地铁站台屏蔽门在线绝缘监测装置的研制

梁绍昌

摘 要：通过对广州地铁各线路屏蔽门绝缘故障的统计分析，得出了造成屏蔽门打火的主要原因，提出了相应的解决方案，并且研制了相应的产品，通过在线运行测试，验证了该产品能较好的解决了屏蔽门安全接地及防止屏蔽门打火的问题。

关键词：地铁屏蔽门；绝缘；泄漏电流；打火；轨电位

1 绪论

自从屏蔽门在地铁开始投入使用，广州地铁各路线网的屏蔽门都在不同程度上出现了打火故障，严重的，还会造成电缆烧断。经过不完全调查显示，2010年广州地铁屏蔽门发生打火故障35次，26次都是因为屏蔽门接地故障直接或间接导致。这一问题的存在，会严重威胁乘客的安全，影响客运的安全性以及稳定性。

2 屏蔽门绝缘以及等电位连接

广州地铁在供电系统方面普遍选择1500伏的直流牵引供电系统。并且，其将钢轨设计为回流轨，以及避免杂散电流腐蚀线路的结构钢筋以及金属管线。地铁处于正常工作状态时，钢轨可能会产生最高为90V上下的电压。同时，列车同钢轨属于等电位关系，为了保证乘客在上下车的过程中不会受到危害，屏蔽门應用对地绝缘设计，并使屏蔽门以及钢轨保持等电位连接。

3 屏蔽门绝缘问题

正常状态下，屏蔽门处于绝对的对地绝缘，其绝缘电阻能够保证在0.5MΩ以上。但因为安装上的差异性，以及工作的环境影响，现场的实际绝缘电阻普遍只能达到几百欧，甚至约等于零。如图2所示，若将屏蔽门的对地绝缘看做是一组过渡电阻，则当过渡电阻处于较大值时，可以判定屏蔽门处于绝缘状态，此时经过屏蔽门传到到地面的电流就非常小，可认约等于零。而若是屏蔽门出现绝缘故障或者短路故障，故障位置的过渡电阻会迅速变小，则列车运行过程中产生的大量牵引电就会经由屏蔽门的故障位置传导向大地。这时，电流的热效应将会引发屏蔽门的打火故障，严重时甚至会烧断屏蔽门的等电位电缆。

如图1所示，R人表示人体的正常电阻，正常在1KΩ2KΩ之间，U代表钢轨同地面的平均电位差值，U1表示屏蔽门同钢轨的平均电位差值，U2表示屏蔽门同结构地面之间的电位差值。当屏蔽门电缆保持正常的连接良好状态时，人体电压不会引发触电危险。但是，若屏蔽门产生异常接地故障，甚至发生电缆烧断问题，轨电压将会在吉大程度上对人体造成严重危害。

4 解决措施

4.1 方案一

图2所示，于屏蔽门以及电缆之间以串联的方式连接分流器，分流器所接收到的信号在经过变送器自动的放大作用之后，回快速传输至PLC模块之中，并使用PLC对屏蔽门进行监控。若其泄漏电流超出预先的设定值，报警器就会及时的发出报警信息。此外，若泄漏电流超过预设的动作值，PLC会迅速将合闸电位限制设备，以此控制屏蔽门由于故障产生的泄漏电流，降低轨道电位上升，维护乘客的人身安全。

装置好图2所示监控装置之后，应该在起正常工作的过程中开展功能监测。当屏蔽门保持接地，且限制设备合闸时，得到屏蔽门在该阶段内的接地电流严重下降，但是，其依旧能够保证在几百A的程度上。假使屏蔽门与结构之间形成短路，则会得到屏蔽门接地电流同轨电位限制电流的比例是1：3。这就表示了，这一设计并不足以完全应对屏蔽门出现的打火故障。

如图3所示，假如将地铁列车的牵引电流当做有机的电流源，则屏蔽门的接地电阻与轨电位限制接触电阻二者并联，则其电流的大小值会同电阻之间保持一种反比关系。这就代表了在屏蔽门接地电阻值大于轨电位的接触电阻的条件下，其接地电流会有机的保持一个较小值，此时，才能够有效避免打火问题的出现。

4.2 方案二

为了切实防止屏蔽门由于接地短路导致的打火问题，维护乘客的生命健康安全，如图4所示，需要在电缆之中以串联的方式接入直流接触器。在正常工作状态下，若假使蔽门不存在相应的接地故障，接触器会处于合位，而假设屏蔽门出现接地故障，分流器会第一时间发现泄漏电流，并将其传送至PLC。PLC会直接使电位限制设备自动合闸。并且，其辅助节点会迅速连接到直流接触器之中的保护线圈回路，断开等电位电缆，阻断接地电流，进而防止屏蔽门发生打火问题。

直流接触器动作设计原则：

1）为了避免由于控制电源故障导致的接触器闭合问题，接触器需要设计为相对常闭状态，并且，线圈得到到电压时断开，线圈失去电压时闭合。

2）应该保证等电位连接在电位限制设备分开时，接触器不会断开。

3）电位限制设备从合位转变到分位，直流接触器必须要立刻闭合。

4）在泄漏电流超过动作值的同时，电位限制设备首先闭合，直流接触器随之断开。

4.3 整定值的计算

按照《CJ/T2362006城市轨道交通站台屏蔽门》的要求：屏蔽门同车站结构中间绝缘的绝缘电阻不可以小于0.5MΩ。但因为施工材料、工艺、环境的多方面影响，屏蔽门的实际绝缘电阻普遍在0.5MΩ以下。也就是说，将0.5MΩ设置为屏蔽门自动报警的动作值是不合适的。由于屏蔽门之中的绝缘设计主要是为了避免杂散电流腐蚀，则按照CJJ4992技术规程的相关规定，新建线路的过渡电阻值应该在15Ω/Km以上，运行线路应该在3Ω/Km以上。屏蔽门长度的设计，应该在100150m之间，以100m的屏蔽门作为案例进行考虑分析，15Ω/Km也就是150Ω/100m。而3Ω/Km也就是30Ω/100m。一般来说，地铁在运行状态时的轨电位，最高可以达到90伏左右。对此，报警电流的动作值就可以设置为I=U/R=90/150=0.6A。而针对对运行时间相对比较长的列车，报警电流的动作值可以设置为I=U/R=90/30=3A。如此，就能够保证屏蔽门不会发生打火故障问题。

4.4 主要功能

1）绝缘监测：可以对屏蔽门的泄漏电流进行实时的动态监控，并可以及时发现其绝缘缺陷。

2）可以切断接地电流，避免屏蔽门打火故障。

3）防止钢轨电压上升，维护乘客的人身安全。

5 结语

本装置现阶段已经在广州八号线地铁的屏蔽门之中进行了实践应用，经过现场实践测试，证明了本装置确实能够在屏蔽门产生接地故障的第一时间迅速断开故障位置电流，同时自动合闸电位限制设备，进而将其电位控制在地电位的范围之内，避免屏蔽门产生打火问题，进而保证乘客的基本人身安全。

参考文献：

[1]孙增田，等.屏蔽门接轨保护及绝缘保护必要性分析.城市轨道交通研究，2006（7）.

[2]CJJ 4992地铁杂散电流腐蚀防护技术规程[S].

[3]CJ/T 2362006城市轨道交通站台屏蔽门.