城市轨道交通成套开关装置绝缘参数研究

夏才为

摘 要：城市轨道交通是一个复杂的交通体系，也是未来解决城市交通拥堵问题的重要发展方向。由于它具有运转周期长、运量大、效率高、污染低和节能型等优势，符合城市“绿色出行”的发展要求，对于高新技术（如磁悬浮系统）又具有较好的融合性，因此在城市建设中得到了重视。国内城市轨道交通建设起步较晚然而发展速度较快，一定程度上受到了快速城市化的影响，特别是在成套开关装置绝缘参数层面，至今尚未形成统一的标准，这造成了极大的适用性缺陷。文章针对这一问题展开研究，并在具体参数设置方面提出一些建议。

关键词：城轨交通；开关装置；行业标准；绝缘参数

中图分类号：U231+.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）19-0039-02

根据我国《城市交通分类标准》（CJJ/T 114-2007）的概念界定，“城市轨道交通”是指“设置全封闭或部分封闭的专用轨道线路”，从交通运输职能上分析，它不具有地面交通路线改动的随意性，而是需要专门设计的轨道扶着结构承重和运输导向，以列车、单车的形式达到“规模化”运量；从交通系统分类角度分析，城市轨道交通主要有地铁系统、轻轨系统、单轨系统、悬浮系统等构成，其中地铁是我国城市规划设计中主要的轨道交通形式，即存在于地下的“铁路干线”。无论哪一种城市轨道交通类型，它的构成都相对庞大和复杂，需要大量电子设备、电气设备介入，其中成套开关装置是必不可少的组成部分。

1 城市轨道交通成套开关装置绝缘参数现状概述

“城市軌道交通成套开关装置”（以下简称“开关装置”）是地铁电气化系统中的重要组成部分，但就目前来说，从国家层面到行业范畴中都没有开关装置绝缘参数的统一标准，能够借鉴的文献主要包括《低压成套开关设备和控制设备》（GB7251.1-2005），《低压开关设备和控制设备总则》（GB/T 14048.1-2000）；作者将其称之为“参考文献”而并非直接可以采用的标准化“条款”，原因在于以上的标准制定中，虽然存在交流电、直流电低压开关应用设备、控制设备的共性作用内容，但同时，并没有限定1.5KV的使用范围，特别是在直流电1.5KV级别的详细要求上，基本上找不到关于轨道开关适用性的装置绝缘参数要点。

对比可知，国外在城市轨道交通直流电1.5KV成套开关装置绝缘参数体系制定上，已经形成了较为完善的标准体系，如欧盟EN50123-1标准参数，从经济性、技术性共同满足的前提下展开分析，包括了工频耐受干试电压、湿试电压、空气间隙、爬距、雷电冲击耐压等；在借鉴的同时，国内在开关装置绝缘参数设定方面较为可行的还包括《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》GB/T 11022-1999；客观上，在城市轨道交通建设中，成套开关装置绝缘参数的标准化体系构建需要考虑的内容高很多，本文中选择了若干主要内容展开分析。

2 冲击耐压值及工频耐压值参数分析

由于开关装置的冲击耐压值与绝缘材料、爬电距离、电气间隙等存在密切的联系，因此在参数极限设计上，它应该大于（最少等于）轨道开关装置瞬间状态下可能产生的电压规定值。而工频耐压值相对的影响要素简单，它主要有设备的额定绝缘电压值决定，因此在不同城市轨道系统中设计开关装置绝缘参数，主要考虑设备额定绝缘电压值对应性即可。

当然，额定绝缘电压值并不是唯一参考，例如，额定绝缘电压最高达到1.5KV的情况下，开关装置标称电压（直流）是1.5KV，但工作电压为直流1.8KV，这种情况下，必然要先考虑最高工作电压值。

诸如此类问题，在综合考虑的过程中会发现影响轨道交通成套开关装置绝缘参数设定的要素不仅多，而且存在复杂性和冲突性。究其原因，包括设计方、制造方、安装方和运营方等多个主体在内，缺乏对开关装置冲击耐压值和工频耐压值的统一性沟通，使用中就出现了混乱状态。结合数据来说，当前的工频耐压干试验存在50KV-100KV等数值，工频耐压湿试验中存在25KV，26KV，30KV等数值，雷电冲压耐受电压的试验中也同样如此，并且，这些数值设定并没有一个科学的引用来源，大多是根据相关部门自身的设备水平而定。

很明显，我国电气系统及元件的设计、生产和安装过程中，额定值设计都存在偏高的现象，关于耐压参数是否需要如此，本文以下会进行进一步的说明。但针对耐压参数的具体设定，可以结合现有的《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》（GB/T 11022-1999）作为参考设定，我们以3.6KV高压开关为参考对象，如下表1所示。

结合表1中的相关对比数值可知，在3.6KV高压开关设备中的参数类比，“相对地”18KV和40KV的情况下，“隔离断口”分别是20KV和46KV，这一参考数据相对当前的轨道交通系统中开关装置绝缘参数是比较高的；如果直接选用，作者建议的是“相对地”10KV和20KV的一组数值，即明显较低的一组，在3.6KV高压开关设备下，可以扩展为户内、户外1.5KV轨道开关状感知使用，并且仍然存在很大的富裕度。

3 空气间隙及爬距参数分析

3.1 空气间隙参数分析

国内在电气设备耐受电压设定方面主要参考的是额定数值、环境污染等级等，包括GB/T 14048.1以及GB 7251.1等标准，特别是在一些长期户外运行的电气系统中，应该说综合考量还是十分丰富和完善的。但这并不能掩盖缺乏周期性检测和数据统筹的缺陷，突出表现为额定冲击耐受电压值较低，目前最高设定为12KV，相对应的，这一耐受标准只是应与小于等于2.3KV额定绝缘电压水平。事实上，我国城市交通中结合VO3等级的户内轨道交通系统开关装置的“最小空气间隙均匀电场”要求分析，即相对地数值最小为4.5mm，非均匀电场为14mm；但空气间隙标准并没有被引入到相对地、隔离断口额定绝缘电压的设定上，例如在3KV相对地、隔离断口开关设备的设计、制造、安装和使用方面，可以经常发现远大于这一标准的空气间隙情况，200mm、300mm、450mm等设定同样没有参数的引用出处，这造成城市轨道交通成套开关装置供应商选定过程中的大量问题，并且问题会统一被归纳到制造领域。

3.2 爬距参数分析

GB/T 14048.1以及GB 7251.1等标准中只给出了绝缘电压、实际工作电压在1KV以下的电气设备标准，对于1.5KV的轨道交通开关装置参考价值有限，尤其在轨道交通开关装置的爬距方面，无论是国家标准还是行业标准基本上都处于空白状态。电气系统中爬距影响主要来源于三个方面的要素，分别是环境污染等级、绝缘材料和额定绝缘电压。制造商在爬距标准设定上也较为随意，加上一些现有的标准中，爬距设定缺乏与其他影响因素的关联性，造成借鉴的混乱。如《3.6KV-40.5KV交流金属密封开关设备和控制设备》（GB3906-2006）中的相關要求，无论户内和户外的情况下，12KV开关设备的相间、相对地爬距都要考虑材质问题，1类设计推荐瓷质材料（14mm/KV），2类设计推荐瓷质材料（18mm/KV）以及有机绝缘材料（20mm/KV），相对来说，作者较为推荐1类材料，原因在于无机材料绝缘性能实现过程中，不需要爬距大于电气间隙，也不会出现气痕现象。

综合以上内容来阐明一个问题，即前文中提到国内轨道交通成套开关装置绝缘参数的设定范围问题，一些机构和企业认为在参数设定上应该越高越好、越大越好，甚至超出轨道系统安全范围的较大程度。似乎只有这样，才能最大限度地保障轨道交通运转中的安全和稳定；作者认为这是完全没有必要的，一方面，电气设备的应用中有它自身的规律性，我们可以通过技术方式进行鉴定，只需要将最大影响要素考虑在内，并在此标准中展开相应的参数设定即可，并不必要无限制的扩大。另一方面，过大的参数设置，很有可能造成城市轨道交通的建设成本增加，尤其在后期的安装、运行和维护上，这是完全没有必要的。

4 结束语

我国快速城市化进程中，城市轨道交通规划和设计工作被高度重视起来，不仅建设数量多、规模大，并且在不同的城市环境、需求下存在类型多元化要求，客观上城市轨道交通的技术适应性也提出了更高挑战。一个完善的城市轨道交通系统是由大量电气设备系统、网络系统、电子系统等共同构建的，每一个部分都不可或缺并发挥着重要功能。从这个角度上说，国内轨道交通开关装置绝缘参数的统一性、标准化就很有意义，它可以有效地保障轨道交通运输稳定，以及乘客自身的安全性。

参考文献：

[1]柳琳琳，杨文锐.城市轨道交通交直流一体化电源成套装置资源共享可行性分析[J].城市轨道交通研究，2015（11）：114-117.

[2]2013年轨道交通机电设备中标情况[J].交通世界（建养.机械），2014（07）：26-31.