鐵路道岔融雪裝置工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化研究

寧詠梅，閆宏偉

（1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600；2.中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038）

1 概述

近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)鐵路大規(guī)模建設(shè)，電加熱道岔融雪裝置已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。電加熱道岔融雪裝置歷經(jīng)多年的發(fā)展與工程建設(shè)應(yīng)用，暴露出耗能高、運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本高、系統(tǒng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不完善等問題。且結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)天氣變化情況，下雪區(qū)域存在普遍南移的現(xiàn)象，零度等溫線以南部分區(qū)域?qū)τ诘啦砣谘┭b置的需求日趨迫切。如何從工程設(shè)計(jì)方面，圍繞降低工程建設(shè)投資和后期運(yùn)營(yíng)成本，提高用電利用率，減少雪季對(duì)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的影響，以便更好地為鐵路運(yùn)輸服務(wù)，對(duì)道岔融雪裝置設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深化研究是有實(shí)際意義和必要的。

2 規(guī)范梳理

《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621-2014）中第14.9.1 條[1]、《城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10623-2014）中第15.9.1 條[2]及《鐵路信號(hào)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10007-2017）[3]中第15.0.1 條規(guī)定“在國(guó)內(nèi)零度等溫線（秦嶺-淮河）以北地區(qū)，且20 年年平均降雪日在10 d 及以上區(qū)域的車站及動(dòng)車段（所）接、發(fā)車動(dòng)車組列車進(jìn)路上的道岔應(yīng)設(shè)置道岔融雪系統(tǒng)。”

《市域（郊）鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10624-2020）中第16.1.7 條規(guī)定[4]：“信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求可包括ATO、道岔融雪裝置等。”

上述相關(guān)規(guī)范已明確國(guó)內(nèi)鐵路道岔融雪裝置設(shè)置區(qū)域原則，主要集中在國(guó)內(nèi)地處零度等溫線以北的地區(qū)，對(duì)道岔融雪裝置基本設(shè)計(jì)要求也作了規(guī)定，但對(duì)電氣控制柜布置設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、控制道岔開啟數(shù)量和開啟時(shí)機(jī)均無(wú)明確規(guī)定[5]。

此外，自2008 年全國(guó)范圍的大雪災(zāi)害以來(lái)，下雪區(qū)域普遍南移，對(duì)于零度等溫線以南部分地區(qū)冬季凍雨冰雪對(duì)道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備的影響也日顯突出。由于這些區(qū)域未設(shè)置道岔融雪裝置，日常維護(hù)維修人員工作量成倍增加，且可能造成信號(hào)設(shè)備故障，存在安全隱患。

3 融雪裝置設(shè)置需求分析

3.1 理論分析

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)2011 ～2020 年10 年間，東、西、南、北25 個(gè)城市冬季氣象資料進(jìn)行調(diào)查，根據(jù)多個(gè)城市冬季降雪日及最大積雪深度的統(tǒng)計(jì)情況（如圖1、2 所示），擬針對(duì)現(xiàn)行鐵路規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)道岔融雪裝置設(shè)置范圍的規(guī)定“國(guó)內(nèi)零度等溫線（秦嶺-淮河）以北地區(qū)、且20 年年平均降雪日在10d 及以上的線路，設(shè)置道岔融雪裝置”中涉及的“秦嶺-淮河”、“20 年”、“10 d”幾個(gè)關(guān)鍵要素以及海拔高度因素進(jìn)行分析。

圖1 秦嶺-淮河以北地區(qū)氣象資料Fig.1 Meteorological data of the region on the north side of Qinling Mountains-Huai River isotherm

1）秦嶺-淮河

秦嶺-淮河線是中國(guó)地理區(qū)分北方地區(qū)和南方地區(qū)的地理分界線，簡(jiǎn)稱秦淮線。秦嶺-淮河以南1 月平均氣溫在0℃以上，以北1 月平均氣溫在0℃以下。

圖2 秦嶺-淮河以南地區(qū)氣象資料Fig.2 Meteorological data of the region on the south side of Qinling Mountains-Huai River isotherm

國(guó)內(nèi)鐵路相關(guān)規(guī)范將零度等溫線（秦嶺-淮河）作為判斷是否需要設(shè)置道岔融雪裝置的先決條件是考慮冬季平均氣溫是否在零度以下，是否有下雪的前提溫度條件。而從本次收集氣象資料表也可以看出，在秦淮線以北地區(qū)每年均有不同程度的降雪，以南地區(qū)降雪則以秦淮線附近的省份和個(gè)別西南部高原地區(qū)為主。由于國(guó)內(nèi)地形地貌復(fù)雜多樣，境內(nèi)包含山川、河流、沙漠、戈壁、高原、平原，想要以一個(gè)明確的地域界限來(lái)統(tǒng)籌規(guī)定鐵路是否設(shè)置道岔融雪裝置有一定的難度，因此規(guī)范選定以秦嶺-淮河為界來(lái)作為先決條件是相對(duì)合理可行的。

2）20 年年平均降雪日

通過(guò)調(diào)查顯示，國(guó)內(nèi)氣候變化的現(xiàn)狀與趨勢(shì)：一是大范圍增溫；二是近50 年來(lái)，全國(guó)極端氣侯事件的頻率和強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯變化。可見，國(guó)內(nèi)降雪雖然總體存在減少的趨勢(shì)，但是由于極端天氣變化明顯，特別是下雪區(qū)域普遍南移，且南部地區(qū)凍雨情況明顯比北部地區(qū)嚴(yán)重。如果僅僅選取5 年、10 年或15 年年平均降雪日來(lái)作為規(guī)范判定鐵路設(shè)置道岔融雪裝置的一個(gè)因素，或多或少均存在一定的片面性，缺乏合理性。因此，建議仍以20 年年平均降雪日作為一個(gè)關(guān)鍵判定因素。

3）10 d 及以上

對(duì)于規(guī)范中規(guī)定的“年平均降雪日10 d 及以上”這一關(guān)鍵因素，結(jié)合本次研究對(duì)國(guó)內(nèi)東、西、南、北25 個(gè)城市降雪氣象資料調(diào)查表來(lái)分析：位于秦淮線以北地區(qū)的城市近10 年的年平均降雪日有66.7%地區(qū)均在10 d 以上，其余地區(qū)10 年年平均降雪日均接近10 d；位于秦淮線以南地區(qū)，以安徽、江蘇、浙江、湖北、湖南、貴州省地區(qū)的城市較為典型，其10 年年平均降雪日均在5 ～10 d，且?guī)缀趺磕甓加薪笛瑐€(gè)別地區(qū)（比如合肥、南京、杭州、長(zhǎng)沙）積雪深度甚至比淮河以北地區(qū)都大，其余地區(qū)則降雪較少。可見，近年來(lái)極端天氣的變化造成了下雪區(qū)域南移的現(xiàn)象是比較明顯的，但是畢竟因?yàn)榍鼗淳€以南地區(qū)冬季氣溫低于零度的時(shí)間相對(duì)北部地區(qū)較少。如果嚴(yán)格以年平均降雪日達(dá)到10 d 及以上來(lái)判定該區(qū)域內(nèi)的鐵路是否設(shè)置道岔融雪裝置，秦淮線以南區(qū)域幾乎是不可能滿足規(guī)范要求的，甚至以北的部分區(qū)域也不滿足規(guī)范中規(guī)定的設(shè)置要求。但是從近年來(lái)的工程實(shí)際運(yùn)用來(lái)看，道岔融雪裝置對(duì)于冬季鐵路，特別是高速鐵路的安全、高效運(yùn)行起著非常重要的作用，因此有必要對(duì)關(guān)于鐵路道岔融雪裝置設(shè)置范圍的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

4）海拔高度

國(guó)內(nèi)地勢(shì)總特點(diǎn)是西高東低，不同的海拔高度氣候條件是不同的。從本次收集的氣象資料來(lái)看，秦淮線以北地區(qū)降雪情況主要還是以南北緯度來(lái)劃分的，盡管是海拔較低的區(qū)域，但是越靠北的地區(qū)，降雪日和降雪深度都越高，可見海拔高度并不起主要決定作用；秦淮線以南地區(qū)除靠近零度等溫線的安徽、江蘇、浙江、湖北、湖南幾個(gè)省份（海拔均較低）降雪稍多以外，以地處云貴高原的貴州省降雪稍多，如表1 所示。由上可見，海拔高度對(duì)于降雪有一定的影響，但是決定作用并不顯著，因此鐵路規(guī)范不宜將所屬區(qū)域的海拔高度作為判定是否設(shè)置道岔融雪裝置的限制條件。

表1 海拔高度-氣象資料統(tǒng)計(jì)Tab.1 Altitudes and corresponding meteorological data

3.2 建議

結(jié)合上述調(diào)查的國(guó)內(nèi)近10 年冬季降雪資料，通過(guò)理論分析，同時(shí)根據(jù)鐵路工程建設(shè)需求，相關(guān)規(guī)范中道岔融雪裝置設(shè)置范圍建議修改為：“國(guó)內(nèi)零度等溫線（秦嶺-淮河）以北地區(qū)，且20 年年平均降雪日在5 d 及以上的線路，宜設(shè)置道岔融雪裝置，宜采取分時(shí)啟動(dòng)方式。零度等溫線（秦嶺-淮河）以南地區(qū)，且20 年年平均降雪日在5 d 及以上的線路，結(jié)合線路情況，可設(shè)置道岔融雪裝置。”

4 融雪裝置工程設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

道岔融雪裝置設(shè)計(jì)主要包括電氣控制柜的布置、控制終端的配置、電加熱元件的配置、各種電源和控制電纜的布置等[6-10]。在此主要從電氣控制柜不同的設(shè)置方案論述其對(duì)工程建設(shè)投資的影響，從電氣控制柜控制道岔的開啟時(shí)機(jī)方面論述其對(duì)用電需求的不同，以及對(duì)后期運(yùn)營(yíng)能耗的影響，并選取了不同大小規(guī)模的多種站場(chǎng)站型，分別以寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)進(jìn)行設(shè)備配置，全面論述。此外，對(duì)其他主要設(shè)備如調(diào)度所遠(yuǎn)程控制終端、電加熱元件工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化進(jìn)行了研究。

4.1 電氣控制柜

4.1.1 設(shè)置方案

本次選取大、中、小不同規(guī)模的3 種類型車站對(duì)電氣控制柜的設(shè)置方案進(jìn)行比選。以10 股道/50組道岔車站為例，電氣控制柜按以下2 種方案設(shè)置。

方案1：本方案按照控制柜盡量設(shè)置于道岔附近，減少控制柜至隔離變壓器間的電力電纜進(jìn)行布置。全站共需設(shè)置15 個(gè)控制柜，電力變壓器需分別引出15 條電力電纜至15 個(gè)電氣控制柜。

方案2：本方案按照控制柜輸出回路盡量滿配進(jìn)行配置，減少控制柜數(shù)量。全站設(shè)置11 個(gè)控制柜，電力變壓器需分別引出11 條電力電纜至11 個(gè)電氣控制柜。

主要工程數(shù)量及投資對(duì)比如表2 所示。可以看出，按照控制柜輸出回路盡量滿配進(jìn)行配置，通過(guò)減少控制柜數(shù)量，減少電力變壓器至控制柜間電力電纜，效果明顯優(yōu)于將電氣控制柜緊鄰道岔設(shè)置、電纜少過(guò)軌、減少控制柜至隔離變壓器電纜長(zhǎng)度此類措施對(duì)工程建設(shè)投資的影響。且車站規(guī)模越大，道岔組數(shù)越多，按此原則優(yōu)化方案，投資減少更多，效果越加明顯。優(yōu)化后的方案2 較方案1 投資節(jié)省45.35 萬(wàn)元。

表2 主要工程數(shù)量及投資對(duì)比Tab.2 Comparison of the quantity of major items and investments

4.1.2 控制道岔開啟數(shù)量及開啟時(shí)機(jī)方案

電氣控制柜是整個(gè)融雪裝置的主要部件，安裝在車站咽喉區(qū)。電氣控制柜為底層控制功能單元，擔(dān)負(fù)現(xiàn)場(chǎng)層控制功能，一臺(tái)電氣控制柜控制多組道岔，每次啟動(dòng)道岔的數(shù)量所需的功率直接決定了電力用電量[11-12]。為此，合理的確定每一個(gè)電氣控制柜控制道岔的同時(shí)開啟數(shù)量，以及開啟時(shí)機(jī)是可以大大優(yōu)化電力用電量需求的。本次選取了不同規(guī)模車站，道岔電加熱元件按寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)配置，對(duì)車站道岔融雪控制系統(tǒng)中電氣控制柜控制道岔開啟數(shù)量及開啟時(shí)機(jī)進(jìn)行比選。不同規(guī)模車站采用分時(shí)啟動(dòng)方案的用電量及空載損耗對(duì)比示意如圖3、4所示。

圖3 分時(shí)啟動(dòng)方案用電量示意Fig.3 Schematic diagram of the power consumption of asynchronous starting scheme

圖4 分時(shí)啟動(dòng)方案空載損耗示意Fig.4 Schematic diagram of the no-load loss of asynchronous starting scheme

現(xiàn)以10 股道/50 組道岔車站為例，車站道岔融雪裝置按寒冷地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)配置，如表3 所示。

表3 各方案用電功率對(duì)比Tab.3 Comparison of electric power of each scheme

表3 中方案1 每個(gè)電氣控制柜首先啟動(dòng)正線上的道岔，不影響正線通過(guò)及接/發(fā)車進(jìn)路，按此原則進(jìn)行分時(shí)啟動(dòng)方案配置，提高融雪效率，同時(shí)降低用電量需求。方案2 是在電力容量有限，且擴(kuò)容困難的條件下，每個(gè)控制柜只允許一組道岔開啟。

可見，在保證車站正線道岔、關(guān)鍵道岔優(yōu)先啟動(dòng)，不影響列車進(jìn)路的情況下，優(yōu)化后的控制方案對(duì)用電量的需求均可降低30%～40%，且選用道岔分時(shí)啟動(dòng)方式，能控制變壓器容量，直接減少空載損耗值。

4.2 控制終端

調(diào)度所遠(yuǎn)程控制終端可實(shí)現(xiàn)融雪裝置的遠(yuǎn)程控制，包括遠(yuǎn)程控制總電源、控制各道岔的融雪裝置開啟和關(guān)閉、分別控制每個(gè)加熱回路電源的開啟和關(guān)閉。

道岔融雪裝置的開啟和關(guān)閉與實(shí)時(shí)天氣情況有很大的關(guān)聯(lián)，一般均由車站值班人員或者電務(wù)工作人員實(shí)時(shí)啟動(dòng)和關(guān)閉，而遠(yuǎn)程控制終端設(shè)置一般在路局調(diào)度中心，將道岔融雪裝置的控制權(quán)交由調(diào)度中心的值班人員，實(shí)屬不便，也沒有任何操作優(yōu)勢(shì)。從本次研究調(diào)查資料顯示，各大路局調(diào)度中心多不設(shè)置道岔融雪遠(yuǎn)程控制終端，設(shè)有遠(yuǎn)程控制終端的其使用率也不高。且通過(guò)對(duì)一些路局和設(shè)計(jì)院人員調(diào)研了解，均提出現(xiàn)場(chǎng)對(duì)道岔融雪裝置設(shè)置遠(yuǎn)程操作終端無(wú)需求。為此，建議道岔融雪裝置不設(shè)遠(yuǎn)程操作終端，滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)需求，亦可節(jié)省工程建設(shè)投資[13]。

4.3 電加熱元件

近10 年來(lái)，原中國(guó)鐵路總公司先后印發(fā)了《哈大客專道岔融雪補(bǔ)強(qiáng)方案評(píng)審意見》（運(yùn)電信號(hào)函[2013]313 號(hào)）、《哈大客專道岔加熱條安裝位置改進(jìn)措施評(píng)審意見》（運(yùn)電信號(hào)函[2014]579 號(hào)），并于2015 年8 月發(fā)布了《鐵路道岔融雪裝置安裝圖》（通號(hào)（2015）9401），用以指導(dǎo)鐵路工程中道岔融雪裝置的安裝。直至2018 年12 月國(guó)家鐵路局發(fā)布《電加熱道岔融雪系統(tǒng)設(shè)備》（TB/T 3539-2018）[14]對(duì)電加熱元件安裝范圍作了詳細(xì)規(guī)定。可見，隨著鐵路道岔融雪裝置在國(guó)內(nèi)高速鐵路上的大量應(yīng)用，國(guó)家鐵路相關(guān)部門不斷的總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、完善應(yīng)用，力求讓道岔融雪裝置為鐵路運(yùn)輸發(fā)揮出最大的作用。

從本次調(diào)研資料顯示，各路局對(duì)于電加熱元件的安裝建議主要集中在擴(kuò)大電加熱元件安裝范圍，比如在尖軌第一牽引點(diǎn)前方增加加熱元件、在道岔岔尖劃床板處增加加熱元件、在第一二牽引點(diǎn)基本軌外側(cè)增加加熱元件、將密貼檢查器加熱板功率提高放至密檢器下方等。對(duì)于電加熱元件安裝范圍的確定，建議在工程實(shí)施工程中與運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位進(jìn)一步溝通，在現(xiàn)有的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、通用圖的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步了解不同區(qū)域路局管內(nèi)道岔融雪設(shè)備存在的特殊情況，適當(dāng)調(diào)整電加熱元件的安裝范圍，更好地滿足運(yùn)營(yíng)使用需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)各重點(diǎn)城市氣象資料的深入分析，提出了道岔融雪裝置設(shè)置范圍的規(guī)范條文修訂建議；通過(guò)對(duì)鐵路道岔融雪裝置工程設(shè)計(jì)情況以及路局運(yùn)用情況的調(diào)研，對(duì)電氣控制柜、調(diào)度所遠(yuǎn)程控制終端等設(shè)備的工程設(shè)計(jì)優(yōu)化方案研究，提出相應(yīng)的工程設(shè)計(jì)建議，供參考。