地鐵道岔轉轍機產生電火花現象原因分析

趙 壘 薛小強

(西安市地下鐵道有限責任公司運營分公司，710016，西安//第一作者，工程師)

0 引 言

在西安地鐵一號線運營初期，正線某車站先后在運營期間發生道岔轉轍機電火花及接地線燒斷等現象，對正常行車和設備安全帶來嚴重干擾和威脅。

經過現場檢查，發現在鋼軌和轉轍機絕緣連接處存在燒灼現象；通過進一步拆卸、分解連接部件，發現連接處的絕緣套管、絕緣墊片等均存在絕緣燒毀或短接。針對這一故障現象，結合地鐵直流牽引供電系統軌道回流的特性進行分析，并采取了初步的處置，取得了一定的效果。其對相關系統的檢修維護具有一定的參考價值。

1 直流牽引供電回流系統與道岔轉轍機的關系

為了分析道岔轉轍機發生電火花現象的原因，需要了解直流牽引供電系統的組成和特性。圖1為一個典型的牽引供電回流系統：牽引混合變電所將直流電源經直流開關柜、上網隔離開關送至接觸網，經列車取流使用后饋至鋼軌，再由鋼軌回流至牽引變電所的整流器負極端，形成一個完整的直流牽引回流系統。

圖1 地鐵牽引回流系統示意圖

由于考慮雜散電流的防護要求，在地鐵直流牽引系統中軌道對地采用絕緣安裝，使用絕緣墊、絕緣套筒等方式，加大走行軌與道床之間的過渡電阻(不小于15 Ω·km)。在對地絕緣安裝的鋼軌上流經回流電流時，由于鋼軌自身電阻的存在，鋼軌對地會產生一定的電壓，即軌電位。

道岔轉轍機是附著在鋼軌上的設備。由于轉轍機本身是一個電力驅動的帶電設備，為了保證人身安全，轉轍機金屬外殼通過接地線就近接至軌行區弱電電纜支架接地排上。為了防止牽引回流流過轉轍機，轉轍機與鋼軌之間也采取了相應的絕緣措施，保證鋼軌與轉轍機的電氣隔離。而當這種絕緣被破壞或失效時，隔離措施就會失效，從而出現鋼軌直流電回流經過絕緣破壞處進入大地的情況，造成道岔轉轍機不同程度的燒傷并產生電火花現象。

2 道岔轉轍機發生電火花故障的現場調查

多次發生道岔轉轍機電火花現象的現場情況如下：

1)如圖2所示，道岔轉轍機的連接軸雖然采用了絕緣材料進行隔離，但在絕緣兩邊距離較短的地方發現了電燒灼的現象。采用萬用表測量此處的鋼軌與道岔轉轍機接地部分的絕緣時，萬用表顯示為導通狀態，此處的絕緣已失效。

2)道岔轉轍機地線過流嚴重，地線與道岔轉轍機連接處端子燒斷。經檢測發現道岔轉轍機與鋼軌處于導通狀態，經反復測試檢查發現該處道岔轉轍機安裝過程中漏裝了一個絕緣墊。

3)檢查另一處道岔轉轍機與鋼軌的連接部分，其安裝絕緣墊片處存在明顯燒灼現象，采用萬用表測量鋼軌對道岔轉轍機接地部分，萬用表顯示為導通狀態，此處的絕緣已失效，如圖3所示。

a) 故障前

3 道岔轉轍機產生電火花的原因分析

道岔轉轍機處出現的電火花燒傷現象是由于絕緣受到破壞。而導致絕緣破壞的原因主要有：絕緣承受過高的電壓被擊穿,絕緣本身劣化，強度降低滿足不了絕緣要求，被導電體短接等。

3.1 地鐵鋼軌對地電壓分析

由于地鐵采用直流供電系統，利用鋼軌進行回流。為防止雜散電流，回流鋼軌均采用絕緣安裝的方法，因此在列車通過時，鋼軌回流對地會產生一定的電壓，即軌電壓。為了限制鋼軌電壓過高，沿線的每個變電所均設置有軌電位限制裝置，按照GB 50490—2009《城市軌道交通技術規范》要求軌電位限制裝置的I段保護動作值通常設置為90 V，設置延時0.8 s。該裝置可有效保護鋼軌對地的持續電壓不高于90 V。此外，還設有150 V無延時短路保護、600 V晶閘管快速短路保護，可以有效地限制鋼軌對地電位過高的情況。

但在特殊情況下，如鋼軌回流不暢、列車行車密度較大等，均可能產生90 V以上的短時過電壓，甚至瞬時電壓可達到600 V。維護人員調取了全線各站的軌電位記錄，軌電位最高記錄為89 V。(其他城市地鐵軌電位最高曾達120 V)。圖4為國內某地鐵采用高分辨率儀器對軌電位的監測情況，通過其曲線可知，最大電壓值超過90 V，瞬時電壓可達549 V，如果還考慮接觸網對鋼軌短路故障，軌電位瞬間可能達到1 500 V左右。因此，鋼軌與連接設備之間的絕緣應做相應考慮，采用可靠的絕緣措施，才可以有效地防止鋼軌對地的短路放電現象。

圖4 某地鐵軌電位監測曲線

3.2 道岔轉轍機與鋼軌連接處絕緣狀況分析

通過對道岔轉轍機與鋼軌連接處燒損的絕緣墊、絕緣護套及地線的分析，發現絕緣護套墊板絕緣劣化、空氣間隙不足，絕緣被短接是引起道岔轉轍機產生電火花現象的主要原因。具體分析如下：

1) 經對道岔轉轍機檢查，發現其連桿關節處絕緣套管表面積灰嚴重。用萬用表測量，產生電火花現象的道岔轉轍機絕緣套管兩端電阻為3.9 Ω，萬用表導通，而相鄰的道岔轉轍機測量電阻值為無窮大。說明該故障道岔轉轍機設備已與鋼軌連通，絕緣套管已失去絕緣功能。通過圖5及圖6對照分析，故障道岔轉轍機的空氣絕緣間隙明顯小于正常道岔轉轍機的空氣間隙。同時由于鋼軌附近金屬性灰塵較多，在絕緣空氣間隙較小的情況下，容易造成灰塵填滿絕緣間隙，導致鋼軌對地短接，隨著短接處流過電流的增加從而產生電火花現象。

圖5 正常轉轍機空氣間隙

圖6 故障道岔轉轍機空氣間隙

2) 另一種情況如圖7所示：道岔轉轍機與鋼軌間的絕緣墊片由于絕緣擊穿，已被嚴重燒損，造成絕緣失效。絕緣墊片的絕緣擊穿是由于絕緣墊片絕緣強度降低，發生爬電或擊穿等現象，導致鋼軌對轉轍機結構接地放電，經過長時間的積累，造成連接件嚴重燒損。此類燒傷的共同特點是燒傷均從連接螺栓上的絕緣套管上部或下部某一點開始發展。通過推斷可知，由于絕緣套管上下端外露面鑲嵌于轉轍機框架內，在隧道潮濕的環境下，輪軌磨損的鐵屑、灰塵等會在絕緣套管上下表面集聚從而對絕緣造成不良的影響。

圖7 燒損的絕緣墊

4 處理措施和建議

針對以上出現的問題分別采取了不同的處理措施。如：維護人員對絕緣間隙進行了打磨處理，對絕緣墊片進行了清理，保證了鋼軌側與接地側在中間連接軸處的空氣絕緣間隙，對燒傷處絕緣墊片及套管進行了更換，故障得以消除。

為了最大限度的減少此類問題的發生，對后續的新安裝設備建議如下：

1)保證道岔轉轍機相關絕緣部件封邊處理良好，檢驗合格；轉軸處應選擇提供較大空隙的連接方式。

2)在安裝施工過程中，須保持絕緣部件的狀態良好，避免用力過大造成絕緣墊片、絕緣套筒出現裂紋受損，防止絕緣間隙受到異物的填充。

3)在轉轍機的日常檢修中，將絕緣部件的清潔維護納入作業內容，保持絕緣部件清潔、絕緣良好。

4)優化道岔轉轍機絕緣設計。目前地鐵所用轉轍機絕緣設計均源于交流牽引供電系統設計的標準，由于交流牽引供電系統鋼軌與地面是等電位連接，對道岔轉轍機的絕緣安裝要求較低，而地鐵采用的直流供電系統，對鋼軌具有較高的對地電壓，應針對地鐵直流供電的特點提高道岔轉轍機的絕緣性能。