城市軌道交通成套開關裝置絕緣參數研究

夏才為

摘 要：城市軌道交通是一個復雜的交通體系，也是未來解決城市交通擁堵問題的重要發展方向。由于它具有運轉周期長、運量大、效率高、污染低和節能型等優勢，符合城市“綠色出行”的發展要求，對于高新技術（如磁懸浮系統）又具有較好的融合性，因此在城市建設中得到了重視。國內城市軌道交通建設起步較晚然而發展速度較快，一定程度上受到了快速城市化的影響，特別是在成套開關裝置絕緣參數層面，至今尚未形成統一的標準，這造成了極大的適用性缺陷。文章針對這一問題展開研究，并在具體參數設置方面提出一些建議。

關鍵詞：城軌交通；開關裝置；行業標準；絕緣參數

中圖分類號：U231+.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0039-02

根據我國《城市交通分類標準》（CJJ/T 114-2007）的概念界定，“城市軌道交通”是指“設置全封閉或部分封閉的專用軌道線路”，從交通運輸職能上分析，它不具有地面交通路線改動的隨意性，而是需要專門設計的軌道扶著結構承重和運輸導向，以列車、單車的形式達到“規模化”運量；從交通系統分類角度分析，城市軌道交通主要有地鐵系統、輕軌系統、單軌系統、懸浮系統等構成，其中地鐵是我國城市規劃設計中主要的軌道交通形式，即存在于地下的“鐵路干線”。無論哪一種城市軌道交通類型，它的構成都相對龐大和復雜，需要大量電子設備、電氣設備介入，其中成套開關裝置是必不可少的組成部分。

1 城市軌道交通成套開關裝置絕緣參數現狀概述

“城市軌道交通成套開關裝置”（以下簡稱“開關裝置”）是地鐵電氣化系統中的重要組成部分，但就目前來說，從國家層面到行業范疇中都沒有開關裝置絕緣參數的統一標準，能夠借鑒的文獻主要包括《低壓成套開關設備和控制設備》（GB7251.1-2005），《低壓開關設備和控制設備總則》（GB/T 14048.1-2000）；作者將其稱之為“參考文獻”而并非直接可以采用的標準化“條款”，原因在于以上的標準制定中，雖然存在交流電、直流電低壓開關應用設備、控制設備的共性作用內容，但同時，并沒有限定1.5KV的使用范圍，特別是在直流電1.5KV級別的詳細要求上，基本上找不到關于軌道開關適用性的裝置絕緣參數要點。

對比可知，國外在城市軌道交通直流電1.5KV成套開關裝置絕緣參數體系制定上，已經形成了較為完善的標準體系，如歐盟EN50123-1標準參數，從經濟性、技術性共同滿足的前提下展開分析，包括了工頻耐受干試電壓、濕試電壓、空氣間隙、爬距、雷電沖擊耐壓等；在借鑒的同時，國內在開關裝置絕緣參數設定方面較為可行的還包括《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》GB/T 11022-1999；客觀上，在城市軌道交通建設中，成套開關裝置絕緣參數的標準化體系構建需要考慮的內容高很多，本文中選擇了若干主要內容展開分析。

2 沖擊耐壓值及工頻耐壓值參數分析

由于開關裝置的沖擊耐壓值與絕緣材料、爬電距離、電氣間隙等存在密切的聯系，因此在參數極限設計上，它應該大于（最少等于）軌道開關裝置瞬間狀態下可能產生的電壓規定值。而工頻耐壓值相對的影響要素簡單，它主要有設備的額定絕緣電壓值決定，因此在不同城市軌道系統中設計開關裝置絕緣參數，主要考慮設備額定絕緣電壓值對應性即可。

當然，額定絕緣電壓值并不是唯一參考，例如，額定絕緣電壓最高達到1.5KV的情況下，開關裝置標稱電壓（直流）是1.5KV，但工作電壓為直流1.8KV，這種情況下，必然要先考慮最高工作電壓值。

諸如此類問題，在綜合考慮的過程中會發現影響軌道交通成套開關裝置絕緣參數設定的要素不僅多，而且存在復雜性和沖突性。究其原因，包括設計方、制造方、安裝方和運營方等多個主體在內，缺乏對開關裝置沖擊耐壓值和工頻耐壓值的統一性溝通，使用中就出現了混亂狀態。結合數據來說，當前的工頻耐壓干試驗存在50KV-100KV等數值，工頻耐壓濕試驗中存在25KV，26KV，30KV等數值，雷電沖壓耐受電壓的試驗中也同樣如此，并且，這些數值設定并沒有一個科學的引用來源，大多是根據相關部門自身的設備水平而定。

很明顯，我國電氣系統及元件的設計、生產和安裝過程中，額定值設計都存在偏高的現象，關于耐壓參數是否需要如此，本文以下會進行進一步的說明。但針對耐壓參數的具體設定，可以結合現有的《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》（GB/T 11022-1999）作為參考設定，我們以3.6KV高壓開關為參考對象，如下表1所示。

結合表1中的相關對比數值可知，在3.6KV高壓開關設備中的參數類比，“相對地”18KV和40KV的情況下，“隔離斷口”分別是20KV和46KV，這一參考數據相對當前的軌道交通系統中開關裝置絕緣參數是比較高的；如果直接選用，作者建議的是“相對地”10KV和20KV的一組數值，即明顯較低的一組，在3.6KV高壓開關設備下，可以擴展為戶內、戶外1.5KV軌道開關狀感知使用，并且仍然存在很大的富裕度。

3 空氣間隙及爬距參數分析

3.1 空氣間隙參數分析

國內在電氣設備耐受電壓設定方面主要參考的是額定數值、環境污染等級等，包括GB/T 14048.1以及GB 7251.1等標準，特別是在一些長期戶外運行的電氣系統中，應該說綜合考量還是十分豐富和完善的。但這并不能掩蓋缺乏周期性檢測和數據統籌的缺陷，突出表現為額定沖擊耐受電壓值較低，目前最高設定為12KV，相對應的，這一耐受標準只是應與小于等于2.3KV額定絕緣電壓水平。事實上，我國城市交通中結合VO3等級的戶內軌道交通系統開關裝置的“最小空氣間隙均勻電場”要求分析，即相對地數值最小為4.5mm，非均勻電場為14mm；但空氣間隙標準并沒有被引入到相對地、隔離斷口額定絕緣電壓的設定上，例如在3KV相對地、隔離斷口開關設備的設計、制造、安裝和使用方面，可以經常發現遠大于這一標準的空氣間隙情況，200mm、300mm、450mm等設定同樣沒有參數的引用出處，這造成城市軌道交通成套開關裝置供應商選定過程中的大量問題，并且問題會統一被歸納到制造領域。

3.2 爬距參數分析

GB/T 14048.1以及GB 7251.1等標準中只給出了絕緣電壓、實際工作電壓在1KV以下的電氣設備標準，對于1.5KV的軌道交通開關裝置參考價值有限，尤其在軌道交通開關裝置的爬距方面，無論是國家標準還是行業標準基本上都處于空白狀態。電氣系統中爬距影響主要來源于三個方面的要素，分別是環境污染等級、絕緣材料和額定絕緣電壓。制造商在爬距標準設定上也較為隨意，加上一些現有的標準中，爬距設定缺乏與其他影響因素的關聯性，造成借鑒的混亂。如《3.6KV-40.5KV交流金屬密封開關設備和控制設備》（GB3906-2006）中的相關要求，無論戶內和戶外的情況下，12KV開關設備的相間、相對地爬距都要考慮材質問題，1類設計推薦瓷質材料（14mm/KV），2類設計推薦瓷質材料（18mm/KV）以及有機絕緣材料（20mm/KV），相對來說，作者較為推薦1類材料，原因在于無機材料絕緣性能實現過程中，不需要爬距大于電氣間隙，也不會出現氣痕現象。

綜合以上內容來闡明一個問題，即前文中提到國內軌道交通成套開關裝置絕緣參數的設定范圍問題，一些機構和企業認為在參數設定上應該越高越好、越大越好，甚至超出軌道系統安全范圍的較大程度。似乎只有這樣，才能最大限度地保障軌道交通運轉中的安全和穩定；作者認為這是完全沒有必要的，一方面，電氣設備的應用中有它自身的規律性，我們可以通過技術方式進行鑒定，只需要將最大影響要素考慮在內，并在此標準中展開相應的參數設定即可，并不必要無限制的擴大。另一方面，過大的參數設置，很有可能造成城市軌道交通的建設成本增加，尤其在后期的安裝、運行和維護上，這是完全沒有必要的。

4 結束語

我國快速城市化進程中，城市軌道交通規劃和設計工作被高度重視起來，不僅建設數量多、規模大，并且在不同的城市環境、需求下存在類型多元化要求，客觀上城市軌道交通的技術適應性也提出了更高挑戰。一個完善的城市軌道交通系統是由大量電氣設備系統、網絡系統、電子系統等共同構建的，每一個部分都不可或缺并發揮著重要功能。從這個角度上說，國內軌道交通開關裝置絕緣參數的統一性、標準化就很有意義，它可以有效地保障軌道交通運輸穩定，以及乘客自身的安全性。

參考文獻：

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