翁 紅 余 樂 劉世翔

(北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院 北京 100082)

1 道岔融雪設(shè)備應(yīng)用于地鐵的必要性

北京冬天氣溫寒冷，夜間氣溫一般都在零度以下。隨著全球氣候異常日益頻繁，北京地區(qū)冬季降雪呈現(xiàn)降雪量大、分布不均勻、雪后回暖慢的特點(diǎn)。一旦遇到降雪天氣，如人工除雪不及時(shí)，地鐵露天道岔容易積雪、結(jié)冰，發(fā)生凍結(jié)，導(dǎo)致道岔尖軌端部與基本軌無法可靠密貼，影響道岔的可靠動(dòng)作，對(duì)安全運(yùn)營造成一定的隱患，直接影響軌道交通系統(tǒng)的運(yùn)輸安全和效率。

據(jù)北京地鐵運(yùn)營公司反映，2009年北京多場(chǎng)大雪對(duì)地鐵地面線路的運(yùn)營安全造成了比較嚴(yán)重的影響，5號(hào)線、13號(hào)線、機(jī)場(chǎng)線等均多次發(fā)生由于道岔不密貼或無法扳動(dòng)造成的線路、信號(hào)故障，嚴(yán)重影響了行車安全和行車組織。據(jù)統(tǒng)計(jì)，受大雪影響最嚴(yán)重的是露天終點(diǎn)折返線區(qū)段和露天咽喉道岔區(qū)段。

以上情況說明，應(yīng)在新線項(xiàng)目上馬時(shí)，就將露天道岔融雪問題解決在設(shè)計(jì)階段。因此，在15號(hào)線的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員考慮在露天咽喉道岔區(qū)段加裝道岔融雪裝置，當(dāng)發(fā)生降雪時(shí)系統(tǒng)可自動(dòng)或人工啟動(dòng)電加熱融雪電路，以保證在積雪天氣道岔設(shè)施的安全動(dòng)作，并使其在新建線路運(yùn)營時(shí)同步投入使用。

2 融雪設(shè)備概況與設(shè)置范圍

國外道岔融雪設(shè)備應(yīng)用起步于20世紀(jì)70年代的歐洲，其融雪方式主要有:電加熱式、紅外線加熱式、燃?xì)饧訜崾?、熱風(fēng)式、壓縮空氣式、噴燈加熱式、溫水噴射式、溫水循環(huán)式和鹽水灑水式，其中應(yīng)用最多的是電加熱式和燃?xì)饧訜崾絻煞N。我國鐵路道岔融雪設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用起步較晚，從1996年至今處于推廣使用階段。而道岔融雪設(shè)備在地鐵建設(shè)項(xiàng)目中的應(yīng)用更是很少，北京地鐵15號(hào)線工程首次在設(shè)計(jì)階段就將道岔融雪設(shè)備融入設(shè)計(jì)方案，采用的是電加熱的方式。

為確保列車安全、平穩(wěn)、舒適和準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和論證，確定在以下露天道岔區(qū)段加裝融雪裝置:一是應(yīng)用在正線高架及地面線折返線、常用道岔區(qū)段，二是應(yīng)用在車輛段及停車場(chǎng)咽喉道岔、進(jìn)出段常用道岔。以北京地鐵15號(hào)線一期工程為例，在15號(hào)線高架車站后沙峪站北側(cè)、馬泉營車輛段、俸伯停車場(chǎng)3處共23組道岔處安裝了道岔融雪系統(tǒng)。

3 設(shè)計(jì)方案及其主要功能

3.1 道岔融雪設(shè)備組成

15號(hào)線道岔融雪設(shè)備主要由車站控制終端、電氣控制柜、隔離變壓器、接線盒、軌溫傳感器、雪傳感器和道岔加熱元件及其配套的電纜和信息通道等構(gòu)成，詳見圖1。

3.2 設(shè)備選型及參數(shù)

3.2.1 控制終端

北京地鐵15號(hào)線工程共設(shè)置3套融雪裝置控制終端，分別安裝在后沙峪車站綜控室、車輛段綜合樓控制室、停車場(chǎng)綜合樓控制室。每套控制終端獨(dú)立設(shè)置，3套控制終端之間沒有數(shù)據(jù)傳輸和控制要求。

控制終端采用壁掛箱結(jié)構(gòu)，使用19寸觸摸式液晶顯示器、嵌入式工控機(jī)及實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制功能。

圖1 道岔融雪系統(tǒng)構(gòu)成

3.2.2 電氣控制柜

電氣控制柜用于控制現(xiàn)場(chǎng)道岔加熱系統(tǒng)的啟停、信息采集及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，通過信號(hào)電纜與車站控制終端進(jìn)行通信。電氣控制柜安裝在室外道岔旁，需要根據(jù)道岔的多少確定電氣控制柜的數(shù)量。

1)馬泉營車輛段，安裝電氣控制柜2臺(tái)。1#電氣控制柜控制6組7號(hào)道岔，總功率26.2 kW;2#電氣控制柜控制4組7號(hào)道岔，總功率17.5 kW。

2)后沙峪車站，安裝電氣控制柜1臺(tái)。電氣控制柜控制6組9號(hào)道岔，總功率32.82 kW。

3)俸伯停車場(chǎng)，安裝電氣控制柜1臺(tái)。電氣控制柜控制7組7號(hào)道岔，總功率30.59 kW。

3.2.3 電加熱元件

電加熱元件是道岔融雪系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，通過它將電能轉(zhuǎn)化成熱能，傳遞給道岔需要融雪的部位，使溫度提高以融化積雪。電加熱元件的設(shè)計(jì)壽命不少于15年。

電加熱元件選用進(jìn)口的加熱條，用專用的彈性鋼卡將其固定安裝在每組道岔的基本軌內(nèi)側(cè)軌腰處，電加熱元件和鋼軌接觸面為面接觸，見圖2～圖3。電加熱元件外層導(dǎo)熱材料為不銹鋼，中心的電熱材料(電阻絲)為鎳鉻合金，電熱材料和外層導(dǎo)熱材料間為高壓氧化鎂絕緣層;額定工作電壓為AC 220V、50 Hz，電熱轉(zhuǎn)換效率不小于96%。

3.2.4 隔離變壓器

基于對(duì)軌道電路和人身安全的考慮，在電氣控制柜和道岔加熱元件之間設(shè)置隔離變壓器，安裝在道岔旁的變壓器箱內(nèi)。變壓器輸入電壓AC380V，輸出電壓AC 220V，效率不低于96%。

3.2.5 軌溫、雪傳感器

軌溫傳感器安裝在離電氣控制柜最近的加熱道岔的軌底，雪傳感器安裝在軌旁。傳感器采集鋼軌溫度和降雪信息，通過電氣控制柜上傳至車站控制終端。每臺(tái)電氣控制柜配置一套軌溫、雪傳感器。

3.3 控制功能

3.3.1 系統(tǒng)控制功能

1)自動(dòng)控制功能。道岔融雪系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境條件，下雪時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)加熱功能，當(dāng)雪停且道岔處積雪已融化就能自動(dòng)停止加熱。

當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)模式工作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)通過雪傳感器及軌溫傳感器采集到降雪和鋼軌溫度信息后，將信息傳送到電氣控制柜，控制柜把采集到的信息與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定“門限”值進(jìn)行比較。當(dāng)?shù)陀谙到y(tǒng)所設(shè)定的“門限”值時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)啟動(dòng)預(yù)設(shè)的加熱方案，對(duì)道岔進(jìn)行加熱;當(dāng)加熱到符合停止加熱的條件時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)停止加熱。

操作者可以在自己權(quán)限下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行各種操作，如控制各加熱回路的開關(guān)、參數(shù)的設(shè)定和改變、系統(tǒng)各種參數(shù)和工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。

當(dāng)自動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障需要轉(zhuǎn)到手動(dòng)控制功能時(shí)，系統(tǒng)能發(fā)出聲光報(bào)警，提醒值班員。聲光報(bào)警可人工投入或撤銷。

2)手動(dòng)控制功能。操作者可以將系統(tǒng)切換到手動(dòng)加熱模式，手動(dòng)啟動(dòng)或關(guān)閉加熱系統(tǒng)，包括啟動(dòng)或關(guān)閉任意一組道岔加熱。此功能在軟件系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況下使用。

操作者可以在融雪裝置控制終端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程加熱功能。操作者既可以在室外電氣控制柜上強(qiáng)行打開或關(guān)閉整個(gè)系統(tǒng)，也可以對(duì)任意回路進(jìn)行開關(guān)控制，便于維修人員檢查檢修。

3.3.2 自動(dòng)溫度控制功能

加熱后控制柜可實(shí)時(shí)對(duì)鋼軌溫度進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度后自動(dòng)停止加熱，低于設(shè)定溫度后自動(dòng)啟動(dòng)加熱，既可節(jié)能，又延長了電加熱元件的使用壽命。

3.3.3 過流、漏電保護(hù)功能

控制柜設(shè)置了漏電保護(hù)開關(guān)和過流保護(hù)開關(guān)，在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，可以對(duì)設(shè)備本身和操作人員進(jìn)行保護(hù)，以免造成更大的損失。

關(guān)鍵部件采用了漏電保護(hù)器、變壓器保護(hù)器和防雷設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)加熱及用電設(shè)備進(jìn)行電流和電壓的監(jiān)控。當(dāng)發(fā)生突變時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切斷電源，防止電路起火及燒壞器件，保護(hù)設(shè)備和人身安全。

3.3.4 系統(tǒng)擴(kuò)展功能

15號(hào)線的融雪系統(tǒng)工程共安裝了4臺(tái)室外電氣控制柜，每臺(tái)控制柜均預(yù)留了2個(gè)備用回路。例如，后沙峪站，有6組道岔需要安裝融雪設(shè)備，控制系統(tǒng)按8組道岔(實(shí)用6組、預(yù)留2組)進(jìn)行設(shè)計(jì)和控制。

3.3.5 監(jiān)測(cè)功能

降雪狀態(tài)及傳感器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè);供電電源的電壓、頻率監(jiān)測(cè);總消耗功率、電流監(jiān)測(cè);各道岔加熱回路消耗功率監(jiān)測(cè);各回路接觸器的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

3.3.6 優(yōu)先級(jí)功能

在現(xiàn)場(chǎng)將控制柜設(shè)置為本地手動(dòng)狀態(tài)，在車站應(yīng)只能查詢運(yùn)行數(shù)據(jù)和報(bào)警信息，遠(yuǎn)程加熱控制此時(shí)失效(本地控制優(yōu)先于遠(yuǎn)程控制);在非手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可通過遠(yuǎn)程進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

3.3.7 遠(yuǎn)程設(shè)置與修改控制柜參數(shù)功能

在系統(tǒng)終端能夠設(shè)置或修改各種參數(shù)。

3.4 接口設(shè)計(jì)要求

1)道岔融雪設(shè)備按二級(jí)負(fù)荷設(shè)計(jì)，從400 V低壓柜引一路380 V、50 Hz電源。

2)道岔融雪系統(tǒng)控制終端預(yù)留遠(yuǎn)程控制方式接口。

3)所有融雪設(shè)備與軌道距離及安裝高度等均滿足限界要求?？刂乒窆耖T打開時(shí)，也不得侵入限界，不得影響司機(jī)瞭望。

4)在車輛段、停車場(chǎng)具有信號(hào)系統(tǒng)軌道電路的位置安裝道岔融雪設(shè)備，融雪設(shè)備的供電不得影響信號(hào)系統(tǒng)軌道電路的正常工作。

5)道岔融雪設(shè)備的安裝不得與轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作范圍內(nèi)的動(dòng)作軌發(fā)生沖突，不得影響道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)作，且不能與轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備產(chǎn)生電氣連接。

3.5 使用效果

2011年10月底，道岔融雪設(shè)備在北京地鐵15號(hào)線安裝調(diào)試完成并投入應(yīng)用，運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定可靠，操控方便，融雪效果明顯。23組道岔均未發(fā)現(xiàn)異常，未發(fā)生因積雪引發(fā)的行車故障。

4 結(jié)語

道岔融雪設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)道岔的快速融雪，達(dá)到良好的融雪效果。近年來，由于北方城市在冬季時(shí)常會(huì)出現(xiàn)惡劣的天氣，為防患于未然，確保城市地鐵安全運(yùn)營，道岔融雪設(shè)備值得在冬季有冰雪城市的地鐵工程中推廣應(yīng)用。

北京地鐵運(yùn)營公司正在多條已運(yùn)營線路中加裝道岔融雪設(shè)備，由于只能在夜間施工，不僅施工組織難度加大，也容易給日常運(yùn)營安全埋下隱患。建議在建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期，同步考慮道岔融雪系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，預(yù)留足夠的用電容量，與軌道、供電、信號(hào)等專業(yè)配合，在設(shè)備的選型、布置、電纜敷設(shè)等方面綜合考慮，合理規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，滿足設(shè)備系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和要求，從而減輕運(yùn)營階段二次資金、設(shè)備及人力投入的負(fù)擔(dān)。

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