鐵路道岔融雪裝置工程設計標準優化研究

寧詠梅，閆宏偉

（1.中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600；2.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司，北京 100038）

1 概述

近年來隨著國內鐵路大規模建設，電加熱道岔融雪裝置已經得到了廣泛應用。電加熱道岔融雪裝置歷經多年的發展與工程建設應用，暴露出耗能高、運營維護成本高、系統設計標準不完善等問題。且結合近年來國內天氣變化情況，下雪區域存在普遍南移的現象，零度等溫線以南部分區域對于道岔融雪裝置的需求日趨迫切。如何從工程設計方面，圍繞降低工程建設投資和后期運營成本，提高用電利用率，減少雪季對道岔轉換設備的影響，以便更好地為鐵路運輸服務，對道岔融雪裝置設計標準進行深化研究是有實際意義和必要的。

2 規范梳理

《高速鐵路設計規范》（TB 10621-2014）中第14.9.1 條[1]、《城際鐵路設計規范》（TB 10623-2014）中第15.9.1 條[2]及《鐵路信號設計規范》（TB 10007-2017）[3]中第15.0.1 條規定“在國內零度等溫線（秦嶺-淮河）以北地區，且20 年年平均降雪日在10 d 及以上區域的車站及動車段（所）接、發車動車組列車進路上的道岔應設置道岔融雪系統。”

《市域（郊）鐵路設計規范》（TB 10624-2020）中第16.1.7 條規定[4]：“信號系統設計根據運營需求可包括ATO、道岔融雪裝置等?！?/p>

上述相關規范已明確國內鐵路道岔融雪裝置設置區域原則，主要集中在國內地處零度等溫線以北的地區，對道岔融雪裝置基本設計要求也作了規定，但對電氣控制柜布置設計標準、控制道岔開啟數量和開啟時機均無明確規定[5]。

此外，自2008 年全國范圍的大雪災害以來，下雪區域普遍南移，對于零度等溫線以南部分地區冬季凍雨冰雪對道岔轉換設備的影響也日顯突出。由于這些區域未設置道岔融雪裝置，日常維護維修人員工作量成倍增加，且可能造成信號設備故障，存在安全隱患。

3 融雪裝置設置需求分析

3.1 理論分析

通過對國內2011 ～2020 年10 年間，東、西、南、北25 個城市冬季氣象資料進行調查，根據多個城市冬季降雪日及最大積雪深度的統計情況（如圖1、2 所示），擬針對現行鐵路規范標準中對道岔融雪裝置設置范圍的規定“國內零度等溫線（秦嶺-淮河）以北地區、且20 年年平均降雪日在10d 及以上的線路，設置道岔融雪裝置”中涉及的“秦嶺-淮河”、“20 年”、“10 d”幾個關鍵要素以及海拔高度因素進行分析。

圖1 秦嶺-淮河以北地區氣象資料Fig.1 Meteorological data of the region on the north side of Qinling Mountains-Huai River isotherm

1）秦嶺-淮河

秦嶺-淮河線是中國地理區分北方地區和南方地區的地理分界線，簡稱秦淮線。秦嶺-淮河以南1 月平均氣溫在0℃以上，以北1 月平均氣溫在0℃以下。

圖2 秦嶺-淮河以南地區氣象資料Fig.2 Meteorological data of the region on the south side of Qinling Mountains-Huai River isotherm

國內鐵路相關規范將零度等溫線（秦嶺-淮河）作為判斷是否需要設置道岔融雪裝置的先決條件是考慮冬季平均氣溫是否在零度以下，是否有下雪的前提溫度條件。而從本次收集氣象資料表也可以看出，在秦淮線以北地區每年均有不同程度的降雪，以南地區降雪則以秦淮線附近的省份和個別西南部高原地區為主。由于國內地形地貌復雜多樣，境內包含山川、河流、沙漠、戈壁、高原、平原，想要以一個明確的地域界限來統籌規定鐵路是否設置道岔融雪裝置有一定的難度，因此規范選定以秦嶺-淮河為界來作為先決條件是相對合理可行的。

2）20 年年平均降雪日

通過調查顯示，國內氣候變化的現狀與趨勢：一是大范圍增溫；二是近50 年來，全國極端氣侯事件的頻率和強度出現了明顯變化。可見，國內降雪雖然總體存在減少的趨勢，但是由于極端天氣變化明顯，特別是下雪區域普遍南移，且南部地區凍雨情況明顯比北部地區嚴重。如果僅僅選取5 年、10 年或15 年年平均降雪日來作為規范判定鐵路設置道岔融雪裝置的一個因素，或多或少均存在一定的片面性，缺乏合理性。因此，建議仍以20 年年平均降雪日作為一個關鍵判定因素。

3）10 d 及以上

對于規范中規定的“年平均降雪日10 d 及以上”這一關鍵因素，結合本次研究對國內東、西、南、北25 個城市降雪氣象資料調查表來分析：位于秦淮線以北地區的城市近10 年的年平均降雪日有66.7%地區均在10 d 以上，其余地區10 年年平均降雪日均接近10 d；位于秦淮線以南地區，以安徽、江蘇、浙江、湖北、湖南、貴州省地區的城市較為典型，其10 年年平均降雪日均在5 ～10 d，且幾乎每年都有降雪，個別地區（比如合肥、南京、杭州、長沙）積雪深度甚至比淮河以北地區都大，其余地區則降雪較少?？梢?，近年來極端天氣的變化造成了下雪區域南移的現象是比較明顯的，但是畢竟因為秦淮線以南地區冬季氣溫低于零度的時間相對北部地區較少。如果嚴格以年平均降雪日達到10 d 及以上來判定該區域內的鐵路是否設置道岔融雪裝置，秦淮線以南區域幾乎是不可能滿足規范要求的，甚至以北的部分區域也不滿足規范中規定的設置要求。但是從近年來的工程實際運用來看，道岔融雪裝置對于冬季鐵路，特別是高速鐵路的安全、高效運行起著非常重要的作用，因此有必要對關于鐵路道岔融雪裝置設置范圍的相關規定進行適當的調整。

4）海拔高度

國內地勢總特點是西高東低，不同的海拔高度氣候條件是不同的。從本次收集的氣象資料來看，秦淮線以北地區降雪情況主要還是以南北緯度來劃分的，盡管是海拔較低的區域，但是越靠北的地區，降雪日和降雪深度都越高，可見海拔高度并不起主要決定作用；秦淮線以南地區除靠近零度等溫線的安徽、江蘇、浙江、湖北、湖南幾個省份（海拔均較低）降雪稍多以外，以地處云貴高原的貴州省降雪稍多，如表1 所示。由上可見，海拔高度對于降雪有一定的影響，但是決定作用并不顯著，因此鐵路規范不宜將所屬區域的海拔高度作為判定是否設置道岔融雪裝置的限制條件。

表1 海拔高度-氣象資料統計Tab.1 Altitudes and corresponding meteorological data

3.2 建議

結合上述調查的國內近10 年冬季降雪資料，通過理論分析，同時根據鐵路工程建設需求，相關規范中道岔融雪裝置設置范圍建議修改為：“國內零度等溫線（秦嶺-淮河）以北地區，且20 年年平均降雪日在5 d 及以上的線路，宜設置道岔融雪裝置，宜采取分時啟動方式。零度等溫線（秦嶺-淮河）以南地區，且20 年年平均降雪日在5 d 及以上的線路，結合線路情況，可設置道岔融雪裝置。”

4 融雪裝置工程設計優化方案

道岔融雪裝置設計主要包括電氣控制柜的布置、控制終端的配置、電加熱元件的配置、各種電源和控制電纜的布置等[6-10]。在此主要從電氣控制柜不同的設置方案論述其對工程建設投資的影響，從電氣控制柜控制道岔的開啟時機方面論述其對用電需求的不同，以及對后期運營能耗的影響，并選取了不同大小規模的多種站場站型，分別以寒冷地區和嚴寒地區進行設備配置，全面論述。此外，對其他主要設備如調度所遠程控制終端、電加熱元件工程設計標準優化進行了研究。

4.1 電氣控制柜

4.1.1 設置方案

本次選取大、中、小不同規模的3 種類型車站對電氣控制柜的設置方案進行比選。以10 股道/50組道岔車站為例，電氣控制柜按以下2 種方案設置。

方案1：本方案按照控制柜盡量設置于道岔附近，減少控制柜至隔離變壓器間的電力電纜進行布置。全站共需設置15 個控制柜，電力變壓器需分別引出15 條電力電纜至15 個電氣控制柜。

方案2：本方案按照控制柜輸出回路盡量滿配進行配置，減少控制柜數量。全站設置11 個控制柜，電力變壓器需分別引出11 條電力電纜至11 個電氣控制柜。

主要工程數量及投資對比如表2 所示。可以看出，按照控制柜輸出回路盡量滿配進行配置，通過減少控制柜數量，減少電力變壓器至控制柜間電力電纜，效果明顯優于將電氣控制柜緊鄰道岔設置、電纜少過軌、減少控制柜至隔離變壓器電纜長度此類措施對工程建設投資的影響。且車站規模越大，道岔組數越多，按此原則優化方案，投資減少更多，效果越加明顯。優化后的方案2 較方案1 投資節省45.35 萬元。

表2 主要工程數量及投資對比Tab.2 Comparison of the quantity of major items and investments

4.1.2 控制道岔開啟數量及開啟時機方案

電氣控制柜是整個融雪裝置的主要部件，安裝在車站咽喉區。電氣控制柜為底層控制功能單元，擔負現場層控制功能，一臺電氣控制柜控制多組道岔，每次啟動道岔的數量所需的功率直接決定了電力用電量[11-12]。為此，合理的確定每一個電氣控制柜控制道岔的同時開啟數量，以及開啟時機是可以大大優化電力用電量需求的。本次選取了不同規模車站，道岔電加熱元件按寒冷地區和嚴寒地區配置，對車站道岔融雪控制系統中電氣控制柜控制道岔開啟數量及開啟時機進行比選。不同規模車站采用分時啟動方案的用電量及空載損耗對比示意如圖3、4所示。

圖3 分時啟動方案用電量示意Fig.3 Schematic diagram of the power consumption of asynchronous starting scheme

圖4 分時啟動方案空載損耗示意Fig.4 Schematic diagram of the no-load loss of asynchronous starting scheme

現以10 股道/50 組道岔車站為例，車站道岔融雪裝置按寒冷地區標準配置，如表3 所示。

表3 各方案用電功率對比Tab.3 Comparison of electric power of each scheme

表3 中方案1 每個電氣控制柜首先啟動正線上的道岔，不影響正線通過及接/發車進路，按此原則進行分時啟動方案配置，提高融雪效率，同時降低用電量需求。方案2 是在電力容量有限，且擴容困難的條件下，每個控制柜只允許一組道岔開啟。

可見，在保證車站正線道岔、關鍵道岔優先啟動，不影響列車進路的情況下，優化后的控制方案對用電量的需求均可降低30%～40%，且選用道岔分時啟動方式，能控制變壓器容量，直接減少空載損耗值。

4.2 控制終端

調度所遠程控制終端可實現融雪裝置的遠程控制，包括遠程控制總電源、控制各道岔的融雪裝置開啟和關閉、分別控制每個加熱回路電源的開啟和關閉。

道岔融雪裝置的開啟和關閉與實時天氣情況有很大的關聯，一般均由車站值班人員或者電務工作人員實時啟動和關閉，而遠程控制終端設置一般在路局調度中心，將道岔融雪裝置的控制權交由調度中心的值班人員，實屬不便，也沒有任何操作優勢。從本次研究調查資料顯示，各大路局調度中心多不設置道岔融雪遠程控制終端，設有遠程控制終端的其使用率也不高。且通過對一些路局和設計院人員調研了解，均提出現場對道岔融雪裝置設置遠程操作終端無需求。為此，建議道岔融雪裝置不設遠程操作終端，滿足現場運營維護需求，亦可節省工程建設投資[13]。

4.3 電加熱元件

近10 年來，原中國鐵路總公司先后印發了《哈大客專道岔融雪補強方案評審意見》（運電信號函[2013]313 號）、《哈大客專道岔加熱條安裝位置改進措施評審意見》（運電信號函[2014]579 號），并于2015 年8 月發布了《鐵路道岔融雪裝置安裝圖》（通號（2015）9401），用以指導鐵路工程中道岔融雪裝置的安裝。直至2018 年12 月國家鐵路局發布《電加熱道岔融雪系統設備》（TB/T 3539-2018）[14]對電加熱元件安裝范圍作了詳細規定?？梢?，隨著鐵路道岔融雪裝置在國內高速鐵路上的大量應用，國家鐵路相關部門不斷的總結經驗、完善應用，力求讓道岔融雪裝置為鐵路運輸發揮出最大的作用。

從本次調研資料顯示，各路局對于電加熱元件的安裝建議主要集中在擴大電加熱元件安裝范圍，比如在尖軌第一牽引點前方增加加熱元件、在道岔岔尖劃床板處增加加熱元件、在第一二牽引點基本軌外側增加加熱元件、將密貼檢查器加熱板功率提高放至密檢器下方等。對于電加熱元件安裝范圍的確定，建議在工程實施工程中與運營維護單位進一步溝通，在現有的規范、標準、通用圖的基礎上，進一步了解不同區域路局管內道岔融雪設備存在的特殊情況，適當調整電加熱元件的安裝范圍，更好地滿足運營使用需求。

5 結束語

本文通過對國內各重點城市氣象資料的深入分析，提出了道岔融雪裝置設置范圍的規范條文修訂建議；通過對鐵路道岔融雪裝置工程設計情況以及路局運用情況的調研，對電氣控制柜、調度所遠程控制終端等設備的工程設計優化方案研究，提出相應的工程設計建議，供參考。