能導(dǎo)通裝置的原理

2.1 主要工作原理

1）在無(wú)列車(chē)停靠的正常情況下，站臺(tái)屏蔽門(mén)與大地進(jìn)行連接，與鋼軌不連接，以確保站臺(tái)人員的安全，并防止鋼軌電流串入車(chē)站。

2）當(dāng)列車(chē)進(jìn)站停穩(wěn)后，通過(guò)接受站臺(tái)屏蔽門(mén)聯(lián)動(dòng)指令，斷開(kāi)站臺(tái)屏蔽門(mén)與地的連通，閉合站臺(tái)屏蔽門(mén)與鋼軌的等電位連接，并對(duì)連通電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若通過(guò)電流大于設(shè)定值時(shí)，則斷開(kāi)站臺(tái)屏蔽門(mén)與鋼軌的連通（起到絕緣監(jiān)測(cè)和漏電保護(hù)作用），遏制站臺(tái)屏蔽門(mén)絕緣薄弱點(diǎn)“打火”；待列車(chē)關(guān)門(mén)后，所有開(kāi)關(guān)恢復(fù)正常狀態(tài)。當(dāng)列車(chē)門(mén)或者站臺(tái)屏蔽門(mén)因障礙物存在而不能關(guān)閉并鎖緊的情況下，可以通過(guò)車(chē)站人員隔離故障車(chē)門(mén)或通過(guò)站臺(tái)屏蔽門(mén)上的就地控制盤(pán)（PSL）實(shí)施“互鎖解除”信號(hào)后手動(dòng)開(kāi)關(guān)門(mén)。站臺(tái)屏蔽門(mén)等電位智能導(dǎo)通裝置通過(guò)與站臺(tái)屏蔽門(mén)的接口，采集相關(guān)信號(hào)并做出站臺(tái)屏蔽門(mén)關(guān)閉的邏輯判斷，給出等電位連接斷開(kāi)指令。

2.2 改進(jìn)后的系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

1）保證了任何時(shí)候的人員安全，站臺(tái)屏蔽門(mén)要么保持與地連接，要么與鋼軌實(shí)現(xiàn)等電位連接，始終可以保障乘客安全。

2）只在列車(chē)停站時(shí)鋼軌與站臺(tái)屏蔽門(mén)保持接通（避開(kāi)了列車(chē)起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流），并做了電流限制處理，可以遏制站臺(tái)屏蔽門(mén)打火現(xiàn)象，有效降低雜散電流通過(guò)站臺(tái)屏蔽門(mén)進(jìn)入車(chē)站。

3）通過(guò)對(duì)等電位連接線導(dǎo)通電流的監(jiān)測(cè)，可以動(dòng)態(tài)給出站臺(tái)屏蔽門(mén)絕緣不良的報(bào)警，以便及時(shí)采取處理措施。

2.3 系統(tǒng)構(gòu)成原理圖

根據(jù)站臺(tái)屏蔽門(mén)等電位線的連接需要，站臺(tái)屏蔽門(mén)等電位智能導(dǎo)通裝置的構(gòu)成如圖2所示。

圖2 站臺(tái)屏蔽門(mén)智能導(dǎo)通裝置原理圖

其主要控制邏輯為：

1）“手／自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)”在自動(dòng)位：當(dāng)站臺(tái)屏蔽門(mén)開(kāi)關(guān)信號(hào)給出關(guān)門(mén)指令時(shí)，繼電器SSR1斷開(kāi)，繼電器SSR2接通，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)屏蔽門(mén)接地；當(dāng)站臺(tái)屏蔽門(mén)開(kāi)關(guān)信號(hào)給出開(kāi)門(mén)指令時(shí)，SSR2 斷開(kāi)，SSR1 接通，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)屏蔽門(mén)與鋼軌的等電位連接。此時(shí)對(duì)通過(guò)站臺(tái)屏蔽門(mén)和鋼軌之間的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若電流大于設(shè)定值（可調(diào)整，可考慮為站臺(tái)屏蔽門(mén)打火電流的臨界值），控制SSR1斷開(kāi)（視情況設(shè)定短時(shí)導(dǎo)通時(shí)間），實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)并給出站臺(tái)屏蔽門(mén)絕緣損壞和打火報(bào)警。當(dāng)列車(chē)門(mén)或站臺(tái)屏蔽門(mén)因障礙物存在，而不能關(guān)閉并鎖緊的情況下，由車(chē)站人員手動(dòng)隔離故障車(chē)門(mén)，手動(dòng)操作站臺(tái)屏蔽門(mén)關(guān)閉，最終站臺(tái)屏蔽門(mén)給出手動(dòng)關(guān)門(mén)信號(hào)，站臺(tái)屏蔽門(mén)導(dǎo)通裝置視為車(chē)門(mén)關(guān)閉。站臺(tái)屏蔽門(mén)導(dǎo)通裝置按正常關(guān)閉程序聯(lián)動(dòng)SSR1斷開(kāi)、SSR2接通，實(shí)現(xiàn)站臺(tái)屏蔽門(mén)接地。

2）“手／自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)”在手動(dòng)位：手動(dòng)控制用于站臺(tái)屏蔽門(mén)人工等電位的通斷控制，以便于設(shè)備檢修，也可用于日常情況下站臺(tái)屏蔽門(mén)的絕緣檢測(cè)。

SSR 可選擇大電流開(kāi)斷控制元器件，可考慮為IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、接觸器或固態(tài)繼電器，可結(jié)合整體開(kāi)斷能力和動(dòng)作壽命來(lái)最終選定。

3 成本測(cè)算和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，相關(guān)的研發(fā)成本如表1所示。待研發(fā)成型，軟件通過(guò)測(cè)試后，相關(guān)成本僅為生產(chǎn)成本和現(xiàn)場(chǎng)安裝成本，通過(guò)批量采購(gòu)，單臺(tái)裝置的工廠生產(chǎn)成本可控制在1萬(wàn)元以?xún)?nèi)。

表1 站臺(tái)屏蔽門(mén)智能導(dǎo)通裝置研發(fā)成本測(cè)算表

現(xiàn)對(duì)站臺(tái)屏蔽門(mén)等電位智能導(dǎo)通裝置研發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析如下：

1）智能導(dǎo)通裝置需要快速控制大電流的開(kāi)斷，其動(dòng)作頻率快、開(kāi)斷電流大，需要選擇可靠的設(shè)備元器件，否則易影響整體裝置的可靠性。具體實(shí)施階段需在IGBT、高壽命機(jī)械接觸器、大電流固態(tài)繼電器等中進(jìn)行比較和選擇。2）當(dāng)全部站臺(tái)屏蔽門(mén)等電位連接更換為該裝置后，可能存在所有車(chē)站的站臺(tái)屏蔽門(mén)等電位斷開(kāi)而僅有其中一個(gè)上下客車(chē)站等電位連通的情況，從而導(dǎo)致一個(gè)供電分區(qū)的軌道回流集中對(duì)某個(gè)車(chē)站的站臺(tái)屏蔽門(mén)等電位裝置進(jìn)行沖擊，會(huì)造成瞬間電流過(guò)大的可能。

以上風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)是關(guān)系到站臺(tái)屏蔽門(mén)智能導(dǎo)通裝置研發(fā)成功的關(guān)鍵，特別是多點(diǎn)連接變?yōu)橐稽c(diǎn)連接后的實(shí)際泄放電流大小是否會(huì)影響到直流保護(hù)框架動(dòng)作，這就需要對(duì)站臺(tái)屏蔽門(mén)導(dǎo)通允許電流進(jìn)行有效測(cè)定，并設(shè)置合適的保護(hù)值。

4 結(jié)語(yǔ)

站臺(tái)屏蔽門(mén)智能導(dǎo)通裝置相對(duì)于簡(jiǎn)單的站臺(tái)屏蔽門(mén)等電位連接或不設(shè)連接而言，提供了更加靈活的第三種選擇，實(shí)現(xiàn)了站臺(tái)屏蔽門(mén)絕緣的在線監(jiān)測(cè)和消除了“打火”現(xiàn)象。同時(shí)，通過(guò)裝置的智能控制策略，可降低潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)；另外，還可以采取包括站臺(tái)屏蔽門(mén)金屬體貼絕緣膜等措施，以保障乘客和設(shè)備安全。

［1］GB50157—2013地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］何宗華，汪松滋，何其光.城市軌道交通運(yùn)營(yíng)組織［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

［3］趙振江，黃明才.地鐵站臺(tái)屏蔽門(mén)的絕緣和接地處理［J］.城市軌道交通研究，2012（7）：110.

［4］孫增田，程強(qiáng)，李華.屏蔽門(mén)接軌保護(hù)與絕緣保護(hù)的必要性分析［J］.城市軌道交通研究，2006（7）：44.

［5］杜宏民，呂馨，高利萍，等.地鐵屏蔽門(mén)絕緣安裝相關(guān)問(wèn)題探討［J］.都市快軌交通，2012（1）：78.