馬建文

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 430063， 武漢∥高級工程師)

地鐵站臺安全門能夠把乘客與列車進行隔離，防止乘客掉落站臺，同時保證空調冷源和熱源不被運行列車帶走，因此站臺安全門是地鐵車站必備設施。由于站臺安全門與軌道回流軌連接以保持等電位，所以站臺門必須保證絕緣安裝，同時在站臺設置絕緣層。GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》第9.3.11條對此作了明確的規(guī)定，并將其作為強制性條款。

但是根據國內站臺門絕緣安裝后的檢測效果來看，無論是剛施工完還是運營后，絕緣電阻普遍沒有達標，甚至沒有電阻。如果這樣，為安全起見，站臺門就不與回流軌連接，從而使列車與站臺門就形成了跨步電壓，如果站臺絕緣層還失效，將對乘客的安全構成雙重威脅。

站臺門絕緣同站臺絕緣層聯系非常緊密。如果站臺絕緣層效果差，站臺門絕緣就不會好。站臺絕緣層原來只有絕緣卷材一種方案，絕緣卷材由于易被刺破，且卷材四周必須打膠密封，只要有一個漏點，整跨絕緣就會失效。因此，整體復合絕緣層(絕緣砂漿)方案應運而生，使絕緣性能得到可靠保證，這樣可以投入精力來進行站臺門絕緣性能的提升研究。

1 站臺門絕緣設置及存在問題

目前，保證站臺門絕緣性能普遍的做法，是由站臺門廠家在門體立柱上下支座上設置絕緣套筒及絕緣墊片。雖然這種安裝工藝從理論上看確實能保證立柱金屬不與土建結構接觸而導通，但是地鐵車站環(huán)境不是理想狀態(tài)，主要體現在：

1) 施工階段，各工種交叉作業(yè)、裝修或土建專業(yè)的水泥砂漿很容易附在絕緣墊片或絕緣套筒上，而且不易發(fā)現、不易清理，從而導致絕緣失效。

2) 在施工驗收或運營階段，對門體進行絕緣檢測時會發(fā)現一個非常普遍的現象，即絕緣電阻時有時無，時高時低。進一步分析發(fā)現，濕度高時絕緣電阻小甚至測不出來，濕度低時電阻出現，因此空氣濕度對門體絕緣影響非常大。

2 站臺門門體電流運動規(guī)律及電阻的測量原理

首先，了解電流(電荷)在電場作用下的運動規(guī)律：

(1)

式中：

i——電流，為單位時間內通過某一橫截面S的電荷量，A；

q——電荷，C；

t——時間，s。

電流方向為正電荷的流動方向，形成電流的條件為：① 存在可以自由移動的電荷；② 存在電場。這里需要說明的是，電流通常是時間的函數，不隨時間變化的電流稱為恒定電流，用i表示。

一般情況下，在空間不同的點，其電流的大小和方向往往是不同的。在電磁理論中，常用體電流、面電流和線電流來描述電流的分布狀態(tài)。

2.1 體電流

電荷在某一體積內定向運動所形成的電流稱為體電流，用電流密度矢量J來描述(描述截面上電流分布，A/m2)：

(2)

式中:

en——正電荷運動的方向。

體電流密度矢量如圖1所示。流過任意曲面S的體電流為：

(3)

圖1 體電流密度矢量

2.2 面電流

電荷在一個厚度h可以忽略的薄層內定向運動所形成的電流稱為面電流，用面電流密度矢量JS(單位為A/m2，見圖2)來描述其分布：

(4)

圖2 面電流密度矢量

通過薄導體層上任意有向曲線l的電流為：

(5)

2.3 電流的大小

電流的大小除與電場(電壓)大小呈正相關外，還與物體電阻大小呈負相關。對于物體電阻來說，與體電流相對應的是體積電阻，用R1表示;與面電流相對應的是表面電阻，用R2表示。

2.4 物體的整體電阻

為方便描述，本文以梯形絕緣體為對象進行分析，如圖3所示。由圖可見，在一定電壓下物體電流分別從物體內部及物體表面流走，相當于一個并聯電路。圖中,Is為表面電流,Iv為體積電流。

圖3 電流在絕緣體內部及表面走向示意圖

圖3類似于一個并聯電路，電流I=Is+Iv。從而可以得出總電阻R的計算式為：

R=R1×R2(R1+R2)=R1(1+R1/R2)

(6)

物體體積電阻R1是不變的，而表面電阻R2為變量。從式(6)可以得出結論，當表面電阻R2變小時，物體總電阻R也變小。

3 濕度與物體表面電阻的關系

當空氣中的濕度大于60%時，就會在物體表面形成肉眼很難觀測到的水膜。濕度越大，表面形成的水膜越密，電流沿絕緣體表面就容易導走，所以表面電阻就變小。從式(6)中可推導出總電阻值也變小，這就是在對站臺門測電阻時發(fā)現絕緣電阻時高時低，甚至測不出來的根本原因。因此，要想提高門體絕緣電阻，必須提高站臺門的表面電阻，這樣就可以設計出與傳統(tǒng)站臺門絕緣方式截然不同的最新的絕緣方案。

4 站臺門新型絕緣方案

通過以上分析，本文提出一種與現有門體絕緣有本質區(qū)別的新型絕緣方案，如圖4所示。

圖4 在土建板上設置絕緣示意圖

具體方法如下：① 不在門體立柱上下支座處設置絕緣墊或絕緣套管，在門體立柱上下與土建結構板交接處的結構板中嵌入絕緣體，阻斷體電流；② 沿站臺門通長的上下土建結構表面涂裝絕緣涂層，增大表面電阻，減少表面電流。

筆者研究出一種絕緣體材料，其物理力學性能及絕緣性能優(yōu)異，可滿足地鐵在復雜環(huán)境下長期使用的耐久性及功能要求。

1) 絕緣體的材料性能。嵌入站臺結構板中的材料為現場澆筑的絕緣體，從其參數分析上可以看出，抗壓強度、黏結強度很高，遠高于鋼筋混凝土的力學性能，而且體積電阻率非常高，具備阻斷體電流的優(yōu)異性能，其技術參數如表1所示。

表1 絕緣體材料性能表

2) 土建結構板表面絕緣層的材料性能。在站臺門立柱上下土建結構板表面設置表面絕緣涂層，其材料具有比較大的表面絕緣電阻，從而可減少表面電流的泄漏。該涂層材料主要化學成分為納米無機材料，合成固化后技術參數如表2所示。

表2 土建結構板表面絕緣層的材料性能表

5 案例對比試驗及結果分析

在深圳地鐵2號線延長線仙湖站、蓮塘站、蓮塘口岸站進行了絕緣方案對比試驗，每站情況如下：① 蓮塘站通風情況較好，站內濕度與站外空氣濕度基本保持一致；② 蓮塘口岸站因為很深，不通風，濕度很大且基本保持不變；③ 仙湖站設站深度介于以上兩站之間，濕度基本保持不變。

每個站在站臺門一側仍然采用在門體立柱自設絕緣的方案(簡稱傳統(tǒng)方案)，另一側采用土建結構板上嵌入絕緣體及涂裝絕緣涂層方案(簡稱新方案)，施工完成后根據站內濕度情況隨機跟蹤檢測，每站試驗數據如表3～表5所示。

表3 不同濕度時蓮塘站站臺門絕緣電阻實測表

表4 不同濕度時蓮塘口岸站站臺門絕緣電阻實測表

表5 不同濕度時仙湖站絕緣電阻實測表

根據以上3個車站的實測數據，得出以下結論：① 傳統(tǒng)方案的絕緣電阻對濕度十分敏感，絕緣電阻隨濕度增加而大幅下降，這是因為表面電阻大幅降低的結果，當濕度大于90%時，其絕緣電阻趨于零；② 新方案絕緣電阻值比傳統(tǒng)方案絕緣電阻值大大提高；③ 新方案絕緣電阻值也隨濕度增大而降低，但是下降幅度較小，即便濕度大于90%，站臺門絕緣電阻值仍然較高。

6 結語

本文從目前地鐵站臺門絕緣普遍失效及絕緣可靠性差的現實背景入手，通過理論分析得出空氣濕度與物體表面電阻是負相關的，而表面電阻與站臺門絕緣電阻是正相關的。因此，要提高站臺門絕緣性能必須提高物體的表面電阻。進而提出一個顛覆傳統(tǒng)站臺門絕緣結構的方案，即在站臺土建結構上設置絕緣，由嵌入結構板中的絕緣體阻斷體電流，結構板表面設置絕緣涂層，阻斷表面電流，從而全面增大站臺門絕緣電阻。該方案將使站臺門絕緣性能得以普遍提高，通過實施案例，其絕緣電阻的檢測數據證明了該方案理論的正確性，具有工程化應用前景。