摘 要  城市轨道交通站台门绝缘一直是行业内难以解决的问题，目前国内大多已建成线路均未达到国家相关技术规范要求。文中对现有的站台门门组合式绝缘支座从结构和绝缘材料的选用着手，对在绝缘方面所存在的弱点进行了分析。借鉴输配电系统中电瓷绝缘子的使用经验，经电气和机械强度计算和分析，本文认为站台门安装支座采用整体式瓷绝缘支座是可行的。
关键词  轨道交通；站台门；组合绝缘支座；整体瓷绝缘支座
 
目前地铁列车一般采用直流牵引供电系统，并把钢轨作为回流排，直接连至牵引变电所。钢轨与大地之间常有较大的电位差，使地铁列车的车体外壳存在对地电位。乘客上下车时极有可能同时接触到列车车体外壳和安装于站台上的站台门构架，而在人体产生电位差，给上下车的乘客造成危害或带来不适。
为了保证乘客安全，《地铁设计规范》（GB50157-2013）、《城市轨道交通站台屏蔽门系统技术规范》（CJJ 183-2012）等标准中都做了相关规定：“当采用钢轨作回流轨时，站台（屏蔽）门应与钢轨进行等电位连接，等电位连接应符合下列规定：
“……站台（屏蔽）门金属构件应与土建结构绝缘，……绝缘电阻在500VDC下应不小于0.5MΩ” ^[1][2]。为此，地铁站台门系统需要采用满足对地绝缘电阻要求的绝缘安装。
一、行业现状分析
目前大都采用如图1所示的组合绝缘安装支座（上、下支座），利用绝缘垫片和绝缘套达到钢结构对地绝缘的目的，绝缘材料大多采用工程塑料或橡胶等。 绝大部分站台（屏蔽）           图 1                   门绝缘系统在工验收时，达不到对地绝缘强度不小于 0.5 MΩ 的要求^[3] 。                                即使竣工验收时站台（屏蔽）门绝缘强度是达标的，运行一段时间后，绝缘强度也很难达到最初的设计指标，这主要与绝缘材料受到湿度、灰尘等异物的侵蚀而使绝缘性能下降有关^[1] 。根据目前国内各城市的已运营线路来看，运行一年后的站台（屏蔽）门对地绝缘均达不到国家规范要求，不少对地绝缘电阻直接为0欧。北京地铁新线站台（屏蔽）门系统在施工、运行过程中，也普遍存在绝缘电阻测试不达标的情况^[3][4]。国内大多数站台（屏蔽）门都时处于带病运行状态。
现有绝缘支座的绝缘性能主要靠聚脂类工程塑料或树脂类绝缘材料做成的绝缘板、垫、套保证。如图1所示支座影响站台门整体绝缘性能的主要原因：
1、绝缘材料弱点
所用绝缘材料其绝缘性能受环境湿度各粉尘污染影响较大。笔者曾做过下列测试（绝缘材料为聚脂类工程塑料）
绝缘底座绝缘测试记录（2012年6月29日）

	测试时间	温度	湿度	绝缘板情况	万用表测量电阻	兆欧表测量电阻
1	9:58	21℃	62%	清洁	∞	518MΩ
2	10:15	24℃	70%	清洁	∞	(229MΩ)
3	10:23	25℃	75%	清洁	∞	360MΩ
4	10:33	24℃	80%	清洁	∞	261MΩ
5	10:49	24℃	85%	清洁	151MΩ	205MΩ
6	10:55	24℃	90%	清洁	101MΩ	70MΩ
7	11:05	24℃	90%	轻微污染	11.70MΩ	2.06MΩ
8	11:15	24℃	85%	轻微污染	11.42MΩ	3.05MΩ
9	11:17	24℃	80%	轻微污染	13.07MΩ	3.88MΩ
10	11:24	24℃	75%	轻微污染	22.87MΩ	11.2MΩ
11	11:31	24℃	70%	轻微污染	57.08MΩ	34.6MΩ
12	11:39	24℃	65%	轻微污染	∞	355MΩ
13	11:50	23℃	70%	轻微污染	63.59MΩ	38.40MΩ
14	12:05	23℃	75%	轻微污染	22.91MΩ	11.67MΩ

注：轻微污染：污染状况基本接近现场状态，但没有现场污染严重。
从检测数据基本可以得出结论：空气湿度大于75%-85%时，绝缘电阻急剧下降；绝缘底座有轻微粉尘污染时，绝缘电阻下降90%以上。
由于所用绝缘材料（树脂类或聚脂类）都有一定吸水率，在长时间处于潮湿环境中材料绝缘性能会显著下降；绝缘板、垫、套都是采用机械加工而成，外表面难以做到光滑，极易附着尘土导致绝缘性能降低；
2、结构特性存在弱点
如图1所示的组合式绝缘支座，其中共存有五个绝缘环节，即：四处联接螺栓与下底板间和一处上下底板间的绝缘，其等效电路则相当于五个电阻的并联电路，定性分析可知，支座组合的绝缘电阻仅为单个绝缘环节的1/5，所以组合后的绝缘支座其绝缘性能也将显著下降。绝缘材料厚度决定了每个绝缘点爬电距离，一般都在15mm以下。对每个绝缘点的电阻值可作如下估算：
每侧屏蔽门约有150个绝缘底座（上、下），共有150×5＝750个绝缘点，结构连接后均为并联关系。在此种情况下，要满足并联后的总电阻不于0.5 MΩ，则每个绝缘点的电阻值需不小于375 MΩ。
从以上两点分析可以看出，材料特性和结构特点决定了传统绝缘支座在环境湿度超过75%，且有一定污染的条件下，即使新安装的工程，运行初期绝缘尚合格，但在使用几个月或半年后其绝缘都将不能达到设计规范的要求，也就是站台门绝缘难以满足规范要求的主要原因。
与其它绝缘材料相比，电工陶瓷具良好的绝缘性能和化学稳定性，较高热稳定性和机械强度，在表面上釉后弯曲强度和表面光滑度都将大为增加；吸水率为零，所以在潮湿环境下各项性能也不会发生变化。
针对传统绝缘支座结构和使用绝缘材料的弱点，借鉴高压输电线路中采用瓷绝缘器件的经验，笔者通过分析和计算认为：站台门绝缘支座采用高强电工陶瓷为绝缘材料是可行的。
二、瓷质绝缘支座分析
输电线路中绝缘子承受着工作电压和各种过电压的作用；承受着导线重量、覆冰重量、风力、系统短路电动力、设备操作机械力、以及震动力等的作用；此外，还受到各种在气条件变化以及环境污染的影响，工作条件是非常恶劣的。相比之下，站台门绝缘支座工作环境和条件都优于输电线路中的绝缘子。但由于其使用功能的特殊性—虽然耐压要求不高，确有较高的泄漏要求；机械强度要求高，尤其是要保证绝缘材料破裂后，支座仍具有相当的稳定性，以满足站台门的安全运行。
针对站台门的使用条件，瓷绝缘支座在设计和制作时主要应从以下方面考虑，以满足其使用要求：
2.1、电气性能：
站台门绝缘支座要求的耐压强度虽不高，但由于一侧门体安装完成后，绝缘点并联数较多，并处于较高粉尘污染中，所以对瓷绝缘件的泄漏距离（爬电距离）可参照下表确定：
绝缘污秽环境分级^[5]

污秽等级	污秽条件	泄漏比距 cm/KV
0	一般地区	2.0～2.5
1	空气污秽的工业区附近；盐碱地区；炉烟污秽地区	3.0～3.5
2	空气污秽较严重的地区；沿海地带及盐场附近；空气污秽而又重雾的地带	4.0～5.0
3	电导率很高的空气污秽地区；发电厂的烟囱或冷却塔的影响范围内	≥6

地铁隧道内湿度较大，且粉尘多是由车辆闸瓦和轮、轨间磨擦产生，使附着在站台门支座上的粉尘电导率较高。另外，由于支座所承受的是直流电压，不存在电弧在泄漏电流过零自熄机理，加之整侧站门并联点数较多，所以，支座瓷绝缘件可按3级污秽等级、 1KV电压等级选择泄漏距离，即≥6 cm。
2.2、机械强度
绝缘支座的抗压、抗弯和抗振强度直接关系到站台门的使用安全，所以，在瓷绝缘支座的设计中各机械强度值是需要重点考量的，也是设计的关键所在。
瓷绝缘支座的机械强度主要取决于绝缘瓷件的机械强度，本文仅对瓷质绝缘材料部分进行机械性能分析。电瓷试样的基本性能了下表：
电瓷的基本性能^[5]

性能名称		单位	普通瓷	高硅瓷	铝质瓷
体积密度		g/cm3	2.30～2.44	2.33～2.42	2.50～2.80
吸水率		%	0	0	0
孔隙性			不吸红	不吸红	不吸红
抗弯强度	未上釉	Kgf/cm2	700～900	900～1150	1200～1700
	上釉		800～1100	1000～1250	1450～2000
抗拉强度	未上釉	Kgf/cm2	250～350	300～400	450～650
	上釉		300～400	350～450	600～800
抗压强度	未上釉	Kgf/cm2	4000～5000	5000～6000	7000～8000

从表中可以看出，电瓷试样的抗压和抗弯强度都是较高的，但在其实际用于产品上的数据比表列数据为低，这是因为瓷的机械强度、击穿强度和耐冷热急变性能等往往随产品尺寸增大而直降。由于电瓷的抗压强度足够大，所以本文主要结合站台门绝缘支座的使用特点，主要对瓷件的抗弯强度问题进分析。
绝缘支座瓷件的抗弯强度计算可参照瓷横担和棒形支柱绝缘子进行^[5]：     M＝σZ kgfcm＝0.1σZ N·m
σ— 弯曲破坏应力 kgf/cm²
Z — 弯曲断面模数 cm³    Z＝πD³/32≈0.1D³  
D — 绝缘瓷件危险断面直径
σ的取值与危险断面的大小和瓷件与金属附件的胶装时的胶装比有直接关系，实际计算中应根据结构设计参照图2选取。考虑到到瓷质材料的不均匀性和制造工艺过程的不稳定性，                图  2
机械破坏负荷值需有35％～40％裕度。根据站台门所需弯矩荷载，可计算出瓷件危险断面直径。           
下表列出了《高压线路瓷横担绝缘子》（JB 1383-75）中部份产品性                
能，供参考：                                                                                                                                  

绝缘子型号	全 长mm	绝缘距离（弯曲力臂）mm	棱（伞）外径mm	泄漏距离mm	弯曲破坏负荷N	工作电压kV
SC-185	400	315	75	320	2500	10
SC-210	450	365	82	380	2500	10
S-280	665	490	115	700	5000	35
S-380	900	700	130	1060	5000	60

表中S-380型瓷横担,棱（伞）外径130mm(危险断面直径小于该值),可承受的破坏弯矩为：5000×0.7＝3500 N·m。瓷横担实际使用情况如图3所示，它除了承受导线的重力和张力负荷外，同时还受承风力所造成的振动负荷。站台门支座一般抗弯强度约为2000 N·m 。                          图 3  
2.3、关于抗振性                           
由于地铁车辆运行时所产生的振动性荷载的测试和计算都较复杂，在此仅对列车运行时的振动做定性分析，最终以产品的相关试验数据判定是否满足使用要求。
列车运行时，运行速度对站台振幅最大处振动频率的影响较小，振动频率一般在15Hz以下^[6]，振动位移以竖向振动为主，依道床型式的不同，竖 向加速度和振幅都有所不同，最大值一般为0.33m/s^{2 [7]}。瓷质绝缘支座的抗压强度足够，所以承受竖向压力的能力也足够。另外，由整个站              图 4               台门的结构与车站土建结构并非完全是刚性联接，如图4所示为立柱上端的上、下伸缩装置，它能在立柱有上、下位移时吸收其位移量。对于频率低、速度慢的振动位移它也能起到一定的吸收作用。在安装时也可在绝缘支座下方加装10～20mm厚的橡胶减振垫。
2.4、结构设计                              
进行结构设计时，需考虑在有限的高度范围内（受支座总高度的限制）尽可能增加泄漏距离，并充分发挥绝缘件的材料强度，选择合理的胶装结构与金属附件连接结构，避免应力集中，采取有利于提高其机械性能的措施。
支座上部和下部连接部分采用金属附件，电瓷绝缘件将上、下金属附件联为一体，如图5所示。金属件可采用球墨铸铁、可锻铸铁或铸钢等材料，表面做防锈处理。                                                                        
为了保证站台门在使用中的                 图  5                                  绝对安全，杜绝绝缘支座碎断坍塌，在结构设计中还需重点考虑即使在绝缘瓷件破碎的情况下，上、下金属联接件都不能有脱接和错位。针对站台门绝缘支座的特定使用条件，在垂直和沿站台方向都有外力加以约束（门框重力和纵向底梁联接）不会产生位移，主要需在水平方向采取特殊的结构方式，以满足瓷件碎断时上、下金属件也不会出现位移的情况。
四、检验和试验
由于电瓷绝缘支座是非标准产品，没有现成检验和试验标准。绝缘支座的技术条件、技术规范可结合站台门的使用要求，参照相关高、低压绝缘子的国家或部颁标准确定。产品的电气试验、机械性能试验、物理和化学性能试验以及抗污秽试验，都可借鉴绝缘子的相关标准进行。有以下标准可以借鉴：
《低压绝缘子瓷件技术条件》JB/T 10583-2006
《电站用35KV及以下户外支柱绝缘子》GB 769-1977
《绝缘子试验方法》GB 775-1987
《高压开设备抗地振性能试验》GB/T 13540-1992
五、优点
站台门采用整式瓷绝缘支座具有以下优点：
1、由于采用了电瓷做绝缘体，具有吸水率为零，不老化，所以能长期保其绝缘性能；
2、绝缘体周边采用多棱的方式，增加了爬电距离，提高了支座的抗污染能力；
3、采用整体支座，减少了现场安装的工作量；
4、整体支座的的瓷绝缘件易于进行清洁维护；
5、整体绝缘支座，若采用特殊的安装和联接方式，在支座瓷件破损时易于进行整体托换。
六、结语
综上所述，轨道交通站台门安装支座采用瓷绝缘整体支座，无论从计算分析还是送变电行业中绝缘子的类似实用经验来看，只要根据站台门的荷载要求，计算出合适的几何尺寸和恰当的结构方式，其电气和机械性能完全能够满足站台门的使用要求，彻底解决站台门绝缘的难题。瓷绝缘整体支座可由专业厂家按标准件生产，这样可大大降低支座的制造成本。
参考文献：
[1]： GB5017-2013 地铁设计规范[S].
[2]  CJJ183-2012 城市轨道交通站台站台（屏蔽）门系统技术规范[S].
[3]  地铁屏蔽门绝缘安装相关问题探讨[J].中国城市轨道交通网.2012年6月2日
[4]  赵振江，黄明才.地铁站台屏蔽门的绝缘与接地处理[J].城市轨道交通研究2012年07期
[5]  电机工程手册5卷[M].机械工业出版社
[6]  郑晓，刘胜群.地铁运行引起地表振动的现场测试与分析[J] . 铁道建筑  2007年6期
[7]  周萌，韦凯，周顺华，肖军华，宫全美.轨道型式对地铁与建筑物结构振动响应的影响.中国铁道科学.2003年3月