地鐵屏蔽門打火分析及其解決措施探索

李福強

摘要：目前國內地鐵屏蔽門基本均采用絕緣設計，并將門體與軌道等電位連接，避免因列車車體與安全門間可能會出現的電位差給上下車的乘客造成危害或帶來不適，但由于受施工工藝、潮氣環境、金屬灰塵等因素影響，絕緣極易失效，帶來火花放電、雜散電流影響安全門壽命等不良后果。本研究課題主要對屏蔽門絕緣情況和影響因素進行分析，并對屏蔽門絕緣結構方案進行探尋，為地鐵的安全運營提供保障。

Abstract： Currently， the insulation design are usually used in PSD to avoid the potential difference between the train and PSD may harm or discomfort to passengers， at the same time PSD and rail are connected by cable with the same potential. Due to the construction process， the moisture environment， metal dust and other factors， the insulation can easily fail to bring a spark discharge， stray currents which will affect the screen door life and other adverse consequences. This research analyzes the factors affecting the insulation and PSD， and explore the insulation scheme， to explore solutions to protect the safe operation of the subway.

關鍵詞：城市軌道交通；屏蔽門絕緣；屏蔽門打火

Key words： urban rail transit；shielded door insulation；screen door ignition

中圖分類號：U231+.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0017-07

0 引言

目前國內的城市軌道交通均采用直流750V或1500V供電，機車由接觸網（軌）獲得電能，牽引電流通過行車軌道返回到牽引變電所整流機組負極。為了避免雜散電流對地下金屬管線和混凝土結構鋼筋等造成電腐蝕，軌道與大地是絕緣的。因此，鋼軌與大地之間可能產生較大的電位差，使地鐵列車的車體外殼存在電位差，其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（Rail Over-Voltage Protection Device， OVPD），該裝置一端接鋼軌，另一端接地母排，并設置隔離開關，在正常運行方式下是處于打開狀態，當OVPD測量到鋼軌和接地母排之間的電位差達到一段設定值時，自動合閘將鋼軌和地短接，延遲一段時間（時間可設定）后，裝置自動打開。鋼軌電位限制裝置自動測量鋼軌和地母排之間的電位差，鉗制鋼軌電位在安全電位以下。

目前在國內已建成投入運行的城市軌道交通系統中，普遍存在軌電位異常升高的問題，據測試，當OVPD動作時，鋼軌與地之間的入地電流（雜散電流）可達到800A以上。鋼軌電位限制裝置動作頻繁（多條線路全線軌電位動作次數每天近千次），甚至導致直流框架保護動作，大面積直流停電。當鋼軌電位限制裝置動作時，不可避免會有大量電流經以大地為回路流通，尤其是當有多臺軌電位動作時，對城市地下金屬結構會產生很大的腐蝕。國內部分地鐵運營單位為了保證安全，采取將線路部分軌電位限制裝置運行于永久合閘狀態，此項措施雖然解決了軌電位過高的問題，但這時大量的鋼軌回流通過鋼軌電位限制裝置流入地網，形成雜散電流，對地網和車站金屬結構產生腐蝕，影響地網和車站金屬結構的使用壽命，直至影響到車站的使用壽命。

在廣州地鐵運營中發現，每條運營線路的部分車站均存在軌電位普遍偏高的現象，造成每條線路均有2至3個車站的鋼軌電位限制裝置頻繁動作，一旦鋼軌電位限制裝置動作失靈則對地鐵的運營安全及乘客的人身安全帶來威脅；同時，在運營中發現，由于軌電位的存在，屏蔽門外框結構等對相鄰金屬部件有放電火花的現象時有發生。為減輕軌電位升高給地鐵的運營安全及乘客的人身安全，對每條線路的2至3個車站臨時采取人工永久合閘鋼軌電位限制裝置的措施，采取該臨時措施雖然解決了地鐵的運營安全及乘客的人身安全的問題，但帶來了對隧道、道床的結構鋼和附近的金屬管線造成不同程度的電腐蝕等問題。

地鐵屏蔽門安裝在站臺邊緣，與列車車體之間的距離很近，乘客上下車時極有可能同時接觸到列車車體外殼和屏蔽門門體，即同時接觸到兩種不同電位的金屬材質，如圖1所示。由于列車車體的外殼可能存在較大電位，使得車體與屏蔽門間可能會出現電位差，給上下車的乘客造成危害或帶來不適。為此，目前全國多數地鐵運營線路均采用屏蔽門絕緣設計安裝，同時將屏蔽門與鋼軌等電位連接，保證了乘客上下車時不受鋼軌電位的影響。

但由于受施工、接口專業、潮氣環境等因素影響，屏蔽門絕緣極易失效，因存在90～110V的軌電壓差，屏蔽門結構對相鄰金屬部件會發生火花放電，影響運營和乘客的安全。此外，屏蔽門絕緣失效后，繼續等電位連接，大量雜散電流通過屏蔽門，對車站金屬結構、屏蔽門結構、電氣系統的壽命及運行穩定性帶來影響。

本研究課題主要對屏蔽門絕緣情況和影響因素進行分析，并對屏蔽門絕緣結構方案進行探尋，為地鐵的安全運營提供保障。

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1 項目研究過程

第一階段：現場調研工作。

①屏蔽門打火現象調研。②屏蔽門安裝情況、實際絕緣電阻記錄、施工記錄等。

第二階段：現場絕緣情況初步分析、確定研究方向。

①屏蔽門絕緣結構分析；②屏蔽門絕緣的可能影響因素初步分析；③確定下一步研發方向。

第三階段：測量結果整理、分析。

①完成測量大綱；②進行現場測量；③對測量結果進行整理、分析。

第四階段：屏蔽門絕緣發展方向研究。

2 現場調研

2012年6月，對廣州2號線、3號線及8號線的各站進行現場調研，同時對現場維保記錄進行了分析。（表1）

通過調研發現：①目前多數屏蔽門絕緣不滿足大于0.5MΩ的要求，即時暫時滿足要求的車站，也會隨天氣等因素的影響絕緣阻值而變化。②打火問題頻發，打火部位主要集中在端門面板、固定面板與裝修吊頂之間。③屏蔽門絕緣失效對乘客和運營安全帶來較大影響，應對目前的設計及施工方案深入分析、改進。

3 現場測量及結果分析

3.1 屏蔽門絕緣的影響因素初步分析

①絕緣材料。絕緣材料的選擇不當，極易導致屏蔽門絕緣失效，同時影響屏蔽門整體結構壽命。絕緣材料（PBT）的主要性能指標如表2。

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②絕緣間隙和爬電距離。絕緣結構設計不合理，會導致絕緣失效。屏蔽門與軌道等電位連接后，與大地間產生90～110V的電壓差，根據工作電壓、材料絕緣性質、污染指數等參數確定絕緣間隙和爬電距離。

絕緣套體積電阻率為1.0×1016Ω·cm，以絕緣間隙10mm計算，每個絕緣套電阻值1.0×1016Ω，每側200個并聯，其理論并聯后電阻遠大于絕緣電阻0.5MΩ。

屏蔽門設計中，電氣間隙和爬電距離通常大于理論選擇，即絕緣間隙大于10mm，爬電距離大于12mm。

在實際設計中如以上兩指標不符合要求，將影響絕緣效果。

③天氣和環境因素的影響。因絕緣件表面會附著灰塵，在多雨天氣、車站空氣潮濕的條件下，會導致屏蔽門絕緣阻值降低或絕緣失效。

此外，門檻與絕緣帶之間的縫隙在施工完成后，通常采用絕緣耐候膠收口，但后期使用過程中因各種因素導致膠體脫落、裂開，尤其滑動門區域該問題談比較嚴重，保潔或雨雪天氣時產生的污水進入該縫隙后，造成屏蔽門絕緣阻值降低或絕緣失效。

從現場實際情況來看，該因素影響較大。

④接口專業施工的影響。接口專業施工對屏蔽門絕緣的影響因素有：1）絕緣地板施工導致屏蔽門的絕緣失效：絕緣件粘附砂土、絕緣帶與門檻間隙小、絕緣縫隙中有異物等。2）裝修專業的天花吊板與屏蔽門頂箱面板間隙過小。3）端門區域屏蔽門裝飾板與土建墻之間的間隙過小。4）其它專業設備與屏蔽門間隙過小，或有鐵絲等導電體與屏蔽門搭接。

⑤熱影響。列車停站時，車輛底部及上部有大量熱能排出，排熱部位與絕緣處理位置接近，隨著溫度升高，屏蔽門與車站建筑結構之間的絕緣體變軟，其抗剪強度會逐步喪失。當溫度超過絕緣體的額定值時，將導致絕緣退化（壽命縮短），還可能造成塑變或炭化，促使絕緣體的局部破裂。

⑥電氣影響。當絕緣材料承受由地鐵產生的電磁場時，絕緣材料的表面或內部空隙會發生放電。屢次放電所產生的離子電弧和離子運動將嚴重侵蝕絕緣材料，使其絕緣性能下降。

3.2 屏蔽門現場絕緣測量

3.2.1 測量項

根據現場調研報告，屏蔽門打火主要集中于三處：

①固定面板與裝修吊頂之間；②端門固定面板與裝修掛板之間；③端門與邊門的連接拐角處。

另外，根據報告統計，等電位電纜燒焦的原因主要集中于端門絕緣失效。重點針對以上位置進行絕緣電阻和絕緣距離的測量。具體見《測量大綱》。

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3.2.2 測量結果

2012年12月分別對白云大道、飛翔公園、嘉禾望崗、南方醫院進行了測量。

具體測量結果見《廣州地鐵軌電位過高和屏蔽門打火分析及其解決措施-測量記錄》。

3.2.3 測量結果分析

對測量結果進行整理、分析后，總結如下：

①門體絕緣阻值（表3）。測量的四個站中，均存在絕緣失效的問題。同時，端門區域因與其它專業收口較多，比較容易導致絕緣失效。

②軌道對大地的絕緣阻值。通過4個站的測量發現，軌道絕緣阻值均為零。

3.2.4 測量結論

①屏蔽門盡管采取了絕緣設計，且通過了施工驗收，但由于與其它專業的收口較多，如絕緣帶施工、裝修專業、管道專業等，稍有施工失誤，極易造成絕緣失效；同時存在施工現場不易管理的問題。②屏蔽門絕緣會因后期運營過程中天氣環境、粉塵、潮濕、絕緣密封接口損壞等因素導致絕緣失效。③軌道對大地絕緣阻值偏低，將門體與軌道等電位連接后會影響屏蔽門的絕緣效果。④目前的屏蔽門安裝絕緣方案存在較大缺陷，對乘客和運營安全存有較大隱患，應對其進行深入研究分析。

4 屏蔽門絕緣方案建議

4.1 屏蔽門與鋼軌不進行等電位連接的可行性分析

根據國家相關標準規定，安全電壓為不高于36V，安全電流為10mA。人體感知電流，交流為1mA，直流為5mA。

2014年1月14日，廣州地鐵建設事業總部、中鐵電氣化勘測設計院等對萬勝圍站進行了相關測量。在拆除屏蔽門與鋼軌間的等電位線后，測量了鋼軌與屏蔽門、鋼軌與大地、屏蔽門與大地間的電位差，分別如圖3、圖4、圖5所示。

根據《萬勝圍車站屏蔽門懸浮與鋼軌電位測試報告》電位檢測數據，在列車未進站時，屏蔽門對鋼軌電位不大于36V，小于人體能接受的安全電壓，車輛加速駛出期間，屏蔽門與鋼軌電位差升高，電位能達到鋼軌電位限制裝置動作值，其持續時間在5～10S。

理論上，屏蔽門絕緣阻值良好，且大于0.5MΩ的情況下，可較好的保護乘客的乘車安全。但由于外部環境、施工等因素的影響，目前多數屏蔽門絕緣狀況不理想，普遍存在絕緣失效的情況。

根據萬勝圍現場測量數據分析推斷，屏蔽門與鋼軌間不進行等電位連接，對乘客乘車的安全影響較小，在北京地鐵，目前大部分地鐵運營線路沒有將屏蔽門與鋼軌作等電位連接，也尚未有乘客因此感覺不適的情況報告，加上鋼軌電位限制裝置的保護作用，異常情況下鋼軌電位可限制在合理的范圍內。此外，考慮在屏蔽門與鋼軌之間安裝電壓檢測裝置，當列車停車時，檢測電壓大于設定值時，檢測裝置將鋼軌與車站接地網連接，將軌電位降低至安全電壓。

綜上，根據目前的測量數據分析及運行情況，將屏蔽門與鋼軌不作等電位連接，同時增加電壓實時檢測裝置，初步判斷是可行的。

4.2 門體結構方案一

屏蔽門不做整體絕緣設計、安裝，只對屏蔽門局部做絕緣處理，其結構、門體與大地直接連通。具體實施如下：

屏蔽門與土建站臺板及土建頂梁間不作絕緣安裝。如圖6所示。

本方案會導致列車與屏蔽門間產生電位差，影響乘客安全通過對乘客在乘車時可能碰到的區域采取絕緣處理的方式解決，該區域包括：門檻板、門楣、立柱裝飾板、滑動門、應急門、后封板等。同時，應對車輛相應區域作絕緣防護處理，避免因屏蔽門絕緣防護失效，危及乘客安全。（圖7）

①門檻板的絕緣防護。

門檻板防護重點對滑動門門檻板和應急門門檻板進行防護，固定門門檻區域可不作考慮，門檻板的防護形式采用如下兩種形式：

1）碳鋼門檻支撐+絕緣防護層。

門檻板采用Q235碳鋼板支撐，表面覆蓋一層絕緣材料，如尼龍、絕緣橡膠等，結構形式如圖8所示。

該結構具有如下優點：

a）碳鋼支撐可確保屏蔽門整體鋼結構的強度和門檻板的局部剛度。

b）表面覆蓋的絕緣材料可同時起防滑作用，確保乘客的乘車安全。

c）表層絕緣材料可作顏色選擇，起到良好的區別功能區域的作用。比如，可將滑動門門檻設計成綠色，應急門門檻設計成黃色。

該結構形式須注意如下問題的解決：

a）表層絕緣材料的絕緣性能。

b）表層絕緣材料的耐磨、耐老化性，防火、阻燃等是否符合地鐵相關規范要求。

c）該結構形式必須考慮可維護性，便于絕緣層失效后的更換。

2）門檻整體采用絕緣材料。

門檻板整體采用絕緣性能好的材料，如工程塑料、尼龍等。該結構形式具有如下優點：

a）因門檻整體采用絕緣材料，絕緣易保障。

b）表面覆蓋的絕緣材料可同時起防滑作用。

該結構形式，同樣必須考慮門檻的整體剛度、可加工性、耐磨性、耐老化、防火性等。為了門檻表面更耐磨和外觀金屬質感，可以在表面使用嵌入蝕刻（或沖壓）不銹鋼板。（圖9）

②立柱裝飾板的絕緣防護。

屏蔽門兩側的立柱裝飾板在乘客區域內，乘車過程中最易碰到，因此應重點作絕緣防護，可采用以下絕緣方案：

1）噴涂絕緣層。

立柱裝飾板采用金屬材料，如碳鋼或鋁材，表面噴涂一層絕緣材料，如絕緣烤瓷、絕緣漆等。

2）裝飾板整體采用絕緣材料。

立柱裝飾板可采用絕緣橡膠等材料制作，同時為確保一定的強度，橡膠內襯碳鋼骨架。該結構受到磕碰時，不易損傷，同時，因橡膠的緩沖特性，可起到保護乘客免受磕傷的作用。此方式在日本地鐵運營線路中較多采用，如圖10、11所示。

③門楣的絕緣防護。

相對于立柱、門檻，門楣在乘客乘車過程中受到觸摸和外物磕碰損傷的幾率較小，因此可采用碳鋼板內襯，外噴絕緣層或透明絕緣薄膜的結構形式。這樣可確保門楣、立柱裝飾板、面板等的整體外觀顏色一致，不會影響屏蔽門的整體美觀。

④滑動門的絕緣防護。

滑動門門框在乘客乘車過程中易被乘客觸摸到，產生電壓差，從而導致可能的傷害，且開關門過程中被外物磕碰而影響絕緣效果的幾率較高，故滑動門應重點絕緣防護。

滑動門通常由玻璃粘接在門框上組成，如圖12所示，由于玻璃屬于絕緣體，因此重點對滑動門門框進行防護。門框可采用如下形式進行絕緣處理：1）噴涂絕緣層，如絕緣漆、絕緣烤瓷等。2）門框外表面粘貼絕緣防護薄膜。

⑤后封板的防護。

后封板在乘客乘車過程中觸碰的幾率相對較小。因此可采用碳鋼板內襯，外噴絕緣漆、絕緣烤瓷的結構形式。

注意：絕緣處理后的門檻板、門楣、立柱裝飾板、滑動門、應急門、后封板等，相對大地的絕緣值應不小于0.5MΩ（采用500V兆歐表測量）。

⑥方案特點。

相對于目前屏蔽門的絕緣方式，該方案具有如下特點：

1）施工質量容易保障。

屏蔽門與裝修、管線等專業間的接口較多，施工過程中的管理不善，易造成屏蔽門絕緣失效。

本方案僅對滑動門和乘客易接觸的區域作絕緣處理，與其它專業間的接口較少，不會因其它專業的施工影響導致屏蔽門絕緣區域的絕緣效果。

2）整體鋼構強度易保障。

目前的屏蔽門設計方案是：鋼構立柱底部通過螺栓與底座相連，頂部通過鋼件伸縮套與上部固定件相連，全部為鋼結構直接連接，大大提高了屏蔽門整體結構強度，并不會因為其他因素而發生變化。

3）維護方便。

目前的屏蔽門設計方案中的絕緣件和頂部絕緣套因受周期性結構壓力作用，并受空氣氧化等因素的影響，將逐漸老化，機械性能、絕緣性等降低，因此須定期更換。絕緣件的更換一般在非運營期軌道側作業，作業強度和作業難度較高。而此方案將不需要對屏蔽門整體絕緣的絕緣件，所以維護會更方便，在正常設計30年年限內無需更換。

4）減少雜散電流對車站建筑結構的腐蝕。

由于屏蔽門與軌道不作等電位連接，可有效避免回流軌雜散電流通過屏蔽門腐蝕車站建筑結構，確保車站壽命。

另外，此方案對運營線路中屏蔽門系統絕緣失效整改給出了可操作的方案。

4.3 方案二

屏蔽門絕緣安裝，但不與軌道等電位連接。

本方案中，屏蔽門對大地絕緣安裝，絕緣電阻大于0.5

MΩ，同時，屏蔽門與軌道間不作等電位連接，即屏蔽門懸浮安裝，屏蔽門與列車間的位置及電位如圖13所示。

4.3.1 結構特點

該方案的特點是：

①屏蔽門與軌道不作等電位連接，可避免回流軌雜散電流通過屏蔽門腐蝕車站建筑結構，確保車站的設計壽命不受影響。

②屏蔽門絕緣效果良好的情況下，可較好的保障乘客上下車的人身安全。此外，如前所述，屏蔽門與車站建筑結構間的絕緣值不達標，但不作等電位連接的情況下，對其乘客的乘車安全影響較小。

③對于接觸網式供電方式，因存在接觸網搭在屏蔽門上的風險，影響乘客安全，屏蔽門不適合采用此方式。

4.3.2 確保絕緣效果措施的探討

由于該方案中，盡管絕緣失效對乘客安全影響較小，但不能完全避免特別情況，同時地鐵屬于公共安全工程，應最大化保障乘客的安全，因此如何確保絕緣符合要求，且保持長期有效是技術重點，建議從如下幾方面進行探討：①對乘客可觸及的區域，進行有效的二次絕緣防護。②嚴格施工管理。③做好屏蔽門與相關專業間的技術交流。④做好屏蔽門與相關專業間施工工序的合理安排。⑤如前所述，在屏蔽門與鋼軌之間安裝電流或電壓檢測裝置。

4.4 絕緣區域的設計探討

為避免乘客同時觸及站臺和列車，產生跨步電壓差，危及乘客安全，目前通常將臺邊緣距離屏蔽門1m左右的范圍內設置為絕緣區域，其絕緣做法是：在站臺裝修層下敷設絕緣層，或在裝修層以上鋪設絕緣地板，以實現屏蔽門門體與大地之間的絕緣。

在前述方案中，均不可避免乘客產生跨步電壓的可能，因此應繼續設置絕緣區域。

5 結論

本文通過對現場調研及測量數據分析，得出如下結論。①由于施工、環境等因素的影響，運營線路中的屏蔽門絕緣效果不佳，存在絕緣失效的問題，而繼續采取將屏蔽門與鋼軌等電位連接，會導致通過屏蔽門，對車站金屬結構、屏蔽門結構、電氣系統的壽命及運行穩定性帶來影響，同時打火等危險現象影響運營安全。因此，推薦屏蔽門與鋼軌不等電位連接。②提出了兩種屏蔽門絕緣方案：1）屏蔽門不作整體絕緣設計，乘客易接觸部分做絕緣處理，方案詳述見4.2。2）屏蔽門整體絕緣設計，但不與軌道等電位連接，方案詳述見4.3。備注：綜合實際測量數據和各種因素分析，優先推行方案一。③為避免乘客跨步電壓，目前的絕緣帶區域應繼續作絕緣設計。

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