交流转辙机八线制道岔控制电路的研制

吴 松,丁建莉,刘长山,张子骜

(1.中铁电气化局集团有限公司设计研究院,北京 100166； 2.北京地铁运营有限公司通号分公司,北京 100044； 3.明尼苏达大学,美国明尼苏达州)

铁路道岔是铁路轨道的重要组成部分和关键设备[1]，转辙装置[2]是带动道岔尖轨转换位置并能将尖轨固定在定位或反位的设备，可实现列车或车列的转线作业。 我国高速铁路、普速铁路及城市轨道交通[3]采用的转辙装置主要有交流电动转辙机(S700K、ZDJ9)、交流电液转辙机(ZY7、ZYJ4)和直流电动转辙机(ZD6系列转辙机)[4]。其中交流电动转辙机和交流电液转辙机的控制电路均采用《交流转辙机道岔控制电路图册》(DS0501) 定型图册中的五线制交流转辙机道岔控制电路(以下简称五线制电路)。

1 现状与问题

北京地铁于2007年10月开通的5号线首次采用ZDJ9型交流转辙机，随后ZDJ9相继在北京地铁6号线、8号线、9号线、15号线、房山线、亦庄线、昌平线和机场线等多条地铁线路上使用。地铁运营间隔[5]较小，特别是在早晚高峰时运营间隔达到120 s，曾多次出现因电动转辙机控制电路中的2DQJ继电器第一、二组加强接点拉弧灼烧损坏产生接点接触不良，引起道岔控制电路故障，导致列车不能折返，大量乘客滞留，严重影响市民出行。

北京地铁公司为了减少此类故障对运营造成的影响，修改继电器检修规程，将折返站[6]的2DQJ继电器的检修周期由6个月缩短为2个月，并规定从折返车站替换下来的2DQJ继电器经过检修后只能使用于非折返站。即便采取了以上措施，此类故障还是时有发生，影响地铁正常运营秩序。

2 现场观察、分析及测试

2.1 现场观察

为了找到2DQJ继电器接点拉弧燃烧损坏的原因，选取北京地铁亦庄线台湖车辆段培训中心及7号线的折返站—北京西站站进行现场观察及测试。

观察发现2DQJ转极时接点断开的瞬间发生拉弧现象。定位向反位转换时发生在第一组中接点与前接点断开的瞬间，反位向定位转换时发生在第二组中接点与后接点断开的瞬间。7号线北京西站站2号道岔的2DQJ继电器接点仅仅使用了19 d已经有明显灼伤变黑痕迹。

在道岔启动电路中加装 “转辙机在线监测仪”，对2DQJ继电器接点电流进行监测，测试结果显示， 2DQJ继电器接点瞬间峰值电流为10 A，最高瞬间峰值电流能达到14 A。

2.2 原因分析

交流电动转辙机(ZDJ9[7]、S700K[8])、交流电液转辙机(ZYJ系列)[9]工作电流不大于2 A，2DQJ继电器接点拉弧到底是因为道岔启动时接通的瞬间启动电流太大产生拉弧[10]，还是因为接点断开的瞬间产生拉弧还不明确。

从现场测试和观察的情况来看，若是因为道岔启动时峰值电流较大，拉弧现象应该发生在2DQJ接点接通的瞬间，但接点接通时并没有产生明显的拉弧现象，反而是在接点断开的瞬间产生明显的拉弧现象。通常情况下，继电器接点拉弧发生在带电断开或者带电接通的瞬间[11]，由电路原理可知，2DQJ继电器完成转极后才能向室外电动转辙机送出AC380V动作电源，转极前接点不应该有电。为了找到带电的原因，应首先对五线制电路进行详细分析。

在五线制电路图中，2DQJ继电器采用的是JYJXC-160/260[12]有极加强接点继电器。其两组加强接点11和12[13]均分别用于接通AC380V的B相和C相电源，A相电源由1DQJ的第一组接点接通，向室外电机送出AC380V的动作电源。道岔控制电路正常的动作顺序为(以定位向反位转换为例，如图1、图2所示)：联锁[14]驱动反位操纵FCJ继电器励磁吸起，接通1DQJ继电器的3-4线圈使1DQJ继电器励磁吸起，1DQJ的第三组前接点接通1DQJF的1-4线圈使1DQJF继电器励磁吸起，通过FCJ第二组前接点和1DQJF的第四组前接点给2DQJ的1-2线圈送电，使2DQJ转极，2DQJ转极后把室内的AC380V电源通过电缆送到室外交流电动转辙机，使其带动道岔转换到反位，待道岔转换到规定位置后，转辙机内部的自动开闭器断开道岔控制电源[15]。道岔控制电路继电器动作时序：FCJ↑→1DQJ↑→1DQJF↑→2DQJ转极→送出AC380V动作电源。

图1 1DQJ和2DQJ启动电路[16]

经仔细分析后发现，1DQJ继电器吸起，通过其第一组前接点率先向室外交流转辙机送出AC380V动作电源的A相(如图2中①虚线所示)，待2DQJ转极后，再通过其第一组、第二组后接点分别送出AC380V动作电源的B相、C相(如图2中②、③虚线所示)，至此AC380V动作电源的A、B、C三相均送出，转辙机开始动作带动道岔转换。但从继电器的动作时序发现，2DQJ转极电路是1DQJF吸起后接通的，换句话说1DQJ和1DQJF吸起之后2DQJ继电器才开始转极，即存在一个时机1DQJ和1DQJF吸起，而2DQJ还未转极(其时长约为0.07～0.12 s)[17]，由于五线制电路中动作电路与表示电路合用，AC380V动作电源B相电源通过表示电路送出至电机(如图3中②虚线所示)，致使2DQJ的第一组前接点带上了电；C相电源也由2DQJ的第二组前接点送到室外，但由于转辙机内部自动开闭器41、42接点之间断开而没有送到电机(如图3中③虚线所示)线圈上，2DQJ继电器转极，其第一组前接点就在带电情况下断开，产生拉弧现象(第二组前接点因自动开闭器接点断开C相电源没有形成回路，无拉弧现象发生)。同理，反位向定位转换时，1DQJ继电器吸起，通过其第一组前接点率先向室外电机送出AC380V动作电源的A相(如图4中①虚线所示)，AC380V动作电源C相电源通过表示电路送出至电机(如图4中③虚线所示)。致使2DQJ的第二组后接点在带电情况下断开，产生拉弧现象[18]。

图2 五线制道岔控制电路

图3 定位向反位转换时表示电路构通动作电源

为了验证分析的正确性，在北京地铁7号线焦化厂车辆段培训中心进行了现场测试，定位向反位转换时，在X2中串入1个1 Ω/5 kW电阻，用示波器在电阻两端进行测试，示波器显示有交流电的3个半波流过X2，与分析结果吻合。这就是为什么道岔定位向反位转换时2DQJ第一组前接点拉弧，反位向定位转动时第二组后接点拉弧的真正原因。

图4 反位向定位转换时表示电路构通动作电源

3 解决措施

图5 动作电路

从以上分析和现场测试，已经明确找到2DQJ接点拉弧的原因。由于五线制控制电路存在设计缺陷，导致AC380V动作电源经表示电路发生了串电，致使2DQJ继电器转极之前接点带电，断开瞬间产生拉弧灼烧损坏接点接触不良，最终导致道岔控制电路故障。因此，解决这个问题就从AC380V动作电源经表示电路发生串电这一环节入手，将动作电路与表示电路分开，断开表示电路沟通动作电源的回路，使2DQJ继电器接点断开时不带电，彻底消除断开时接点拉弧。但由于转辙机控制电路涉及列车的运营安全，五线制电路是目前国内的统一电路，已经广泛使用于高速铁路、普速铁路和地铁，电路安全性经过了多年的验证，所以，新电路设计时主要考虑以下几个方面[19]。

(1)动作及表示电路分开。

(2)动作电路的原理保持不变。

(3)表示电路采用经过验证的成熟可靠的电路。

(4)继电器的类型保持不变。

(5)增加电缆芯数尽可能少。

根据上述原则，首先，将交流五线制道岔控制电路中动作电路与表示电路分开，如图5、图6所示。

既有的五线制电路中，动作电路由于电机在正向、反向转换时动作电源AC380V的B相和C相需要换相，换相是由转辙机内部的自动开闭器接点实现的，定位操作的动作线为X1、X2、X5，反位操作的动作线为X1、X3、X4，其中X1为共用线，动作电路需要电缆芯线5芯(图5)；表示继电器(DBJ、FBJ)与室外整流二极管是并联关系，定位表示线为X1、X2、X4，反位表示线为X1、X3、X5，其中X1为共用线，表示电路需要电缆芯线5芯(图6)。若按上述电路把动作电路和表示电路分开使用，电缆芯线将由原来的5芯增加到10芯，整个电路共需要电缆芯线10芯。

图6 五线制道岔控制电路的表示电路

为了减少表示电路电缆芯线的数量，借鉴四线制直流转辙机道岔控制电路(简称四线制电路)，该控制电路使用年限比五线制电路还长，安全性和可靠性均得到充分验证。该电路中表示继电器与室外二极管是串联使用，电缆的一芯为定位和反位表示共用回线，整个表示电路共计使用电缆芯线3芯，不仅安全性和可靠性得到充分保障[20]，还把表示电缆由5芯减少到3芯，降低工程投资。如图7所示。

图7 四线制道岔控制电路的表示电路

最后形成的电路为动作电路与表示电路分开，道岔启动电路(1DQJ、1DQJF、 2DQJ及BHJ等励磁电路)与五线制相同，动作电路为5线，表示电路为3线，形成交流转辙机八线制道岔控制电路(简称八线制电路)，如图8所示。

图8 八线制电路

4 现场试验验证及评审

为了对八线制电路进行验证，对比八线制电路与五线制电路2DQJ继电器接点拉弧的情况，自2017年6月28日起，在北京地铁7号线焦化厂车辆段的培训中心进行了试验，采用2组ZDJ9转辙机，一组采用五线制电路控制，一组采用八线制电路控制，五线制电路与八线制电路中的2DQJ继电器均采用同一批次新出所检修后的继电器。并设计了自动操纵道岔电路，控制2台转辙机同时转动，自动电路的操作频次与现场折返站基本一致， 180s定、反位来回操作1次，全天24 h自动循环操作。每次动作时，五线制电路中的2DQJ接点拉弧现象非常明显，而八线制电路2DQJ接点没有任何拉弧现象发生，1周后五线制电路中的2DQJ继电器接点灼烧变黑明显，2个月后发生了接点接触不良，引起道岔控制电路故障，八线制电路2DQJ继电器接点光亮如新。2017年9月，八线制电路通过了信号专家组的技术评审。

5 结语

八线制电路保持了五线制电路的动作电路，表示电路采用了四线制道岔控制电路的表示电路，完全保留了原电路的安全性，彻底解决2DQJ继电器接点拉弧的问题，降低了道岔控制电路的故障率，拉高了交流道岔控制电路的稳定性，大幅减小因道岔控制电路故障对运营的影响，控制电路与表示电路分开，电路原理更为直观，更便于现场的维修和故障处理，将大大缩短故障处理的时间。

该八线制电路不仅适用于城市轨道交通道岔转辙机，同样也适用于高速铁路和普速铁路。