交流轉轍機八線制道岔控制電路的研制

吳 松,丁建莉,劉長山,張子驁

(1.中鐵電氣化局集團有限公司設計研究院,北京 100166； 2.北京地鐵運營有限公司通號分公司,北京 100044； 3.明尼蘇達大學,美國明尼蘇達州)

鐵路道岔是鐵路軌道的重要組成部分和關鍵設備[1]，轉轍裝置[2]是帶動道岔尖軌轉換位置并能將尖軌固定在定位或反位的設備，可實現列車或車列的轉線作業。 我國高速鐵路、普速鐵路及城市軌道交通[3]采用的轉轍裝置主要有交流電動轉轍機(S700K、ZDJ9)、交流電液轉轍機(ZY7、ZYJ4)和直流電動轉轍機(ZD6系列轉轍機)[4]。其中交流電動轉轍機和交流電液轉轍機的控制電路均采用《交流轉轍機道岔控制電路圖冊》(DS0501) 定型圖冊中的五線制交流轉轍機道岔控制電路(以下簡稱五線制電路)。

1 現狀與問題

北京地鐵于2007年10月開通的5號線首次采用ZDJ9型交流轉轍機，隨后ZDJ9相繼在北京地鐵6號線、8號線、9號線、15號線、房山線、亦莊線、昌平線和機場線等多條地鐵線路上使用。地鐵運營間隔[5]較小，特別是在早晚高峰時運營間隔達到120 s，曾多次出現因電動轉轍機控制電路中的2DQJ繼電器第一、二組加強接點拉弧灼燒損壞產生接點接觸不良，引起道岔控制電路故障，導致列車不能折返，大量乘客滯留，嚴重影響市民出行。

北京地鐵公司為了減少此類故障對運營造成的影響，修改繼電器檢修規程，將折返站[6]的2DQJ繼電器的檢修周期由6個月縮短為2個月，并規定從折返車站替換下來的2DQJ繼電器經過檢修后只能使用于非折返站。即便采取了以上措施，此類故障還是時有發生，影響地鐵正常運營秩序。

2 現場觀察、分析及測試

2.1 現場觀察

為了找到2DQJ繼電器接點拉弧燃燒損壞的原因，選取北京地鐵亦莊線臺湖車輛段培訓中心及7號線的折返站—北京西站站進行現場觀察及測試。

觀察發現2DQJ轉極時接點斷開的瞬間發生拉弧現象。定位向反位轉換時發生在第一組中接點與前接點斷開的瞬間，反位向定位轉換時發生在第二組中接點與后接點斷開的瞬間。7號線北京西站站2號道岔的2DQJ繼電器接點僅僅使用了19 d已經有明顯灼傷變黑痕跡。

在道岔啟動電路中加裝 “轉轍機在線監測儀”，對2DQJ繼電器接點電流進行監測，測試結果顯示， 2DQJ繼電器接點瞬間峰值電流為10 A，最高瞬間峰值電流能達到14 A。

2.2 原因分析

交流電動轉轍機(ZDJ9[7]、S700K[8])、交流電液轉轍機(ZYJ系列)[9]工作電流不大于2 A，2DQJ繼電器接點拉弧到底是因為道岔啟動時接通的瞬間啟動電流太大產生拉弧[10]，還是因為接點斷開的瞬間產生拉弧還不明確。

從現場測試和觀察的情況來看，若是因為道岔啟動時峰值電流較大，拉弧現象應該發生在2DQJ接點接通的瞬間，但接點接通時并沒有產生明顯的拉弧現象，反而是在接點斷開的瞬間產生明顯的拉弧現象。通常情況下，繼電器接點拉弧發生在帶電斷開或者帶電接通的瞬間[11]，由電路原理可知，2DQJ繼電器完成轉極后才能向室外電動轉轍機送出AC380V動作電源，轉極前接點不應該有電。為了找到帶電的原因，應首先對五線制電路進行詳細分析。

在五線制電路圖中，2DQJ繼電器采用的是JYJXC-160/260[12]有極加強接點繼電器。其兩組加強接點11和12[13]均分別用于接通AC380V的B相和C相電源，A相電源由1DQJ的第一組接點接通，向室外電機送出AC380V的動作電源。道岔控制電路正常的動作順序為(以定位向反位轉換為例，如圖1、圖2所示)：聯鎖[14]驅動反位操縱FCJ繼電器勵磁吸起，接通1DQJ繼電器的3-4線圈使1DQJ繼電器勵磁吸起，1DQJ的第三組前接點接通1DQJF的1-4線圈使1DQJF繼電器勵磁吸起，通過FCJ第二組前接點和1DQJF的第四組前接點給2DQJ的1-2線圈送電，使2DQJ轉極，2DQJ轉極后把室內的AC380V電源通過電纜送到室外交流電動轉轍機，使其帶動道岔轉換到反位，待道岔轉換到規定位置后，轉轍機內部的自動開閉器斷開道岔控制電源[15]。道岔控制電路繼電器動作時序：FCJ↑→1DQJ↑→1DQJF↑→2DQJ轉極→送出AC380V動作電源。

圖1 1DQJ和2DQJ啟動電路[16]

經仔細分析后發現，1DQJ繼電器吸起，通過其第一組前接點率先向室外交流轉轍機送出AC380V動作電源的A相(如圖2中①虛線所示)，待2DQJ轉極后，再通過其第一組、第二組后接點分別送出AC380V動作電源的B相、C相(如圖2中②、③虛線所示)，至此AC380V動作電源的A、B、C三相均送出，轉轍機開始動作帶動道岔轉換。但從繼電器的動作時序發現，2DQJ轉極電路是1DQJF吸起后接通的，換句話說1DQJ和1DQJF吸起之后2DQJ繼電器才開始轉極，即存在一個時機1DQJ和1DQJF吸起，而2DQJ還未轉極(其時長約為0.07～0.12 s)[17]，由于五線制電路中動作電路與表示電路合用，AC380V動作電源B相電源通過表示電路送出至電機(如圖3中②虛線所示)，致使2DQJ的第一組前接點帶上了電；C相電源也由2DQJ的第二組前接點送到室外，但由于轉轍機內部自動開閉器41、42接點之間斷開而沒有送到電機(如圖3中③虛線所示)線圈上，2DQJ繼電器轉極，其第一組前接點就在帶電情況下斷開，產生拉弧現象(第二組前接點因自動開閉器接點斷開C相電源沒有形成回路，無拉弧現象發生)。同理，反位向定位轉換時，1DQJ繼電器吸起，通過其第一組前接點率先向室外電機送出AC380V動作電源的A相(如圖4中①虛線所示)，AC380V動作電源C相電源通過表示電路送出至電機(如圖4中③虛線所示)。致使2DQJ的第二組后接點在帶電情況下斷開，產生拉弧現象[18]。

圖2 五線制道岔控制電路

圖3 定位向反位轉換時表示電路構通動作電源

為了驗證分析的正確性，在北京地鐵7號線焦化廠車輛段培訓中心進行了現場測試，定位向反位轉換時，在X2中串入1個1 Ω/5 kW電阻，用示波器在電阻兩端進行測試，示波器顯示有交流電的3個半波流過X2，與分析結果吻合。這就是為什么道岔定位向反位轉換時2DQJ第一組前接點拉弧，反位向定位轉動時第二組后接點拉弧的真正原因。

圖4 反位向定位轉換時表示電路構通動作電源

3 解決措施

圖5 動作電路

從以上分析和現場測試，已經明確找到2DQJ接點拉弧的原因。由于五線制控制電路存在設計缺陷，導致AC380V動作電源經表示電路發生了串電，致使2DQJ繼電器轉極之前接點帶電，斷開瞬間產生拉弧灼燒損壞接點接觸不良，最終導致道岔控制電路故障。因此，解決這個問題就從AC380V動作電源經表示電路發生串電這一環節入手，將動作電路與表示電路分開，斷開表示電路溝通動作電源的回路，使2DQJ繼電器接點斷開時不帶電，徹底消除斷開時接點拉弧。但由于轉轍機控制電路涉及列車的運營安全，五線制電路是目前國內的統一電路，已經廣泛使用于高速鐵路、普速鐵路和地鐵，電路安全性經過了多年的驗證，所以，新電路設計時主要考慮以下幾個方面[19]。

(1)動作及表示電路分開。

(2)動作電路的原理保持不變。

(3)表示電路采用經過驗證的成熟可靠的電路。

(4)繼電器的類型保持不變。

(5)增加電纜芯數盡可能少。

根據上述原則，首先，將交流五線制道岔控制電路中動作電路與表示電路分開，如圖5、圖6所示。

既有的五線制電路中，動作電路由于電機在正向、反向轉換時動作電源AC380V的B相和C相需要換相，換相是由轉轍機內部的自動開閉器接點實現的，定位操作的動作線為X1、X2、X5，反位操作的動作線為X1、X3、X4，其中X1為共用線，動作電路需要電纜芯線5芯(圖5)；表示繼電器(DBJ、FBJ)與室外整流二極管是并聯關系，定位表示線為X1、X2、X4，反位表示線為X1、X3、X5，其中X1為共用線，表示電路需要電纜芯線5芯(圖6)。若按上述電路把動作電路和表示電路分開使用，電纜芯線將由原來的5芯增加到10芯，整個電路共需要電纜芯線10芯。

圖6 五線制道岔控制電路的表示電路

為了減少表示電路電纜芯線的數量，借鑒四線制直流轉轍機道岔控制電路(簡稱四線制電路)，該控制電路使用年限比五線制電路還長，安全性和可靠性均得到充分驗證。該電路中表示繼電器與室外二極管是串聯使用，電纜的一芯為定位和反位表示共用回線，整個表示電路共計使用電纜芯線3芯，不僅安全性和可靠性得到充分保障[20]，還把表示電纜由5芯減少到3芯，降低工程投資。如圖7所示。

圖7 四線制道岔控制電路的表示電路

最后形成的電路為動作電路與表示電路分開，道岔啟動電路(1DQJ、1DQJF、 2DQJ及BHJ等勵磁電路)與五線制相同，動作電路為5線，表示電路為3線，形成交流轉轍機八線制道岔控制電路(簡稱八線制電路)，如圖8所示。

圖8 八線制電路

4 現場試驗驗證及評審

為了對八線制電路進行驗證，對比八線制電路與五線制電路2DQJ繼電器接點拉弧的情況，自2017年6月28日起，在北京地鐵7號線焦化廠車輛段的培訓中心進行了試驗，采用2組ZDJ9轉轍機，一組采用五線制電路控制，一組采用八線制電路控制，五線制電路與八線制電路中的2DQJ繼電器均采用同一批次新出所檢修后的繼電器。并設計了自動操縱道岔電路，控制2臺轉轍機同時轉動，自動電路的操作頻次與現場折返站基本一致， 180s定、反位來回操作1次，全天24 h自動循環操作。每次動作時，五線制電路中的2DQJ接點拉弧現象非常明顯，而八線制電路2DQJ接點沒有任何拉弧現象發生，1周后五線制電路中的2DQJ繼電器接點灼燒變黑明顯，2個月后發生了接點接觸不良，引起道岔控制電路故障，八線制電路2DQJ繼電器接點光亮如新。2017年9月，八線制電路通過了信號專家組的技術評審。

5 結語

八線制電路保持了五線制電路的動作電路，表示電路采用了四線制道岔控制電路的表示電路，完全保留了原電路的安全性，徹底解決2DQJ繼電器接點拉弧的問題，降低了道岔控制電路的故障率，拉高了交流道岔控制電路的穩定性，大幅減小因道岔控制電路故障對運營的影響，控制電路與表示電路分開，電路原理更為直觀，更便于現場的維修和故障處理，將大大縮短故障處理的時間。

該八線制電路不僅適用于城市軌道交通道岔轉轍機，同樣也適用于高速鐵路和普速鐵路。