地铁屏蔽门打火分析及其解决措施探索

李福强

摘要：目前国内地铁屏蔽门基本均采用绝缘设计，并将门体与轨道等电位连接，避免因列车车体与安全门间可能会出现的电位差给上下车的乘客造成危害或带来不适，但由于受施工工艺、潮气环境、金属灰尘等因素影响，绝缘极易失效，带来火花放电、杂散电流影响安全门寿命等不良后果。本研究课题主要对屏蔽门绝缘情况和影响因素进行分析，并对屏蔽门绝缘结构方案进行探寻，为地铁的安全运营提供保障。

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.

关键词：城市轨道交通；屏蔽门绝缘；屏蔽门打火

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

中图分类号：U231+.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）22-0017-07

0 引言

目前国内的城市轨道交通均采用直流750V或1500V供电，机车由接触网（轨）获得电能，牵引电流通过行车轨道返回到牵引变电所整流机组负极。为了避免杂散电流对地下金属管线和混凝土结构钢筋等造成电腐蚀，轨道与大地是绝缘的。因此，钢轨与大地之间可能产生较大的电位差，使地铁列车的车体外壳存在电位差，其严重时可危及人身安全。为了限制钢轨电位，在工程设计时采用在车站设置钢轨电位限制装置（Rail Over-Voltage Protection Device， OVPD），该装置一端接钢轨，另一端接地母排，并设置隔离开关，在正常运行方式下是处于打开状态，当OVPD测量到钢轨和接地母排之间的电位差达到一段设定值时，自动合闸将钢轨和地短接，延迟一段时间（时间可设定）后，装置自动打开。钢轨电位限制装置自动测量钢轨和地母排之间的电位差，钳制钢轨电位在安全电位以下。

目前在国内已建成投入运行的城市轨道交通系统中，普遍存在轨电位异常升高的问题，据测试，当OVPD动作时，钢轨与地之间的入地电流（杂散电流）可达到800A以上。钢轨电位限制装置动作频繁（多条线路全线轨电位动作次数每天近千次），甚至导致直流框架保护动作，大面积直流停电。当钢轨电位限制装置动作时，不可避免会有大量电流经以大地为回路流通，尤其是当有多台轨电位动作时，对城市地下金属结构会产生很大的腐蚀。国内部分地铁运营单位为了保证安全，采取将线路部分轨电位限制装置运行于永久合闸状态，此项措施虽然解决了轨电位过高的问题，但这时大量的钢轨回流通过钢轨电位限制装置流入地网，形成杂散电流，对地网和车站金属结构产生腐蚀，影响地网和车站金属结构的使用寿命，直至影响到车站的使用寿命。

在广州地铁运营中发现，每条运营线路的部分车站均存在轨电位普遍偏高的现象，造成每条线路均有2至3个车站的钢轨电位限制装置频繁动作，一旦钢轨电位限制装置动作失灵则对地铁的运营安全及乘客的人身安全带来威胁；同时，在运营中发现，由于轨电位的存在，屏蔽门外框结构等对相邻金属部件有放电火花的现象时有发生。为减轻轨电位升高给地铁的运营安全及乘客的人身安全，对每条线路的2至3个车站临时采取人工永久合闸钢轨电位限制装置的措施，采取该临时措施虽然解决了地铁的运营安全及乘客的人身安全的问题，但带来了对隧道、道床的结构钢和附近的金属管线造成不同程度的电腐蚀等问题。

地铁屏蔽门安装在站台边缘，与列车车体之间的距离很近，乘客上下车时极有可能同时接触到列车车体外壳和屏蔽门门體，即同时接触到两种不同电位的金属材质，如图1所示。由于列车车体的外壳可能存在较大电位，使得车体与屏蔽门间可能会出现电位差，给上下车的乘客造成危害或带来不适。为此，目前全国多数地铁运营线路均采用屏蔽门绝缘设计安装，同时将屏蔽门与钢轨等电位连接，保证了乘客上下车时不受钢轨电位的影响。

但由于受施工、接口专业、潮气环境等因素影响，屏蔽门绝缘极易失效，因存在90～110V的轨电压差，屏蔽门结构对相邻金属部件会发生火花放电，影响运营和乘客的安全。此外，屏蔽门绝缘失效后，继续等电位连接，大量杂散电流通过屏蔽门，对车站金属结构、屏蔽门结构、电气系统的寿命及运行稳定性带来影响。

本研究课题主要对屏蔽门绝缘情况和影响因素进行分析，并对屏蔽门绝缘结构方案进行探寻，为地铁的安全运营提供保障。

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1 项目研究过程

第一阶段：现场调研工作。

①屏蔽门打火现象调研。②屏蔽门安装情况、实际绝缘电阻记录、施工记录等。

第二阶段：现场绝缘情况初步分析、确定研究方向。

①屏蔽門绝缘结构分析；②屏蔽门绝缘的可能影响因素初步分析；③确定下一步研发方向。

第三阶段：测量结果整理、分析。

①完成测量大纲；②进行现场测量；③对测量结果进行整理、分析。

第四阶段：屏蔽门绝缘发展方向研究。

2 现场调研

2012年6月，对广州2号线、3号线及8号线的各站进行现场调研，同时对现场维保记录进行了分析。（表1）

通过调研发现：①目前多数屏蔽门绝缘不满足大于0.5MΩ的要求，即时暂时满足要求的车站，也会随天气等因素的影响绝缘阻值而变化。②打火问题频发，打火部位主要集中在端门面板、固定面板与装修吊顶之间。③屏蔽门绝缘失效对乘客和运营安全带来较大影响，应对目前的设计及施工方案深入分析、改进。

3 现场测量及结果分析

3.1 屏蔽门绝缘的影响因素初步分析

①绝缘材料。绝缘材料的选择不当，极易导致屏蔽门绝缘失效，同时影响屏蔽门整体结构寿命。绝缘材料（PBT）的主要性能指标如表2。

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②绝缘间隙和爬电距离。绝缘结构设计不合理，会导致绝缘失效。屏蔽门与轨道等电位连接后，与大地间产生90～110V的电压差，根据工作电压、材料绝缘性质、污染指数等参数确定绝缘间隙和爬电距离。

绝缘套体积电阻率为1.0×1016Ω·cm，以绝缘间隙10mm计算，每个绝缘套电阻值1.0×1016Ω，每侧200个并联，其理论并联后电阻远大于绝缘电阻0.5MΩ。

屏蔽门设计中，电气间隙和爬电距离通常大于理论选择，即绝缘间隙大于10mm，爬电距离大于12mm。

在实际设计中如以上两指标不符合要求，将影响绝缘效果。

③天气和环境因素的影响。因绝缘件表面会附着灰尘，在多雨天气、车站空气潮湿的条件下，会导致屏蔽门绝缘阻值降低或绝缘失效。

此外，门槛与绝缘带之间的缝隙在施工完成后，通常采用绝缘耐候胶收口，但后期使用过程中因各种因素导致胶体脱落、裂开，尤其滑动门区域该问题谈比较严重，保洁或雨雪天气时产生的污水进入该缝隙后，造成屏蔽门绝缘阻值降低或绝缘失效。

从现场实际情况来看，该因素影响较大。

④接口专业施工的影响。接口专业施工对屏蔽门绝缘的影响因素有：1）绝缘地板施工导致屏蔽门的绝缘失效：绝缘件粘附砂土、绝缘带与门槛间隙小、绝缘缝隙中有异物等。2）装修专业的天花吊板与屏蔽门顶箱面板间隙过小。3）端门区域屏蔽门装饰板与土建墙之间的间隙过小。4）其它专业设备与屏蔽门间隙过小，或有铁丝等导电体与屏蔽门搭接。

⑤热影响。列车停站时，车辆底部及上部有大量热能排出，排热部位与绝缘处理位置接近，随着温度升高，屏蔽门与车站建筑结构之间的绝缘体变软，其抗剪强度会逐步丧失。当温度超过绝缘体的额定值时，将导致绝缘退化（寿命缩短），还可能造成塑变或炭化，促使绝缘体的局部破裂。

⑥电气影响。当绝缘材料承受由地铁产生的电磁场时，绝缘材料的表面或内部空隙会发生放电。屡次放电所产生的离子电弧和离子运动将严重侵蚀绝缘材料，使其绝缘性能下降。

3.2 屏蔽门现场绝缘测量

3.2.1 测量项

根据现场调研报告，屏蔽门打火主要集中于三处：

①固定面板与装修吊顶之间；②端门固定面板与装修挂板之间；③端门与边门的连接拐角处。

另外，根据报告统计，等电位电缆烧焦的原因主要集中于端门绝缘失效。重点针对以上位置进行绝缘电阻和绝缘距离的测量。具体见《测量大纲》。

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3.2.2 测量结果

2012年12月分别对白云大道、飞翔公园、嘉禾望岗、南方医院进行了测量。

具体测量结果见《广州地铁轨电位过高和屏蔽门打火分析及其解决措施-测量记录》。

3.2.3 测量结果分析

对测量结果进行整理、分析后，总结如下：

①门体绝缘阻值（表3）。测量的四个站中，均存在绝缘失效的问题。同时，端门区域因与其它专业收口较多，比较容易导致绝缘失效。

②轨道对大地的绝缘阻值。通过4个站的测量发现，轨道绝缘阻值均为零。

3.2.4 测量结论

①屏蔽门尽管采取了绝缘设计，且通过了施工验收，但由于与其它专业的收口较多，如绝缘带施工、装修专业、管道专业等，稍有施工失误，极易造成绝缘失效；同时存在施工现场不易管理的问题。②屏蔽门绝缘会因后期运营过程中天气环境、粉尘、潮湿、绝缘密封接口损坏等因素导致绝缘失效。③轨道对大地绝缘阻值偏低，将门体与轨道等电位连接后会影响屏蔽门的绝缘效果。④目前的屏蔽门安装绝缘方案存在较大缺陷，对乘客和运营安全存有较大隐患，应对其进行深入研究分析。

4 屏蔽门绝缘方案建议

4.1 屏蔽门与钢轨不进行等电位连接的可行性分析

根据国家相关标准规定，安全电压为不高于36V，安全电流为10mA。人体感知电流，交流为1mA，直流为5mA。

2014年1月14日，广州地铁建设事业总部、中铁电气化勘测设计院等对万胜围站进行了相关测量。在拆除屏蔽门与钢轨间的等电位线后，测量了钢轨与屏蔽门、钢轨与大地、屏蔽门与大地间的电位差，分别如图3、图4、图5所示。

根据《万胜围车站屏蔽门悬浮与钢轨电位测试报告》电位检测数据，在列车未进站时，屏蔽门对钢轨电位不大于36V，小于人体能接受的安全电压，车辆加速驶出期间，屏蔽门与钢轨电位差升高，电位能达到钢轨电位限制装置动作值，其持续时间在5～10S。

理论上，屏蔽门绝缘阻值良好，且大于0.5MΩ的情况下，可较好的保护乘客的乘车安全。但由于外部环境、施工等因素的影响，目前多数屏蔽门绝缘状况不理想，普遍存在绝缘失效的情况。

根据万胜围现场测量数据分析推断，屏蔽门与钢轨间不进行等电位连接，对乘客乘车的安全影响较小，在北京地铁，目前大部分地铁运营线路没有将屏蔽门与钢轨作等电位连接，也尚未有乘客因此感觉不适的情况报告，加上钢轨电位限制装置的保护作用，异常情况下钢轨电位可限制在合理的范围内。此外，考虑在屏蔽门与钢轨之间安装电压检测装置，当列车停车时，检测电压大于设定值时，检测装置将钢轨与车站接地网连接，将轨电位降低至安全电压。

综上，根据目前的测量数据分析及运行情况，将屏蔽门与钢轨不作等电位连接，同时增加电压实时检测装置，初步判断是可行的。

4.2 门体结构方案一

屏蔽门不做整体绝缘设计、安装，只对屏蔽门局部做绝缘处理，其结构、门体与大地直接连通。具体实施如下：

屏蔽门与土建站台板及土建顶梁间不作绝缘安装。如图6所示。

本方案会导致列车与屏蔽门间产生电位差，影响乘客安全通过对乘客在乘车时可能碰到的区域采取绝缘处理的方式解决，该区域包括：门槛板、门楣、立柱装饰板、滑动门、应急门、后封板等。同时，应对车辆相应区域作绝缘防护处理，避免因屏蔽门绝缘防护失效，危及乘客安全。（图7）

①门槛板的绝缘防护。

门槛板防护重点对滑动门门槛板和应急门门槛板进行防护，固定门门槛区域可不作考虑，门槛板的防护形式采用如下两种形式：

1）碳钢门槛支撑+绝缘防护层。

门槛板采用Q235碳钢板支撑，表面覆盖一层绝缘材料，如尼龙、绝缘橡胶等，结构形式如图8所示。

该结构具有如下优点：

a）碳钢支撑可确保屏蔽门整体钢结构的强度和门槛板的局部刚度。

b）表面覆盖的绝缘材料可同时起防滑作用，确保乘客的乘车安全。

c）表层绝缘材料可作颜色选择，起到良好的区别功能区域的作用。比如，可将滑动门门槛设计成绿色，应急门门槛设计成黄色。

该结构形式须注意如下问题的解决：

a）表层绝缘材料的绝缘性能。

b）表层绝缘材料的耐磨、耐老化性，防火、阻燃等是否符合地铁相关规范要求。

c）该结构形式必须考虑可维护性，便于绝缘层失效后的更换。

2）门槛整体采用绝缘材料。

门槛板整体采用绝缘性能好的材料，如工程塑料、尼龙等。该结构形式具有如下优点：

a）因门槛整体采用绝缘材料，绝缘易保障。

b）表面覆盖的绝缘材料可同时起防滑作用。

该结构形式，同样必须考虑门槛的整体刚度、可加工性、耐磨性、耐老化、防火性等。为了门槛表面更耐磨和外观金属质感，可以在表面使用嵌入蚀刻（或冲压）不锈钢板。（图9）

②立柱装饰板的绝缘防护。

屏蔽门两侧的立柱装饰板在乘客区域内，乘车过程中最易碰到，因此应重点作绝缘防护，可采用以下绝缘方案：

1）喷涂绝缘层。

立柱装饰板采用金属材料，如碳钢或铝材，表面喷涂一层绝缘材料，如绝缘烤瓷、绝缘漆等。

2）装饰板整体采用绝缘材料。

立柱装饰板可采用绝缘橡胶等材料制作，同时为确保一定的强度，橡胶内衬碳钢骨架。该结构受到磕碰时，不易损伤，同时，因橡胶的缓冲特性，可起到保护乘客免受磕伤的作用。此方式在日本地铁运营线路中较多采用，如图10、11所示。

③门楣的绝缘防护。

相对于立柱、门槛，门楣在乘客乘车过程中受到触摸和外物磕碰损伤的几率较小，因此可采用碳钢板内衬，外喷绝缘层或透明绝缘薄膜的结构形式。这样可确保门楣、立柱装饰板、面板等的整体外观颜色一致，不会影响屏蔽门的整体美观。

④滑動门的绝缘防护。

滑动门门框在乘客乘车过程中易被乘客触摸到，产生电压差，从而导致可能的伤害，且开关门过程中被外物磕碰而影响绝缘效果的几率较高，故滑动门应重点绝缘防护。

滑动门通常由玻璃粘接在门框上组成，如图12所示，由于玻璃属于绝缘体，因此重点对滑动门门框进行防护。门框可采用如下形式进行绝缘处理：1）喷涂绝缘层，如绝缘漆、绝缘烤瓷等。2）门框外表面粘贴绝缘防护薄膜。

⑤后封板的防护。

后封板在乘客乘车过程中触碰的几率相对较小。因此可采用碳钢板内衬，外喷绝缘漆、绝缘烤瓷的结构形式。

注意：绝缘处理后的门槛板、门楣、立柱装饰板、滑动门、应急门、后封板等，相对大地的绝缘值应不小于0.5MΩ（采用500V兆欧表测量）。

⑥方案特点。

相对于目前屏蔽门的绝缘方式，该方案具有如下特点：

1）施工质量容易保障。

屏蔽门与装修、管线等专业间的接口较多，施工过程中的管理不善，易造成屏蔽门绝缘失效。

本方案仅对滑动门和乘客易接触的区域作绝缘处理，与其它专业间的接口较少，不会因其它专业的施工影响导致屏蔽门绝缘区域的绝缘效果。

2）整体钢构强度易保障。

目前的屏蔽门设计方案是：钢构立柱底部通过螺栓与底座相连，顶部通过钢件伸缩套与上部固定件相连，全部为钢结构直接连接，大大提高了屏蔽门整体结构强度，并不会因为其他因素而发生变化。

3）维护方便。

目前的屏蔽门设计方案中的绝缘件和顶部绝缘套因受周期性结构压力作用，并受空气氧化等因素的影响，将逐渐老化，机械性能、绝缘性等降低，因此须定期更换。绝缘件的更换一般在非运营期轨道侧作业，作业强度和作业难度较高。而此方案将不需要对屏蔽门整体绝缘的绝缘件，所以维护会更方便，在正常设计30年年限内无需更换。

4）减少杂散电流对车站建筑结构的腐蚀。

由于屏蔽门与轨道不作等电位连接，可有效避免回流轨杂散电流通过屏蔽门腐蚀车站建筑结构，确保车站寿命。

另外，此方案对运营线路中屏蔽门系统绝缘失效整改给出了可操作的方案。

4.3 方案二

屏蔽门绝缘安装，但不与轨道等电位连接。

本方案中，屏蔽门对大地绝缘安装，绝缘电阻大于0.5

MΩ，同时，屏蔽门与轨道间不作等电位连接，即屏蔽门悬浮安装，屏蔽门与列车间的位置及电位如图13所示。

4.3.1 结构特点

该方案的特点是：

①屏蔽门与轨道不作等电位连接，可避免回流轨杂散电流通过屏蔽门腐蚀车站建筑结构，确保车站的设计寿命不受影响。

②屏蔽门绝缘效果良好的情况下，可较好的保障乘客上下车的人身安全。此外，如前所述，屏蔽门与车站建筑结构间的绝缘值不达标，但不作等电位连接的情况下，对其乘客的乘车安全影响较小。

③对于接触网式供电方式，因存在接触网搭在屏蔽门上的风险，影响乘客安全，屏蔽门不适合采用此方式。

4.3.2 确保绝缘效果措施的探讨

由于该方案中，尽管绝缘失效对乘客安全影响较小，但不能完全避免特别情况，同时地铁属于公共安全工程，应最大化保障乘客的安全，因此如何确保绝缘符合要求，且保持长期有效是技术重点，建议从如下几方面进行探讨：①对乘客可触及的区域，进行有效的二次绝缘防护。②严格施工管理。③做好屏蔽门与相关专业间的技术交流。④做好屏蔽门与相关专业间施工工序的合理安排。⑤如前所述，在屏蔽门与钢轨之间安装电流或电压检测装置。

4.4 绝缘区域的设计探讨

为避免乘客同时触及站台和列车，产生跨步电压差，危及乘客安全，目前通常将台边缘距离屏蔽门1m左右的范围内设置为绝缘区域，其绝缘做法是：在站台装修层下敷设绝缘层，或在装修层以上铺设绝缘地板，以实现屏蔽门门体与大地之间的绝缘。

在前述方案中，均不可避免乘客产生跨步电压的可能，因此应继续设置绝缘区域。

5 结论

本文通过对现场调研及测量数据分析，得出如下结论。①由于施工、环境等因素的影响，运营线路中的屏蔽门绝缘效果不佳，存在绝缘失效的问题，而继续采取将屏蔽门与钢轨等电位连接，会导致通过屏蔽门，对车站金属结构、屏蔽门结构、电气系统的寿命及运行稳定性带来影响，同时打火等危險现象影响运营安全。因此，推荐屏蔽门与钢轨不等电位连接。②提出了两种屏蔽门绝缘方案：1）屏蔽门不作整体绝缘设计，乘客易接触部分做绝缘处理，方案详述见4.2。2）屏蔽门整体绝缘设计，但不与轨道等电位连接，方案详述见4.3。备注：综合实际测量数据和各种因素分析，优先推行方案一。③为避免乘客跨步电压，目前的绝缘带区域应继续作绝缘设计。

参考文献：

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[3]CJJ49-1992，地铁杂散电流腐蚀防护技术规程[S].北京：中国计划出版社，1993.

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