地鐵道岔電火花故障分析

（廈門軌道交通集團有限公司，福建 廈門 361000）

0 前言

國內大部分地鐵線路采用直流1 500 V 為地鐵列車提供牽引供電，大多數工程利用走行軌兼作回流網，直流供電方式必然會產生強大的牽引電流流經回流鋼軌，鋼軌對地的雜散電流長期存在，雖然采用了迷流回收裝置，但雜散電流的泄漏仍然是一個普遍性的問題。信號系統根據《地鐵設計規范》（GB 50157—2013）“第17 章 信號17.7.6 第3 條“信號室外設備應通過線纜接地”的設計要求進行設計，道岔轉轍機設計了安全地線。

牽引回流鋼軌與道岔轉轍機地線之間形成地位差，牽引回流在信號系統道岔絕緣處，常常發生擊穿、燒灼掉道岔絕緣，產生電火花現象，從地鐵開通以來，北京、上海、廣州、深圳、南京等地鐵線路都多次發生道岔電火花故障，道岔產生電火花的原因與處理措施也各不相同，仍未從根本上解決電火花隱患。針對這一問題，還需要找到出現問題的根本原因，并對問題采取合理的措施，既保證安全又消除隱患[1]。

1 分析道岔故障

廈門地鐵1 號線開通1 年多以來，共發生了8 起道岔電火花故障，其中燒斷轉轍機與電纜盒連接電纜1 起，影響道岔使用135 min，其他故障未對行車造成影響，卻存在明顯燒灼現象，給設備及行車組織都造成了一定影響，道岔角鋼燒絕緣故障6 起。

2 道岔產生電火花原因分析

2.1 道岔角鋼絕緣性能因素分析

絕緣部件自身絕緣良好：道岔角鋼絕緣包括絕緣墊板、絕緣套管、絕緣墊片，根據西安通號鐵路信號產品檢測站有限公司提供的檢測報告，該型號絕緣板產品表面色澤、結構氣泡、裂紋、缺料、腫脹、變形、擦傷、毛刺、絕緣電阻、絕絕耐壓均符合要求，在直流500 V 下的絕緣電阻大于500 MΩ，在50 Hz/2400 V 的耐壓測試中也符合要求，因此絕緣件本身的絕緣性能良好，且滿足耐壓要求，見表1。

產生電火花的道岔角鋼絕緣組件安裝后現場絕緣值，見表1。

表1 產生電火花道岔角鋼安裝絕緣測試值

產生電火花綜上分析道岔角鋼絕緣單體性能良好，雖然絕緣組件絕緣不良與安裝后的絕緣性能不良為道岔產生電火花的一種原因，但非主要因素。

2.2 道岔角鋼絕緣環境因素分析

對發生電火花道岔周圍環境進行檢查，結果見表2。

表2 產生電火花道岔安裝環境檢查表

產生電火花針對產生電火花的道岔周圍是否積水、積塵與潮濕進行排查與分析，全線存在道岔基坑積水的道岔19 處，發生電火花故障的道岔并非基坑積水最嚴重的道岔，其中2 組為基坑不積水，無明顯的潮濕與積塵現象，因此認為道岔周圍環境的積水、積塵與潮濕存在一定產生電火花的風險，但非主要因素。

2.3 供電牽引回流不暢因素分析

首先可以明確道岔轉轍機處產生電火花的主要能量來自于機車回流電流。這樣就需要分析直流牽引供電的結構和回流特性。通常該系統的供電模式是通過環網電纜將35 kV交流高壓電輸送到牽引變電所內，整流機組將其降壓整流成1 500/750 V 直流電。經由直流開關柜、上網隔離開關向接觸網供電，機車從接觸網取電。機車回流電流經由鋼軌到牽引所的負極母排。如圖1 所示，直流供電回路可以大概總結為：整流機組正極→直流開關、上網隔刀→接觸網→機車→回流軌（鋼軌）→回流電纜、負極隔刀→整流機組負極。

需要指出的是，為了減少雜散電流，地鐵直流牽引系統采用絕緣安裝。根據行業標準《CJJ49—92》規定，對于新建線路不應小于15Ω·km，對于運行線路不應小于3Ω·km。正因為采用絕緣安裝，在理想的情況下回流電流均回流至變電所內。但考慮到鋼軌非理想導體，本身存在一定的阻抗。同時鋼軌的絕緣墊也非理想絕緣材料，在回流電流通過鋼軌及雜散電流泄漏至道床過程中，會產生一定電壓等級的軌電位。經實際測量，道岔產生電火花時，軌電位裝置均未動作（達到120 V 即動作），說明軌道回流通路正常，最低時10.6 V，最高時63 V。

圖1 直流牽引供電回路

據此分析地鐵直流供電方式必然存在強大的牽引回流，產生軌電位，道岔電火花的產生是牽引回流擊穿道岔角鋼絕緣的結果，即使牽引回流順暢產生很低的軌電位，仍然會產生道岔電火花，因而認為牽引回流不暢不是電火花產生的主要因素[2]。

2.4 雜散電流因素分析

道岔轉轍機是附著在鋼軌上的設備，轉轍機本身是由弱電驅動的電機設備及信號設備，為了保證設備及人身安全，在轉轍機與尖軌連接處采用絕緣安裝。在絕緣正常時，轉轍機不會有電流流通。當絕緣被破壞或失效時，部分回流電流就會通過轉轍機流入大地，產生電火花使道岔轉轍機產生不同程度的燒傷，甚至會造成設備損壞、危及人身安全。

可以采用集中參數模型等效電路來分析其原理，如圖2 所示。正常情況下，機車從接觸網取電流i1，鋼軌回流電流為i2。鋼軌與大地的絕緣狀況可以表述為等效過渡電阻R3，當道岔轉轍機絕緣正常的情況下，其等效電阻可以歸算入R3 中，此時僅有少部分雜散電流i3 泄漏到大地，抬升軌電位。如果道岔轉轍機與鋼軌之間的絕緣降低，回流電流中就會有部分電流i4流過轉轍機，在薄弱點產生放電打火現象。

地鐵直流供電的雜散電流是客觀存在的，道岔角鋼絕緣組件由3 個部件組合安裝，在安裝施工時，組件之間不可避免地都會存在一定的間隙，雜散電流通過角鋼絕緣組件之間的間隙薄弱點放電打火，是電火花產生的主要因素。

圖2 回流回路等效模型

3 措施及建議

避免道岔產生電火花的措施及建議有4 點。1）消除道岔角鋼絕緣組件之間的間隙，將分體式絕緣改為整體絕緣。2）斷開雜散電流回路，斷開轉轍機機殼接地連接。3）優化牽引回流的路徑，確保牽引回流暢通，適當調低軌電位動作電壓。4）提升絕緣性能，在進行分體式絕緣安裝時要減小絕緣件之間的間隙，保持清潔干燥的環境。

針對該情況，筆者了解的全國部分同行業運營地鐵道岔打火問題的處理措施，主要包括2 種。第一種是拆除轉轍機地線，第二種是改造為整體絕緣，具體情況見表3。

表3 其他地鐵道岔絕緣及接地方式調研表

4 結論

當列車占用道岔所在區域附近時，牽引電流通過列車經鋼軌回流至供電負極柜，鋼軌中存在強大的牽引回流。同時，因為負極柜與道岔角鋼的綜合接地存在一定的電位差（即軌電位），且道岔角鋼絕緣組件由3 個部件組合安裝，絕緣組件之間存在一定間隙，所以雜散電流會通過角鋼絕緣組件之間的間隙薄弱點放電電火花。