地鐵站臺(tái)土建結(jié)構(gòu)板上設(shè)置站臺(tái)門絕緣的原理及方法

馬建文

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 430063， 武漢∥高級工程師)

地鐵站臺(tái)安全門能夠把乘客與列車進(jìn)行隔離，防止乘客掉落站臺(tái)，同時(shí)保證空調(diào)冷源和熱源不被運(yùn)行列車帶走，因此站臺(tái)安全門是地鐵車站必備設(shè)施。由于站臺(tái)安全門與軌道回流軌連接以保持等電位，所以站臺(tái)門必須保證絕緣安裝，同時(shí)在站臺(tái)設(shè)置絕緣層。GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第9.3.11條對此作了明確的規(guī)定，并將其作為強(qiáng)制性條款。

但是根據(jù)國內(nèi)站臺(tái)門絕緣安裝后的檢測效果來看，無論是剛施工完還是運(yùn)營后，絕緣電阻普遍沒有達(dá)標(biāo)，甚至沒有電阻。如果這樣，為安全起見，站臺(tái)門就不與回流軌連接，從而使列車與站臺(tái)門就形成了跨步電壓，如果站臺(tái)絕緣層還失效，將對乘客的安全構(gòu)成雙重威脅。

站臺(tái)門絕緣同站臺(tái)絕緣層聯(lián)系非常緊密。如果站臺(tái)絕緣層效果差，站臺(tái)門絕緣就不會(huì)好。站臺(tái)絕緣層原來只有絕緣卷材一種方案，絕緣卷材由于易被刺破，且卷材四周必須打膠密封，只要有一個(gè)漏點(diǎn)，整跨絕緣就會(huì)失效。因此，整體復(fù)合絕緣層(絕緣砂漿)方案應(yīng)運(yùn)而生，使絕緣性能得到可靠保證，這樣可以投入精力來進(jìn)行站臺(tái)門絕緣性能的提升研究。

1 站臺(tái)門絕緣設(shè)置及存在問題

目前，保證站臺(tái)門絕緣性能普遍的做法，是由站臺(tái)門廠家在門體立柱上下支座上設(shè)置絕緣套筒及絕緣墊片。雖然這種安裝工藝從理論上看確實(shí)能保證立柱金屬不與土建結(jié)構(gòu)接觸而導(dǎo)通，但是地鐵車站環(huán)境不是理想狀態(tài)，主要體現(xiàn)在：

1) 施工階段，各工種交叉作業(yè)、裝修或土建專業(yè)的水泥砂漿很容易附在絕緣墊片或絕緣套筒上，而且不易發(fā)現(xiàn)、不易清理，從而導(dǎo)致絕緣失效。

2) 在施工驗(yàn)收或運(yùn)營階段，對門體進(jìn)行絕緣檢測時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常普遍的現(xiàn)象，即絕緣電阻時(shí)有時(shí)無，時(shí)高時(shí)低。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，濕度高時(shí)絕緣電阻小甚至測不出來，濕度低時(shí)電阻出現(xiàn)，因此空氣濕度對門體絕緣影響非常大。

2 站臺(tái)門門體電流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及電阻的測量原理

首先，了解電流(電荷)在電場作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：

(1)

式中：

i——電流，為單位時(shí)間內(nèi)通過某一橫截面S的電荷量，A；

q——電荷，C；

t——時(shí)間，s。

電流方向?yàn)檎姾傻牧鲃?dòng)方向，形成電流的條件為：① 存在可以自由移動(dòng)的電荷；② 存在電場。這里需要說明的是，電流通常是時(shí)間的函數(shù)，不隨時(shí)間變化的電流稱為恒定電流，用i表示。

一般情況下，在空間不同的點(diǎn)，其電流的大小和方向往往是不同的。在電磁理論中，常用體電流、面電流和線電流來描述電流的分布狀態(tài)。

2.1 體電流

電荷在某一體積內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)所形成的電流稱為體電流，用電流密度矢量J來描述(描述截面上電流分布，A/m2)：

(2)

式中:

en——正電荷運(yùn)動(dòng)的方向。

體電流密度矢量如圖1所示。流過任意曲面S的體電流為：

(3)

圖1 體電流密度矢量

2.2 面電流

電荷在一個(gè)厚度h可以忽略的薄層內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)所形成的電流稱為面電流，用面電流密度矢量JS(單位為A/m2，見圖2)來描述其分布：

(4)

圖2 面電流密度矢量

通過薄導(dǎo)體層上任意有向曲線l的電流為：

(5)

2.3 電流的大小

電流的大小除與電場(電壓)大小呈正相關(guān)外，還與物體電阻大小呈負(fù)相關(guān)。對于物體電阻來說，與體電流相對應(yīng)的是體積電阻，用R1表示;與面電流相對應(yīng)的是表面電阻，用R2表示。

2.4 物體的整體電阻

為方便描述，本文以梯形絕緣體為對象進(jìn)行分析，如圖3所示。由圖可見，在一定電壓下物體電流分別從物體內(nèi)部及物體表面流走，相當(dāng)于一個(gè)并聯(lián)電路。圖中,Is為表面電流,Iv為體積電流。

圖3 電流在絕緣體內(nèi)部及表面走向示意圖

圖3類似于一個(gè)并聯(lián)電路，電流I=Is+Iv。從而可以得出總電阻R的計(jì)算式為：

R=R1×R2(R1+R2)=R1(1+R1/R2)

(6)

物體體積電阻R1是不變的，而表面電阻R2為變量。從式(6)可以得出結(jié)論，當(dāng)表面電阻R2變小時(shí)，物體總電阻R也變小。

3 濕度與物體表面電阻的關(guān)系

當(dāng)空氣中的濕度大于60%時(shí)，就會(huì)在物體表面形成肉眼很難觀測到的水膜。濕度越大，表面形成的水膜越密，電流沿絕緣體表面就容易導(dǎo)走，所以表面電阻就變小。從式(6)中可推導(dǎo)出總電阻值也變小，這就是在對站臺(tái)門測電阻時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣電阻時(shí)高時(shí)低，甚至測不出來的根本原因。因此，要想提高門體絕緣電阻，必須提高站臺(tái)門的表面電阻，這樣就可以設(shè)計(jì)出與傳統(tǒng)站臺(tái)門絕緣方式截然不同的最新的絕緣方案。

4 站臺(tái)門新型絕緣方案

通過以上分析，本文提出一種與現(xiàn)有門體絕緣有本質(zhì)區(qū)別的新型絕緣方案，如圖4所示。

圖4 在土建板上設(shè)置絕緣示意圖

具體方法如下：① 不在門體立柱上下支座處設(shè)置絕緣墊或絕緣套管，在門體立柱上下與土建結(jié)構(gòu)板交接處的結(jié)構(gòu)板中嵌入絕緣體，阻斷體電流；② 沿站臺(tái)門通長的上下土建結(jié)構(gòu)表面涂裝絕緣涂層，增大表面電阻，減少表面電流。

筆者研究出一種絕緣體材料，其物理力學(xué)性能及絕緣性能優(yōu)異，可滿足地鐵在復(fù)雜環(huán)境下長期使用的耐久性及功能要求。

1) 絕緣體的材料性能。嵌入站臺(tái)結(jié)構(gòu)板中的材料為現(xiàn)場澆筑的絕緣體，從其參數(shù)分析上可以看出，抗壓強(qiáng)度、黏結(jié)強(qiáng)度很高，遠(yuǎn)高于鋼筋混凝土的力學(xué)性能，而且體積電阻率非常高，具備阻斷體電流的優(yōu)異性能，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 絕緣體材料性能表

2) 土建結(jié)構(gòu)板表面絕緣層的材料性能。在站臺(tái)門立柱上下土建結(jié)構(gòu)板表面設(shè)置表面絕緣涂層，其材料具有比較大的表面絕緣電阻，從而可減少表面電流的泄漏。該涂層材料主要化學(xué)成分為納米無機(jī)材料，合成固化后技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 土建結(jié)構(gòu)板表面絕緣層的材料性能表

5 案例對比試驗(yàn)及結(jié)果分析

在深圳地鐵2號線延長線仙湖站、蓮塘站、蓮塘口岸站進(jìn)行了絕緣方案對比試驗(yàn)，每站情況如下：① 蓮塘站通風(fēng)情況較好，站內(nèi)濕度與站外空氣濕度基本保持一致；② 蓮塘口岸站因?yàn)楹苌睿煌L(fēng)，濕度很大且基本保持不變；③ 仙湖站設(shè)站深度介于以上兩站之間，濕度基本保持不變。

每個(gè)站在站臺(tái)門一側(cè)仍然采用在門體立柱自設(shè)絕緣的方案(簡稱傳統(tǒng)方案)，另一側(cè)采用土建結(jié)構(gòu)板上嵌入絕緣體及涂裝絕緣涂層方案(簡稱新方案)，施工完成后根據(jù)站內(nèi)濕度情況隨機(jī)跟蹤檢測，每站試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3～表5所示。

表3 不同濕度時(shí)蓮塘站站臺(tái)門絕緣電阻實(shí)測表

表4 不同濕度時(shí)蓮塘口岸站站臺(tái)門絕緣電阻實(shí)測表

表5 不同濕度時(shí)仙湖站絕緣電阻實(shí)測表

根據(jù)以上3個(gè)車站的實(shí)測數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：① 傳統(tǒng)方案的絕緣電阻對濕度十分敏感，絕緣電阻隨濕度增加而大幅下降，這是因?yàn)楸砻骐娮璐蠓档偷慕Y(jié)果，當(dāng)濕度大于90%時(shí)，其絕緣電阻趨于零；② 新方案絕緣電阻值比傳統(tǒng)方案絕緣電阻值大大提高；③ 新方案絕緣電阻值也隨濕度增大而降低，但是下降幅度較小，即便濕度大于90%，站臺(tái)門絕緣電阻值仍然較高。

6 結(jié)語

本文從目前地鐵站臺(tái)門絕緣普遍失效及絕緣可靠性差的現(xiàn)實(shí)背景入手，通過理論分析得出空氣濕度與物體表面電阻是負(fù)相關(guān)的，而表面電阻與站臺(tái)門絕緣電阻是正相關(guān)的。因此，要提高站臺(tái)門絕緣性能必須提高物體的表面電阻。進(jìn)而提出一個(gè)顛覆傳統(tǒng)站臺(tái)門絕緣結(jié)構(gòu)的方案，即在站臺(tái)土建結(jié)構(gòu)上設(shè)置絕緣，由嵌入結(jié)構(gòu)板中的絕緣體阻斷體電流，結(jié)構(gòu)板表面設(shè)置絕緣涂層，阻斷表面電流，從而全面增大站臺(tái)門絕緣電阻。該方案將使站臺(tái)門絕緣性能得以普遍提高，通過實(shí)施案例，其絕緣電阻的檢測數(shù)據(jù)證明了該方案理論的正確性，具有工程化應(yīng)用前景。