吳 松,丁建莉,劉長山,張子驁

(1.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究院,北京 100166； 2.北京地鐵運(yùn)營有限公司通號分公司,北京 100044； 3.明尼蘇達(dá)大學(xué),美國明尼蘇達(dá)州)

鐵路道岔是鐵路軌道的重要組成部分和關(guān)鍵設(shè)備[1]，轉(zhuǎn)轍裝置[2]是帶動道岔尖軌轉(zhuǎn)換位置并能將尖軌固定在定位或反位的設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)列車或車列的轉(zhuǎn)線作業(yè)。 我國高速鐵路、普速鐵路及城市軌道交通[3]采用的轉(zhuǎn)轍裝置主要有交流電動轉(zhuǎn)轍機(jī)(S700K、ZDJ9)、交流電液轉(zhuǎn)轍機(jī)(ZY7、ZYJ4)和直流電動轉(zhuǎn)轍機(jī)(ZD6系列轉(zhuǎn)轍機(jī))[4]。其中交流電動轉(zhuǎn)轍機(jī)和交流電液轉(zhuǎn)轍機(jī)的控制電路均采用《交流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路圖冊》(DS0501) 定型圖冊中的五線制交流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路(以下簡稱五線制電路)。

1 現(xiàn)狀與問題

北京地鐵于2007年10月開通的5號線首次采用ZDJ9型交流轉(zhuǎn)轍機(jī)，隨后ZDJ9相繼在北京地鐵6號線、8號線、9號線、15號線、房山線、亦莊線、昌平線和機(jī)場線等多條地鐵線路上使用。地鐵運(yùn)營間隔[5]較小，特別是在早晚高峰時運(yùn)營間隔達(dá)到120 s，曾多次出現(xiàn)因電動轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路中的2DQJ繼電器第一、二組加強(qiáng)接點(diǎn)拉弧灼燒損壞產(chǎn)生接點(diǎn)接觸不良，引起道岔控制電路故障，導(dǎo)致列車不能折返，大量乘客滯留，嚴(yán)重影響市民出行。

北京地鐵公司為了減少此類故障對運(yùn)營造成的影響，修改繼電器檢修規(guī)程，將折返站[6]的2DQJ繼電器的檢修周期由6個月縮短為2個月，并規(guī)定從折返車站替換下來的2DQJ繼電器經(jīng)過檢修后只能使用于非折返站。即便采取了以上措施，此類故障還是時有發(fā)生，影響地鐵正常運(yùn)營秩序。

2 現(xiàn)場觀察、分析及測試

2.1 現(xiàn)場觀察

為了找到2DQJ繼電器接點(diǎn)拉弧燃燒損壞的原因，選取北京地鐵亦莊線臺湖車輛段培訓(xùn)中心及7號線的折返站—北京西站站進(jìn)行現(xiàn)場觀察及測試。

觀察發(fā)現(xiàn)2DQJ轉(zhuǎn)極時接點(diǎn)斷開的瞬間發(fā)生拉弧現(xiàn)象。定位向反位轉(zhuǎn)換時發(fā)生在第一組中接點(diǎn)與前接點(diǎn)斷開的瞬間，反位向定位轉(zhuǎn)換時發(fā)生在第二組中接點(diǎn)與后接點(diǎn)斷開的瞬間。7號線北京西站站2號道岔的2DQJ繼電器接點(diǎn)僅僅使用了19 d已經(jīng)有明顯灼傷變黑痕跡。

在道岔啟動電路中加裝 “轉(zhuǎn)轍機(jī)在線監(jiān)測儀”，對2DQJ繼電器接點(diǎn)電流進(jìn)行監(jiān)測，測試結(jié)果顯示， 2DQJ繼電器接點(diǎn)瞬間峰值電流為10 A，最高瞬間峰值電流能達(dá)到14 A。

2.2 原因分析

交流電動轉(zhuǎn)轍機(jī)(ZDJ9[7]、S700K[8])、交流電液轉(zhuǎn)轍機(jī)(ZYJ系列)[9]工作電流不大于2 A，2DQJ繼電器接點(diǎn)拉弧到底是因?yàn)榈啦韱訒r接通的瞬間啟動電流太大產(chǎn)生拉弧[10]，還是因?yàn)榻狱c(diǎn)斷開的瞬間產(chǎn)生拉弧還不明確。

從現(xiàn)場測試和觀察的情況來看，若是因?yàn)榈啦韱訒r峰值電流較大，拉弧現(xiàn)象應(yīng)該發(fā)生在2DQJ接點(diǎn)接通的瞬間，但接點(diǎn)接通時并沒有產(chǎn)生明顯的拉弧現(xiàn)象，反而是在接點(diǎn)斷開的瞬間產(chǎn)生明顯的拉弧現(xiàn)象。通常情況下，繼電器接點(diǎn)拉弧發(fā)生在帶電斷開或者帶電接通的瞬間[11]，由電路原理可知，2DQJ繼電器完成轉(zhuǎn)極后才能向室外電動轉(zhuǎn)轍機(jī)送出AC380V動作電源，轉(zhuǎn)極前接點(diǎn)不應(yīng)該有電。為了找到帶電的原因，應(yīng)首先對五線制電路進(jìn)行詳細(xì)分析。

在五線制電路圖中，2DQJ繼電器采用的是JYJXC-160/260[12]有極加強(qiáng)接點(diǎn)繼電器。其兩組加強(qiáng)接點(diǎn)11和12[13]均分別用于接通AC380V的B相和C相電源，A相電源由1DQJ的第一組接點(diǎn)接通，向室外電機(jī)送出AC380V的動作電源。道岔控制電路正常的動作順序?yàn)?以定位向反位轉(zhuǎn)換為例，如圖1、圖2所示)：聯(lián)鎖[14]驅(qū)動反位操縱FCJ繼電器勵磁吸起，接通1DQJ繼電器的3-4線圈使1DQJ繼電器勵磁吸起，1DQJ的第三組前接點(diǎn)接通1DQJF的1-4線圈使1DQJF繼電器勵磁吸起，通過FCJ第二組前接點(diǎn)和1DQJF的第四組前接點(diǎn)給2DQJ的1-2線圈送電，使2DQJ轉(zhuǎn)極，2DQJ轉(zhuǎn)極后把室內(nèi)的AC380V電源通過電纜送到室外交流電動轉(zhuǎn)轍機(jī)，使其帶動道岔轉(zhuǎn)換到反位，待道岔轉(zhuǎn)換到規(guī)定位置后，轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的自動開閉器斷開道岔控制電源[15]。道岔控制電路繼電器動作時序：FCJ↑→1DQJ↑→1DQJF↑→2DQJ轉(zhuǎn)極→送出AC380V動作電源。

圖1 1DQJ和2DQJ啟動電路[16]

經(jīng)仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，1DQJ繼電器吸起，通過其第一組前接點(diǎn)率先向室外交流轉(zhuǎn)轍機(jī)送出AC380V動作電源的A相(如圖2中①虛線所示)，待2DQJ轉(zhuǎn)極后，再通過其第一組、第二組后接點(diǎn)分別送出AC380V動作電源的B相、C相(如圖2中②、③虛線所示)，至此AC380V動作電源的A、B、C三相均送出，轉(zhuǎn)轍機(jī)開始動作帶動道岔轉(zhuǎn)換。但從繼電器的動作時序發(fā)現(xiàn)，2DQJ轉(zhuǎn)極電路是1DQJF吸起后接通的，換句話說1DQJ和1DQJF吸起之后2DQJ繼電器才開始轉(zhuǎn)極，即存在一個時機(jī)1DQJ和1DQJF吸起，而2DQJ還未轉(zhuǎn)極(其時長約為0.07～0.12 s)[17]，由于五線制電路中動作電路與表示電路合用，AC380V動作電源B相電源通過表示電路送出至電機(jī)(如圖3中②虛線所示)，致使2DQJ的第一組前接點(diǎn)帶上了電；C相電源也由2DQJ的第二組前接點(diǎn)送到室外，但由于轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部自動開閉器41、42接點(diǎn)之間斷開而沒有送到電機(jī)(如圖3中③虛線所示)線圈上，2DQJ繼電器轉(zhuǎn)極，其第一組前接點(diǎn)就在帶電情況下斷開，產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象(第二組前接點(diǎn)因自動開閉器接點(diǎn)斷開C相電源沒有形成回路，無拉弧現(xiàn)象發(fā)生)。同理，反位向定位轉(zhuǎn)換時，1DQJ繼電器吸起，通過其第一組前接點(diǎn)率先向室外電機(jī)送出AC380V動作電源的A相(如圖4中①虛線所示)，AC380V動作電源C相電源通過表示電路送出至電機(jī)(如圖4中③虛線所示)。致使2DQJ的第二組后接點(diǎn)在帶電情況下斷開，產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象[18]。

圖2 五線制道岔控制電路

圖3 定位向反位轉(zhuǎn)換時表示電路構(gòu)通動作電源

為了驗(yàn)證分析的正確性，在北京地鐵7號線焦化廠車輛段培訓(xùn)中心進(jìn)行了現(xiàn)場測試，定位向反位轉(zhuǎn)換時，在X2中串入1個1 Ω/5 kW電阻，用示波器在電阻兩端進(jìn)行測試，示波器顯示有交流電的3個半波流過X2，與分析結(jié)果吻合。這就是為什么道岔定位向反位轉(zhuǎn)換時2DQJ第一組前接點(diǎn)拉弧，反位向定位轉(zhuǎn)動時第二組后接點(diǎn)拉弧的真正原因。

圖4 反位向定位轉(zhuǎn)換時表示電路構(gòu)通動作電源

3 解決措施

圖5 動作電路

從以上分析和現(xiàn)場測試，已經(jīng)明確找到2DQJ接點(diǎn)拉弧的原因。由于五線制控制電路存在設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致AC380V動作電源經(jīng)表示電路發(fā)生了串電，致使2DQJ繼電器轉(zhuǎn)極之前接點(diǎn)帶電，斷開瞬間產(chǎn)生拉弧灼燒損壞接點(diǎn)接觸不良，最終導(dǎo)致道岔控制電路故障。因此，解決這個問題就從AC380V動作電源經(jīng)表示電路發(fā)生串電這一環(huán)節(jié)入手，將動作電路與表示電路分開，斷開表示電路溝通動作電源的回路，使2DQJ繼電器接點(diǎn)斷開時不帶電，徹底消除斷開時接點(diǎn)拉弧。但由于轉(zhuǎn)轍機(jī)控制電路涉及列車的運(yùn)營安全，五線制電路是目前國內(nèi)的統(tǒng)一電路，已經(jīng)廣泛使用于高速鐵路、普速鐵路和地鐵，電路安全性經(jīng)過了多年的驗(yàn)證，所以，新電路設(shè)計(jì)時主要考慮以下幾個方面[19]。

(1)動作及表示電路分開。

(2)動作電路的原理保持不變。

(3)表示電路采用經(jīng)過驗(yàn)證的成熟可靠的電路。

(4)繼電器的類型保持不變。

(5)增加電纜芯數(shù)盡可能少。

根據(jù)上述原則，首先，將交流五線制道岔控制電路中動作電路與表示電路分開，如圖5、圖6所示。

既有的五線制電路中，動作電路由于電機(jī)在正向、反向轉(zhuǎn)換時動作電源AC380V的B相和C相需要換相，換相是由轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的自動開閉器接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，定位操作的動作線為X1、X2、X5，反位操作的動作線為X1、X3、X4，其中X1為共用線，動作電路需要電纜芯線5芯(圖5)；表示繼電器(DBJ、FBJ)與室外整流二極管是并聯(lián)關(guān)系，定位表示線為X1、X2、X4，反位表示線為X1、X3、X5，其中X1為共用線，表示電路需要電纜芯線5芯(圖6)。若按上述電路把動作電路和表示電路分開使用，電纜芯線將由原來的5芯增加到10芯，整個電路共需要電纜芯線10芯。

圖6 五線制道岔控制電路的表示電路

為了減少表示電路電纜芯線的數(shù)量，借鑒四線制直流轉(zhuǎn)轍機(jī)道岔控制電路(簡稱四線制電路)，該控制電路使用年限比五線制電路還長，安全性和可靠性均得到充分驗(yàn)證。該電路中表示繼電器與室外二極管是串聯(lián)使用，電纜的一芯為定位和反位表示共用回線，整個表示電路共計(jì)使用電纜芯線3芯，不僅安全性和可靠性得到充分保障[20]，還把表示電纜由5芯減少到3芯，降低工程投資。如圖7所示。

圖7 四線制道岔控制電路的表示電路

最后形成的電路為動作電路與表示電路分開，道岔啟動電路(1DQJ、1DQJF、 2DQJ及BHJ等勵磁電路)與五線制相同，動作電路為5線，表示電路為3線，形成交流轉(zhuǎn)轍機(jī)八線制道岔控制電路(簡稱八線制電路)，如圖8所示。

圖8 八線制電路

4 現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證及評審

為了對八線制電路進(jìn)行驗(yàn)證，對比八線制電路與五線制電路2DQJ繼電器接點(diǎn)拉弧的情況，自2017年6月28日起，在北京地鐵7號線焦化廠車輛段的培訓(xùn)中心進(jìn)行了試驗(yàn)，采用2組ZDJ9轉(zhuǎn)轍機(jī)，一組采用五線制電路控制，一組采用八線制電路控制，五線制電路與八線制電路中的2DQJ繼電器均采用同一批次新出所檢修后的繼電器。并設(shè)計(jì)了自動操縱道岔電路，控制2臺轉(zhuǎn)轍機(jī)同時轉(zhuǎn)動，自動電路的操作頻次與現(xiàn)場折返站基本一致， 180s定、反位來回操作1次，全天24 h自動循環(huán)操作。每次動作時，五線制電路中的2DQJ接點(diǎn)拉弧現(xiàn)象非常明顯，而八線制電路2DQJ接點(diǎn)沒有任何拉弧現(xiàn)象發(fā)生，1周后五線制電路中的2DQJ繼電器接點(diǎn)灼燒變黑明顯，2個月后發(fā)生了接點(diǎn)接觸不良，引起道岔控制電路故障，八線制電路2DQJ繼電器接點(diǎn)光亮如新。2017年9月，八線制電路通過了信號專家組的技術(shù)評審。

5 結(jié)語

八線制電路保持了五線制電路的動作電路，表示電路采用了四線制道岔控制電路的表示電路，完全保留了原電路的安全性，徹底解決2DQJ繼電器接點(diǎn)拉弧的問題，降低了道岔控制電路的故障率，拉高了交流道岔控制電路的穩(wěn)定性，大幅減小因道岔控制電路故障對運(yùn)營的影響，控制電路與表示電路分開，電路原理更為直觀，更便于現(xiàn)場的維修和故障處理，將大大縮短故障處理的時間。

該八線制電路不僅適用于城市軌道交通道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)，同樣也適用于高速鐵路和普速鐵路。