地鐵道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)產(chǎn)生電火花現(xiàn)象原因分析

趙 壘 薛小強(qiáng)

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司運(yùn)營(yíng)分公司，710016，西安//第一作者，工程師)

0 引 言

在西安地鐵一號(hào)線運(yùn)營(yíng)初期，正線某車站先后在運(yùn)營(yíng)期間發(fā)生道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)電火花及接地線燒斷等現(xiàn)象，對(duì)正常行車和設(shè)備安全帶來(lái)嚴(yán)重干擾和威脅。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)在鋼軌和轉(zhuǎn)轍機(jī)絕緣連接處存在燒灼現(xiàn)象；通過(guò)進(jìn)一步拆卸、分解連接部件，發(fā)現(xiàn)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(duì)這一故障現(xiàn)象，結(jié)合地鐵直流牽引供電系統(tǒng)軌道回流的特性進(jìn)行分析，并采取了初步的處置，取得了一定的效果。其對(duì)相關(guān)系統(tǒng)的檢修維護(hù)具有一定的參考價(jià)值。

1 直流牽引供電回流系統(tǒng)與道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的關(guān)系

為了分析道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)發(fā)生電火花現(xiàn)象的原因，需要了解直流牽引供電系統(tǒng)的組成和特性。圖1為一個(gè)典型的牽引供電回流系統(tǒng)：牽引混合變電所將直流電源經(jīng)直流開關(guān)柜、上網(wǎng)隔離開關(guān)送至接觸網(wǎng)，經(jīng)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(fù)極端，形成一個(gè)完整的直流牽引回流系統(tǒng)。

圖1 地鐵牽引回流系統(tǒng)示意圖

由于考慮雜散電流的防護(hù)要求，在地鐵直流牽引系統(tǒng)中軌道對(duì)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(guò)渡電阻(不小于15 Ω·km)。在對(duì)地絕緣安裝的鋼軌上流經(jīng)回流電流時(shí)，由于鋼軌自身電阻的存在，鋼軌對(duì)地會(huì)產(chǎn)生一定的電壓，即軌電位。

道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)是附著在鋼軌上的設(shè)備。由于轉(zhuǎn)轍機(jī)本身是一個(gè)電力驅(qū)動(dòng)的帶電設(shè)備，為了保證人身安全，轉(zhuǎn)轍機(jī)金屬外殼通過(guò)接地線就近接至軌行區(qū)弱電電纜支架接地排上。為了防止?fàn)恳亓髁鬟^(guò)轉(zhuǎn)轍機(jī)，轉(zhuǎn)轍機(jī)與鋼軌之間也采取了相應(yīng)的絕緣措施，保證鋼軌與轉(zhuǎn)轍機(jī)的電氣隔離。而當(dāng)這種絕緣被破壞或失效時(shí)，隔離措施就會(huì)失效，從而出現(xiàn)鋼軌直流電回流經(jīng)過(guò)絕緣破壞處進(jìn)入大地的情況，造成道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)不同程度的燒傷并產(chǎn)生電火花現(xiàn)象。

2 道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)發(fā)生電火花故障的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

多次發(fā)生道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)電火花現(xiàn)象的現(xiàn)場(chǎng)情況如下：

1)如圖2所示，道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的連接軸雖然采用了絕緣材料進(jìn)行隔離，但在絕緣兩邊距離較短的地方發(fā)現(xiàn)了電燒灼的現(xiàn)象。采用萬(wàn)用表測(cè)量此處的鋼軌與道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)接地部分的絕緣時(shí)，萬(wàn)用表顯示為導(dǎo)通狀態(tài)，此處的絕緣已失效。

2)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)地線過(guò)流嚴(yán)重，地線與道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)連接處端子燒斷。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)與鋼軌處于導(dǎo)通狀態(tài)，經(jīng)反復(fù)測(cè)試檢查發(fā)現(xiàn)該處道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)安裝過(guò)程中漏裝了一個(gè)絕緣墊。

3)檢查另一處道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)與鋼軌的連接部分，其安裝絕緣墊片處存在明顯燒灼現(xiàn)象，采用萬(wàn)用表測(cè)量鋼軌對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)接地部分，萬(wàn)用表顯示為導(dǎo)通狀態(tài)，此處的絕緣已失效，如圖3所示。

a) 故障前

3 道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)產(chǎn)生電火花的原因分析

道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)處出現(xiàn)的電火花燒傷現(xiàn)象是由于絕緣受到破壞。而導(dǎo)致絕緣破壞的原因主要有：絕緣承受過(guò)高的電壓被擊穿,絕緣本身劣化，強(qiáng)度降低滿足不了絕緣要求，被導(dǎo)電體短接等。

3.1 地鐵鋼軌對(duì)地電壓分析

由于地鐵采用直流供電系統(tǒng)，利用鋼軌進(jìn)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(guò)時(shí)，鋼軌回流對(duì)地會(huì)產(chǎn)生一定的電壓，即軌電壓。為了限制鋼軌電壓過(guò)高，沿線的每個(gè)變電所均設(shè)置有軌電位限制裝置，按照GB 50490—2009《城市軌道交通技術(shù)規(guī)范》要求軌電位限制裝置的I段保護(hù)動(dòng)作值通常設(shè)置為90 V，設(shè)置延時(shí)0.8 s。該裝置可有效保護(hù)鋼軌對(duì)地的持續(xù)電壓不高于90 V。此外，還設(shè)有150 V無(wú)延時(shí)短路保護(hù)、600 V晶閘管快速短路保護(hù)，可以有效地限制鋼軌對(duì)地電位過(guò)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(chǎn)生90 V以上的短時(shí)過(guò)電壓，甚至瞬時(shí)電壓可達(dá)到600 V。維護(hù)人員調(diào)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(dá)120 V)。圖4為國(guó)內(nèi)某地鐵采用高分辨率儀器對(duì)軌電位的監(jiān)測(cè)情況，通過(guò)其曲線可知，最大電壓值超過(guò)90 V，瞬時(shí)電壓可達(dá)549 V，如果還考慮接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路故障，軌電位瞬間可能達(dá)到1 500 V左右。因此，鋼軌與連接設(shè)備之間的絕緣應(yīng)做相應(yīng)考慮，采用可靠的絕緣措施，才可以有效地防止鋼軌對(duì)地的短路放電現(xiàn)象。

圖4 某地鐵軌電位監(jiān)測(cè)曲線

3.2 道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)與鋼軌連接處絕緣狀況分析

通過(guò)對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)與鋼軌連接處燒損的絕緣墊、絕緣護(hù)套及地線的分析，發(fā)現(xiàn)絕緣護(hù)套墊板絕緣劣化、空氣間隙不足，絕緣被短接是引起道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)產(chǎn)生電火花現(xiàn)象的主要原因。具體分析如下：

1) 經(jīng)對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)其連桿關(guān)節(jié)處絕緣套管表面積灰嚴(yán)重。用萬(wàn)用表測(cè)量，產(chǎn)生電火花現(xiàn)象的道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)絕緣套管兩端電阻為3.9 Ω，萬(wàn)用表導(dǎo)通，而相鄰的道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)測(cè)量電阻值為無(wú)窮大。說(shuō)明該故障道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備已與鋼軌連通，絕緣套管已失去絕緣功能。通過(guò)圖5及圖6對(duì)照分析，故障道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的空氣絕緣間隙明顯小于正常道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的空氣間隙。同時(shí)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(dǎo)致鋼軌對(duì)地短接，隨著短接處流過(guò)電流的增加從而產(chǎn)生電火花現(xiàn)象。

圖5 正常轉(zhuǎn)轍機(jī)空氣間隙

圖6 故障道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)空氣間隙

2) 另一種情況如圖7所示：道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)與鋼軌間的絕緣墊片由于絕緣擊穿，已被嚴(yán)重?zé)龘p，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(qiáng)度降低，發(fā)生爬電或擊穿等現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼軌對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)結(jié)構(gòu)接地放電，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的積累，造成連接件嚴(yán)重?zé)龘p。此類燒傷的共同特點(diǎn)是燒傷均從連接螺栓上的絕緣套管上部或下部某一點(diǎn)開始發(fā)展。通過(guò)推斷可知，由于絕緣套管上下端外露面鑲嵌于轉(zhuǎn)轍機(jī)框架內(nèi)，在隧道潮濕的環(huán)境下，輪軌磨損的鐵屑、灰塵等會(huì)在絕緣套管上下表面集聚從而對(duì)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(duì)以上出現(xiàn)的問題分別采取了不同的處理措施。如：維護(hù)人員對(duì)絕緣間隙進(jìn)行了打磨處理，對(duì)絕緣墊片進(jìn)行了清理，保證了鋼軌側(cè)與接地側(cè)在中間連接軸處的空氣絕緣間隙，對(duì)燒傷處絕緣墊片及套管進(jìn)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(fā)生，對(duì)后續(xù)的新安裝設(shè)備建議如下：

1)保證道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)相關(guān)絕緣部件封邊處理良好，檢驗(yàn)合格；轉(zhuǎn)軸處應(yīng)選擇提供較大空隙的連接方式。

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

3)在轉(zhuǎn)轍機(jī)的日常檢修中，將絕緣部件的清潔維護(hù)納入作業(yè)內(nèi)容，保持絕緣部件清潔、絕緣良好。

4)優(yōu)化道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)絕緣設(shè)計(jì)。目前地鐵所用轉(zhuǎn)轍機(jī)絕緣設(shè)計(jì)均源于交流牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，由于交流牽引供電系統(tǒng)鋼軌與地面是等電位連接，對(duì)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的絕緣安裝要求較低，而地鐵采用的直流供電系統(tǒng)，對(duì)鋼軌具有較高的對(duì)地電壓，應(yīng)針對(duì)地鐵直流供電的特點(diǎn)提高道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的絕緣性能。