一種地鐵站臺門智能自動接軌裝置

何治新 劉 鋼

1.廣州地鐵集團有限公司 廣東廣州 510330；2.重慶中車時代電氣技術有限公司 重慶 401120

地鐵是城市公共交通的重要組成部分，地鐵安全的重要性不言而喻。在某地鐵公司運營中發現，多條運營線路均存在鋼軌電位偏高的現象，這使得鋼軌電位限制裝置頻繁動作，影響裝置的可靠性，會對隧道等結構鋼以及附近的金屬管線有不同程度的電腐蝕。同時，地鐵站臺門在運營過程中也會出現絕緣值不滿足要求的現象，且難以恢復，這將致使站臺門外框結構等對相鄰金屬部件產生火花放電現象，存在嚴重的安全隱患。

城市軌道交通線路采用鋼軌回流系統，直流牽引電流從牽引變電所流出，經接觸網到機車，驅動機車電機運行，最后由車輪經鋼軌流回牽引變電所。考慮雜散電流防護問題，軌道鋼軌需采取絕緣安裝。由于鋼軌自身阻抗及雜散電流影響，鋼軌和地之間存在電位差，嚴重時可危及人身安全。為了限制鋼軌電位，在工程設計時采用在車站設置鋼軌電位限制裝置(OVPD)的方案，鋼軌電位限制裝置一端接鋼軌，另一端接地母排，內設置隔離開關，在正常狀況下，鋼軌電位限制裝置處于打開狀態，當測量到鋼軌和接地母排之間的電位差達到一段設定值時，鋼軌電位限制裝置隔離開關合閘，將鋼軌和地短接，強制鉗制鋼軌電位在安全電位以下[1]。

隨著地鐵運營線路的增加、運營數據的積累，原有傳統的地鐵站臺門絕緣出現絕緣值全部、部分不能滿足規范要求，且在后期運營中難以修復的問題。

為了解決上述問題，本文對門軌電位產生原因及現有解決方案進行了分析，并在此基礎上開發了一種地鐵站臺門智能自動接軌裝置，能根據站臺門開關信息、絕緣情況等實現站臺門自動接軌，能有效解決乘客安全、雜散電流腐蝕和打火問題。

一、站臺門打火特性及原理分析研究

直流牽引供電系統是變電所正極出發，經過接觸網、列車、回流軌返回牽引變電所負極?；亓鬈壟c大地之間不能達到完全絕緣，存在雜散電流，而軌道對大地存在著過渡電阻，雜散電流會產生壓降。由于站臺門和地之間存在電氣耦合回路，當回流的電流較大時，或者站臺門通過其他金屬部件與車站大地相連時，部分回流通過門體流向車站地。在回流回路中，接觸電阻教大的地方就會產生較大熱量，使得溫度升高，而溫度升高又將使氧化進一步加劇，導致接觸電阻進一步加大，最終導致產生打火放電的現象；此外，在回路中金屬件過小的空氣間隙被擊穿也會產生放電現象[2]。

二、站臺門與鋼軌等電位連接

目前，國內的地鐵普遍采用鋼軌電位限制裝置來抑制軌道電壓，其主要作用是抑制軌道電壓的升高，降低到90V下，保障人身安全和系統正常運行。由于地鐵軌道電壓的影響因素較為復雜，從鋼軌電位限制裝置監測現場數據來看，實測電壓數據與理論分析通常會存在誤差。理想情況下，地鐵軌道電壓大多是低于90V，而在實際運行線路的測試數據中，地鐵線路上站臺軌道電壓高于90V的次數每天可以達到幾十次甚至更多。

由于站臺的絕緣處理不僅費時費力，效果也沒有辦法保證，而站臺門與鋼軌進行等電位連接就是將站臺門的金屬部分與鋼軌通過電纜進行等電位連接，使得站臺門的金屬框架與鋼軌處于相同電位。

將站臺門與鋼軌進行等電位連接，主要的作用是可以避免因軌道電位升高，避免鋼軌與站臺門金屬框架之間出現電位差，從而避免乘客發生觸電情況，確保乘客安全；此外，在柔性接觸網出現斷線故障接觸到站臺門體時，可以快速、可靠地跳閘斷電[3]。

在站臺門與鋼軌等電位連接情況下，站臺絕緣不良會引發雜散電流腐蝕、站臺上的金屬部件出現“打火”等問題，這在采用等電位連接的地鐵運營線路上是個普遍的現象。

本文對國標GB 50157-2013等相關條款進行分析和梳理，可知站臺門與鋼軌進行等電位連接不是強制要求條款，因此，從標準上是可以去除等電位連接線的，只是行業常用的方法是進行等電位連接。而截止到目前為止，由于大部分城市地鐵線路的站臺門絕緣都不達標，引起了多起打火事件，所以也已經有多家地鐵公司將等電位連接線取消，運行經驗證明站臺門與鋼軌不進行等電位連接是可行的[4]。

序號城市線路等電位是否連接1北京所有線路否2上海3/4/9/10/11/13否3廣州2/5否4深圳1/2/3/5否5重慶1/2/3/6否6武漢1/2/3/4/6否

三、站臺門智能自動接軌裝置方案

本項目研制的地鐵站臺門智能自動接軌裝置具備自動接軌功能，在保證站臺門開啟期間車體和站臺門之間直流電壓值不大于安全值的同時，使站臺門電位值跟隨車體電位變化而變化，從而避免出現乘客觸電的危險。同時，為盡量有效降低門機打火概率，系統將保證站臺門電位盡量低，避免對周圍金屬部件放電。

根據《GB/T3805-2008特低電壓(ELV)限值》標準第5條及第6條的規定，人體可承受兩個不同部件之間(車體與站臺門之間)的最高穩態直流電壓值應選取為35V，因此地鐵站臺門智能自動接軌裝置的接軌降壓典型值選取35V。

地鐵站臺門智能自動接軌裝置包括以下幾個主要部件：控制及顯示模塊、接軌主回路、絕緣測試模塊等。

控制及顯示模塊作為系統核心，承擔數值計算、邏輯控制、顯示輸出等功能。

接軌主回路主要包括降壓模塊、接觸器、晶閘管等。降壓模塊為設備的核心器件，用于實現站臺門與鋼軌之間的降壓連接，降壓典型值定設為35V，在鋼軌電位大于降壓限定值時工作；接觸器J2、晶閘管D2用于回路的通斷控制，根據不同工況，導通不同的回路，實現保護功能。

絕緣測試模塊：包括采樣電阻、分級電壓發生器、檢測模塊等，用于對站臺門的絕緣狀況進行檢測，輸出電壓可調。

該裝置的系統框圖如下：

(一)工作原理

(1)系統中降壓模塊為兩個降壓硅鏈，降壓值為35V，接觸器串接在硅鏈回路，用于投入/切除硅鏈。設備正常工作時，通過采樣電阻及電壓發生器計算線路的鋼軌電壓，同時接收站臺門的開門信號。未收到開門信號，或者收到開門信號但鋼軌電壓低于安全值時，斷開硅鏈，鋼軌與站臺門無電氣連接。乘客上下車時跨步電壓低于安全值，無觸電危險。收到開門信號且鋼軌電壓高于安全值時，投入降壓硅鏈，乘客上下車時，鋼軌—站臺門間電壓被硅鏈限制在安全值，沒有觸電危險。同時，硅鏈投入后，實時監測鋼軌流向站臺門的漏電流，當電流過大(即站臺絕緣很差)時，短接鋼軌—站臺門實現二者等電位，同時以保護硅鏈。控制系統故障或設備失電時，短接鋼軌與站臺門，實現二者等電位。

(2)絕緣檢測工作原理。站臺門的絕緣檢測，通常是利用絕緣檢測儀(搖表)定期進行的。本系統具備站臺門體的絕緣檢測功能，維保人員可以針對站臺門的絕緣情況提前制訂出應對方案，從而為應用維護后故障檢修提供便利。為保證現場人員安全，該功能設定必須在非運營期間進行。系統進行站臺門體絕緣檢測時，控制主機通過電源模塊輸出直流電壓施加至上、下行站臺門體，檢測門體的電流大小，通過電壓/電流公式計算門體對地的絕緣電阻，將結果通過顯示器進行顯示。

(二)邏輯控制

系統基于以下邏輯采取不同控制措施：

(1)斷開模式。未收到進站開門信號時，降壓模塊回路斷開，鋼軌與站臺門間無電氣連接，此時站臺門與大地連接。

(2)限電位模式。當收到進站開門信號，且V1<90V時，閉合接入降壓模塊，軌電位降低35V后施加至站臺門，此時站臺門電位為U鋼軌-35V(假定此時鋼軌電位為正)。如果軌電位U鋼軌低于35V，則由于降壓模塊未導通、站臺門電位為零。以上兩種情況，站臺門與鋼軌之間的電位均不會超過35V，因此乘客無觸電危險。

(3)短接模式。當收到進站開門信號，且V1>90V時，斷開降壓硅鏈，J2反復吸放三次，三次后V1點電壓如仍大于90V，J2閉鎖；當收到進站開門信號，且V1>150V時，J2直接閉鎖，需人工斷開；當設備自身故障，或站臺門絕緣受損，閉鎖J2、導通D2。

(4)漏電流保護。在限電位模式下，控制模塊同時對鋼軌流向站臺門(即流過降壓模塊)的電流通過電流傳感器S1進行監測，當漏電流大于設定值，設備從“限電位模式”轉為“短接模式”。當漏電流>30A時，J2閉合，斷開降壓模塊回路，輸出報警信號；當漏電流>200A時，D2觸發導通。當J2或D2閉合短接鋼軌與站臺門，二者等電位以避免觸電，與傳統方案中采用等電位電纜連接類似，此時電流會從鋼軌經站臺門流入大地，由于開門時間短，漏電流對設備影響不大。

以上控制過程中的保護值均可根據線路特點進行調整。

此外，該裝置還可實現站臺門絕緣情況的實時檢測，由于站臺門絕緣檢測時采用電壓/電流方式來計算絕緣電阻，考慮到站臺門體的絕緣狀態受各種外部因素影響，變化很大，門體對地電阻從KΩ到MΩ都有可能，對應絕緣檢測時漏電流大小從μA到mA均有可能，為保證系統測量精度，可采用多個不同量程的電流傳感器進行采樣。為避免絕緣狀況過于惡劣而出現無法加載測試電壓的情況，采用了可調電壓方案。設備輸出的絕緣測試電壓可變化，測試過程中系統自動控制測試電壓由低往高調節，逐步增加。

本文研制的地鐵站臺門智能自動接軌裝置實物如圖3所示。

通過在廣州地鐵現場進行試驗測試，該方案能有效將車體和站臺門的電壓差限制在人體耐受安全電壓(典型值取35V，也可取其他所需的設定值)下，保證乘客在上下車過程中的安全性。

四、總結

本文提出了一種地鐵站臺門智能自動接軌裝置及其控制策略，基于對等電位線纜的通斷控制以及站臺門啟動、關閉信號研究，提出了關門—斷開電纜、開門—降壓連接的解決思路，提出了具體實現方案。根據鋼軌電壓、站臺門開關信號，設置自動接軌控制邏輯，保護完善，系統可靠性高，減小了鋼軌電位限制裝置動作次數，在保證避免觸電風險前提下，能夠大大降低甚至消除門機打火的概率，保證了乘客安全。同時，本裝置實現了站臺門絕緣實時檢測集成功能，兼具固定和實時兩種模式的絕緣檢測，固定模式用于非營運時段，實時模式用于運營時段，減少維護人員人工測試工作量。系統能自動顯示、記錄鋼軌電位變化情況、站臺門絕緣測試結果等數據，以便檢修維護人員掌握絕緣變化趨勢。

地鐵站臺門智能自動接軌裝置的開發有著十分重要的現實意義，通過本項目裝置研制可優化完善門軌打火的問題解決方案，對城市軌道交通運營安全具有重要的意義；此外本文研制的地鐵站臺門智能自動接軌裝置采用的原理及實現方式成熟簡單，裝置的工程化應用性強，容易形成產品批量應用，它將帶動產業鏈的發展和完善，具有良好的經濟效益及社會效益。