地鐵站臺屏蔽門等電位智能導通裝置的研發構想

陳 輝 劉 啟 劉 懿

（成都地鐵有限公司運營公司，610031，成都∥第一作者，高級工程師）

受施工工藝水平限制，目前站臺屏蔽門系統的裝修絕緣普遍難以滿足運營要求。行業內對站臺屏蔽門絕緣不良帶來的等電位線應不應該接的問題也爭議較多。在絕緣不良情況下，等電位線的連接將會造成屏蔽門通過絕緣薄弱處進行電流漏泄，并產生打火現象。這一方面會造成火災隱患，另一方面會產生大量的雜散電流進入車站，從而長期產生電腐蝕，將會對相關建筑及設備設施壽命帶來影響。

成都地鐵1號線開通以來，已多次發生站臺屏蔽門打火現象。針對上述問題，地鐵公司已多次召開行業內專家分析研討會，有兩種意見：一是保持站臺屏蔽門與鋼軌的等電位線連接；二是干脆不接等電位線，采用屏蔽門增加絕緣膜的方案以防止乘客觸摸形成電壓差。保持等電位線連接無法解決打火問題，但完全不接等電位線僅依靠絕緣膜又經常會因乘客原因造成絕緣膜破損，無論是采用哪種方案都存在一定的缺陷和風險。

為解決上述問題，通過研究發現，如果開發一種智能導通裝置，在列車停穩后保持站臺屏蔽門與鋼軌的等電位連接導通，車門關閉后斷開站臺屏蔽門與鋼軌的連接，這樣就可以解決乘客安全和雜散電流腐蝕（或打火）問題，同時又能對站臺屏蔽門絕緣情況進行在線監測，便于及時采取預防措施。

1 站臺屏蔽門等電位連接的原理及存在問題

根據地鐵工程的規范要求，在鋼軌作為牽引回流通路時，站臺屏蔽門需要與站臺結構及周邊設施實現絕緣安裝，絕緣電阻應不小于0.5 MΩ，同時與鋼軌之間實現等電位連接。這主要是因為：由于鋼軌是回流軌，為避免直流電源對結構鋼筋、金屬管道的腐蝕，鋼軌需與地絕緣，因此鋼軌與地間存在電壓。若站臺屏蔽門不與鋼軌進行等電位連接或站臺屏蔽門絕緣不夠時，當列車停靠在站臺時，列車與站臺屏蔽門間將存在電壓，即軌地電位。若此電位超出人體能耐受的電壓，將危及旅客安全。其具體原理如圖1所示。

在實際的工程實施過程中，由于工期緊張、多工序交叉作業，站臺屏蔽門與站臺結構及周邊設施實現絕緣安裝的難度很大。在運營后因站臺絕緣層進水或其他破壞而導致絕緣下降的情況也經常發生。

圖1 列車牽引回流與站臺屏蔽門間產生電壓差示意圖

由于鋼軌與站臺屏蔽門之間采用電纜形式實現了完全的等電位連接，在站臺屏蔽門的絕緣下降或者絕緣完全被破壞時，會有大量的牽引回流通過鋼軌進入站臺屏蔽門，造成站臺屏蔽門之間或內部出現打火、拉弧的現象，并可能引發火災。

目前，成都地鐵1號線、2號線站臺屏蔽門自開通以來已發生多次打火事件，故存在著潛在的安全風險。

在對成都地鐵1號線火車北站站臺屏蔽門等電位連接線的電流實際測試中，發現連接線有超過500 A的電流，一般情況下根據牽引回流的不同及站臺屏蔽門絕緣電阻的變化，有90～300 A 左右的電流進入站臺屏蔽門，大致占牽引回流的10%以上。

因此，對站臺屏蔽門等電位連接進行研究已顯得十分必要。

由于大電流在列車進出站起停的瞬間表現得更為明顯，現提出開發一種智能導通裝置的構想，在需要接通時實現等電位接通，以確保乘客安全，而在其他時候保持斷開以防止雜散電流進入車站。這將能有效地緩解目前面臨的絕緣問題，同時實現對站臺屏蔽門絕緣的在線監測。

2 站臺屏蔽門等電位智能導通裝置的原理

2.1 主要工作原理

1）在無列車停靠的正常情況下，站臺屏蔽門與大地進行連接，與鋼軌不連接，以確保站臺人員的安全，并防止鋼軌電流串入車站。

2）當列車進站停穩后，通過接受站臺屏蔽門聯動指令，斷開站臺屏蔽門與地的連通，閉合站臺屏蔽門與鋼軌的等電位連接，并對連通電流進行監測，若通過電流大于設定值時，則斷開站臺屏蔽門與鋼軌的連通（起到絕緣監測和漏電保護作用），遏制站臺屏蔽門絕緣薄弱點“打火”；待列車關門后，所有開關恢復正常狀態。當列車門或者站臺屏蔽門因障礙物存在而不能關閉并鎖緊的情況下，可以通過車站人員隔離故障車門或通過站臺屏蔽門上的就地控制盤（PSL）實施“互鎖解除”信號后手動開關門。站臺屏蔽門等電位智能導通裝置通過與站臺屏蔽門的接口，采集相關信號并做出站臺屏蔽門關閉的邏輯判斷，給出等電位連接斷開指令。

2.2 改進后的系統優點

1）保證了任何時候的人員安全，站臺屏蔽門要么保持與地連接，要么與鋼軌實現等電位連接，始終可以保障乘客安全。

2）只在列車停站時鋼軌與站臺屏蔽門保持接通（避開了列車起動時產生的大電流），并做了電流限制處理，可以遏制站臺屏蔽門打火現象，有效降低雜散電流通過站臺屏蔽門進入車站。

3）通過對等電位連接線導通電流的監測，可以動態給出站臺屏蔽門絕緣不良的報警，以便及時采取處理措施。

2.3 系統構成原理圖

根據站臺屏蔽門等電位線的連接需要，站臺屏蔽門等電位智能導通裝置的構成如圖2所示。

圖2 站臺屏蔽門智能導通裝置原理圖

其主要控制邏輯為：

1）“手／自動轉換開關”在自動位：當站臺屏蔽門開關信號給出關門指令時，繼電器SSR1斷開，繼電器SSR2接通，實現站臺屏蔽門接地；當站臺屏蔽門開關信號給出開門指令時，SSR2 斷開，SSR1 接通，實現站臺屏蔽門與鋼軌的等電位連接。此時對通過站臺屏蔽門和鋼軌之間的電流進行監測，若電流大于設定值（可調整，可考慮為站臺屏蔽門打火電流的臨界值），控制SSR1斷開（視情況設定短時導通時間），實現電流保護并給出站臺屏蔽門絕緣損壞和打火報警。當列車門或站臺屏蔽門因障礙物存在，而不能關閉并鎖緊的情況下，由車站人員手動隔離故障車門，手動操作站臺屏蔽門關閉，最終站臺屏蔽門給出手動關門信號，站臺屏蔽門導通裝置視為車門關閉。站臺屏蔽門導通裝置按正常關閉程序聯動SSR1斷開、SSR2接通，實現站臺屏蔽門接地。

2）“手／自動轉換開關”在手動位：手動控制用于站臺屏蔽門人工等電位的通斷控制，以便于設備檢修，也可用于日常情況下站臺屏蔽門的絕緣檢測。

SSR 可選擇大電流開斷控制元器件，可考慮為IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、接觸器或固態繼電器，可結合整體開斷能力和動作壽命來最終選定。

3 成本測算和風險點分析

根據設計方案，相關的研發成本如表1所示。待研發成型，軟件通過測試后，相關成本僅為生產成本和現場安裝成本，通過批量采購，單臺裝置的工廠生產成本可控制在1萬元以內。

表1 站臺屏蔽門智能導通裝置研發成本測算表

現對站臺屏蔽門等電位智能導通裝置研發的風險點分析如下：

1）智能導通裝置需要快速控制大電流的開斷，其動作頻率快、開斷電流大，需要選擇可靠的設備元器件，否則易影響整體裝置的可靠性。具體實施階段需在IGBT、高壽命機械接觸器、大電流固態繼電器等中進行比較和選擇。2）當全部站臺屏蔽門等電位連接更換為該裝置后，可能存在所有車站的站臺屏蔽門等電位斷開而僅有其中一個上下客車站等電位連通的情況，從而導致一個供電分區的軌道回流集中對某個車站的站臺屏蔽門等電位裝置進行沖擊，會造成瞬間電流過大的可能。

以上風險點是關系到站臺屏蔽門智能導通裝置研發成功的關鍵，特別是多點連接變為一點連接后的實際泄放電流大小是否會影響到直流保護框架動作，這就需要對站臺屏蔽門導通允許電流進行有效測定，并設置合適的保護值。

4 結語

站臺屏蔽門智能導通裝置相對于簡單的站臺屏蔽門等電位連接或不設連接而言，提供了更加靈活的第三種選擇，實現了站臺屏蔽門絕緣的在線監測和消除了“打火”現象。同時，通過裝置的智能控制策略，可降低潛在的安全風險；另外，還可以采取包括站臺屏蔽門金屬體貼絕緣膜等措施，以保障乘客和設備安全。

［1］GB50157—2013地鐵設計規范［S］.

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