地鐵安全門柔性接觸網等電位設計探討

黃育良

0 引言

列車進站時，軌道和列車車體的對地電壓會升至90～130 V。乘客在上下車過程中，可能存在跨步電壓的風險。目前地上或高架車站一般安裝全高安全門或半高安全門，而接觸網一般則采用柔性接觸網；也有少量的地下車站采用柔性接觸網。由于柔性接觸網有掉落的風險，有可能掉落后搭接在安全門上，在接觸瞬間，電流可高達數十千安的電流。

目前對于采用柔性接觸網的車站，一般會在站臺邊緣至站臺2m處采用大理石（或絕緣地板）絕緣并且軌道本身絕緣。軌道作為回流軌，且設有“鋼軌電位限制裝置”，使其電壓最高值一般最大為90 V。安全門與鋼軌進行單點等電位連接，見圖1。

1 安全門等電位設計

1.1 等電位方式

對于門主體等電位，常用的有電纜連接或銅排連接2種方式。

對于活動門與門機主體等電位，常用的有碳刷和拖鏈掛等電位電纜2種方式。

對于固定門、地檻、應急門、立柱與主體的等電位，一般采用電纜或者鍍錫銅編織帶。

圖1 安全門絕緣層設置示意圖

圖2為實際工程中等電位的連接設計示意圖。

1.2 等電位設計原則

圖2 安全門等電位連接示意圖

采用柔性接觸網的安全門系統等電位設計一般有以下2個設計指標。

（1）根據屏蔽門行業標準CJT 236-2006《城市軌道交通站臺屏蔽門》，門體應保持有效的電氣連接，其總電阻值小于等于0.4 Ω。

（2）當柔性接觸網掉落并搭接在安全門門體上出現短路情況下，通過等電位電纜泄流，從而保證乘客和設備安全。

2 等電位電纜的計算

2.1 主干部分銅排（電纜）截面積計算

對于主干部分采用銅排（電纜）截面積的計算，主要考慮的是在柔性接觸網搭接短路情況下的防護。

當檢測到短路時，供電系統將斷開斷路器，當經過Ttot（總分斷時間，s）后，電流消除。

設計原則為電纜的截面必須允許短路電流通過，此時銅導體不會熔化，電纜不能起火。

因此，設計等電位電纜時，需要考慮在最大電流通過時，導體不會起火的最小導體截面積。

而最惡劣的情況就是接觸網與運行軌間阻抗為零，此時電流為最大。因此，我們可以在設計時假設接觸網與運行軌之間的短路電路阻抗為零。

2.1.1 短路電流表達式

變電站等效電路如圖3所示。

流過圖3線路的短路電流如下：

圖3 變電站等效電路

式（1）、（2）中： Iss為短路電流；U為接觸網電壓，1 500 V；Rss為變電站等效電阻；Lss為變電站等效電感；τ為電路時間常數。

2.1.2 總分斷時間的確定

總分斷時間Ttot是指過電流釋放與短路電流取消之間的時間，其電流I、電壓U、時間t特性見圖4，其中：Iss為短路電流，I^ss為短路電流峰值，Id為脫扣電流，I^d為最大分斷電流，Ue為額定電壓（DC1500V），U^arc為峰值電壓，tm為分閘時間，Ttot為總分斷時間。

總分斷時間是通過斷路器參數及短路電流初始上升率估算的。

短路電流的上升率是通過短路電流公式得出的，此為在時間零點的最大值。最大的電流上升率為：

根據圖3，代入式（3）

根據2.73 MA/s，由圖5可以查找出總分斷時間約在15～35 ms范圍之內。

當短路時，回路中流過的最大短路電流取決于：①未分斷時的最大短路電流；②輸入電壓；③短路電流初始上升率。

圖4 斷路器短路電流及電壓特性曲線圖

如果按照最大短路電流為120 kA、輸入電壓為1 500 V，由短路電流Iss初始上升率2.73 MA/s，可根據圖6中的曲線②，得到最大分斷電流I^d約為40 kA。

忽略其他能量損耗，假設所有電量都消耗在電纜的發熱上，在dt持續過程中，電纜內部溫度變量dθ如下式計算：

式（4）中：ρ為銅電阻率；C為在固體狀態時銅熱容量，390 J/kg·K；D為銅密度，8 900 kg/m3；S為電纜截面。

圖5 基于電流上升率的總分斷時間

圖6 基于電流初始上升率的最大分斷電流

為了確保到電流消失為止所有電流流過，電纜截面S必須足夠大，所以：

式（5）中：θnc為當短路電流消失時，電纜內銅導體溫度；θN為正常溫度，300 K。

因此，截面積S必須滿足：

θnc最大不能超過無火災時電纜支持溫度θF，570 K。對于給出的溫度θ，

式（7）中：ρN：為在正常溫度（30℃）下的銅電阻率，17×10-9Ω·m；δρ為銅電阻系數溫度變化，6.68×10-11Ω·m/K。

假如在0與Ttot之間，ρ是一個常量，可接受的溫度最大值θ= θF(保守計算)，由如下計算：

如果電流從時間0至Td成線性由0升至Ib，然后在Td與Ttot之間成線性下降，那么

簡化后得：

假設分斷時間為30 ms，故障電流80 kA，則可以推算出等電位電纜最小截面積為50 mm2。實際工程一般采用150 mm2。

2.2 支路部分等電位連接計算

對于在安全門后部，可能被掉落接觸網搭接的部分，均需要按短路電流保護的要求設計其截面。

對于不會被接觸網搭接的部分，則只需要根據不大于0.4 Ω設計即可。

3 結語

綜上所述，安全門在柔性接觸網的線路情況下，由于有被掉落的接觸網搭接的風險，因此，需要按照其短路電流設計等電位銅排（電纜）截面。而從安全門的跨步電壓考慮，站臺必須做好絕緣帶的防護。該方案的缺陷在于，目前實際工程中站臺上的部件偶爾會與安全門接觸，從而導致打火現象。因此，施工過程中，還需要嚴格控制站臺部件與安全門間的爬電距離。

[1] 葉宏，凌人. 屏蔽門門體絕緣及站臺絕緣的探討[J]. 現代城市軌道交通，2012(6).

[2] 張奇. 屏蔽門系統與鋼軌等電位連接是否必要之初探[J]. 建筑知識：學術刊，2011(4).

[3] 孫增田，程強，李華. 屏蔽門接軌保護及絕緣保護必要性分析[J]. 城市軌道交通研究，2006(7).

[4] CJT236-2006 城市軌道交通站臺屏蔽門[S].