铁路道岔融雪装置工程设计标准优化研究

时间：2024-07-28

宁咏梅，闫宏伟

（1.中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600；2.中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038）

1 概述

近年来随着国内铁路大规模建设，电加热道岔融雪装置已经得到了广泛应用。电加热道岔融雪装置历经多年的发展与工程建设应用，暴露出耗能高、运营维护成本高、系统设计标准不完善等问题。且结合近年来国内天气变化情况，下雪区域存在普遍南移的现象，零度等温线以南部分区域对于道岔融雪装置的需求日趋迫切。如何从工程设计方面，围绕降低工程建设投资和后期运营成本，提高用电利用率，减少雪季对道岔转换设备的影响，以便更好地为铁路运输服务，对道岔融雪装置设计标准进行深化研究是有实际意义和必要的。

2 规范梳理

《高速铁路设计规范》（TB 10621-2014）中第14.9.1 条[1]、《城际铁路设计规范》（TB 10623-2014）中第15.9.1 条[2]及《铁路信号设计规范》（TB 10007-2017）[3]中第15.0.1 条规定“在国内零度等温线（秦岭-淮河）以北地区，且20 年年平均降雪日在10 d 及以上区域的车站及动车段（所）接、发车动车组列车进路上的道岔应设置道岔融雪系统。”

《市域（郊）铁路设计规范》（TB 10624-2020）中第16.1.7 条规定[4]：“信号系统设计根据运营需求可包括ATO、道岔融雪装置等。”

上述相关规范已明确国内铁路道岔融雪装置设置区域原则，主要集中在国内地处零度等温线以北的地区，对道岔融雪装置基本设计要求也作了规定，但对电气控制柜布置设计标准、控制道岔开启数量和开启时机均无明确规定[5]。

此外，自2008 年全国范围的大雪灾害以来，下雪区域普遍南移，对于零度等温线以南部分地区冬季冻雨冰雪对道岔转换设备的影响也日显突出。由于这些区域未设置道岔融雪装置，日常维护维修人员工作量成倍增加，且可能造成信号设备故障，存在安全隐患。

3 融雪装置设置需求分析

3.1 理论分析

通过对国内2011 ～2020 年10 年间，东、西、南、北25 个城市冬季气象资料进行调查，根据多个城市冬季降雪日及最大积雪深度的统计情况（如图1、2 所示），拟针对现行铁路规范标准中对道岔融雪装置设置范围的规定“国内零度等温线（秦岭-淮河）以北地区、且20 年年平均降雪日在10d 及以上的线路，设置道岔融雪装置”中涉及的“秦岭-淮河”、“20 年”、“10 d”几个关键要素以及海拔高度因素进行分析。

图1 秦岭-淮河以北地区气象资料Fig.1 Meteorological data of the region on the north side of Qinling Mountains-Huai River isotherm

1）秦岭-淮河

秦岭-淮河线是中国地理区分北方地区和南方地区的地理分界线，简称秦淮线。秦岭-淮河以南1 月平均气温在0℃以上，以北1 月平均气温在0℃以下。

图2 秦岭-淮河以南地区气象资料Fig.2 Meteorological data of the region on the south side of Qinling Mountains-Huai River isotherm

国内铁路相关规范将零度等温线（秦岭-淮河）作为判断是否需要设置道岔融雪装置的先决条件是考虑冬季平均气温是否在零度以下，是否有下雪的前提温度条件。而从本次收集气象资料表也可以看出，在秦淮线以北地区每年均有不同程度的降雪，以南地区降雪则以秦淮线附近的省份和个别西南部高原地区为主。由于国内地形地貌复杂多样，境内包含山川、河流、沙漠、戈壁、高原、平原，想要以一个明确的地域界限来统筹规定铁路是否设置道岔融雪装置有一定的难度，因此规范选定以秦岭-淮河为界来作为先决条件是相对合理可行的。

2）20 年年平均降雪日

通过调查显示，国内气候变化的现状与趋势：一是大范围增温；二是近50 年来，全国极端气侯事件的频率和强度出现了明显变化。可见，国内降雪虽然总体存在减少的趋势，但是由于极端天气变化明显，特别是下雪区域普遍南移，且南部地区冻雨情况明显比北部地区严重。如果仅仅选取5 年、10 年或15 年年平均降雪日来作为规范判定铁路设置道岔融雪装置的一个因素，或多或少均存在一定的片面性，缺乏合理性。因此，建议仍以20 年年平均降雪日作为一个关键判定因素。

3）10 d 及以上

对于规范中规定的“年平均降雪日10 d 及以上”这一关键因素，结合本次研究对国内东、西、南、北25 个城市降雪气象资料调查表来分析：位于秦淮线以北地区的城市近10 年的年平均降雪日有66.7%地区均在10 d 以上，其余地区10 年年平均降雪日均接近10 d；位于秦淮线以南地区，以安徽、江苏、浙江、湖北、湖南、贵州省地区的城市较为典型，其10 年年平均降雪日均在5 ～10 d，且几乎每年都有降雪，个别地区（比如合肥、南京、杭州、长沙）积雪深度甚至比淮河以北地区都大，其余地区则降雪较少。可见，近年来极端天气的变化造成了下雪区域南移的现象是比较明显的，但是毕竟因为秦淮线以南地区冬季气温低于零度的时间相对北部地区较少。如果严格以年平均降雪日达到10 d 及以上来判定该区域内的铁路是否设置道岔融雪装置，秦淮线以南区域几乎是不可能满足规范要求的，甚至以北的部分区域也不满足规范中规定的设置要求。但是从近年来的工程实际运用来看，道岔融雪装置对于冬季铁路，特别是高速铁路的安全、高效运行起着非常重要的作用，因此有必要对关于铁路道岔融雪装置设置范围的相关规定进行适当的调整。

4）海拔高度

国内地势总特点是西高东低，不同的海拔高度气候条件是不同的。从本次收集的气象资料来看，秦淮线以北地区降雪情况主要还是以南北纬度来划分的，尽管是海拔较低的区域，但是越靠北的地区，降雪日和降雪深度都越高，可见海拔高度并不起主要决定作用；秦淮线以南地区除靠近零度等温线的安徽、江苏、浙江、湖北、湖南几个省份（海拔均较低）降雪稍多以外，以地处云贵高原的贵州省降雪稍多，如表1 所示。由上可见，海拔高度对于降雪有一定的影响，但是决定作用并不显著，因此铁路规范不宜将所属区域的海拔高度作为判定是否设置道岔融雪装置的限制条件。

表1 海拔高度-气象资料统计Tab.1 Altitudes and corresponding meteorological data

3.2 建议

结合上述调查的国内近10 年冬季降雪资料，通过理论分析，同时根据铁路工程建设需求，相关规范中道岔融雪装置设置范围建议修改为：“国内零度等温线（秦岭-淮河）以北地区，且20 年年平均降雪日在5 d 及以上的线路，宜设置道岔融雪装置，宜采取分时启动方式。零度等温线（秦岭-淮河）以南地区，且20 年年平均降雪日在5 d 及以上的线路，结合线路情况，可设置道岔融雪装置。”

4 融雪装置工程设计优化方案

道岔融雪装置设计主要包括电气控制柜的布置、控制终端的配置、电加热元件的配置、各种电源和控制电缆的布置等[6-10]。在此主要从电气控制柜不同的设置方案论述其对工程建设投资的影响，从电气控制柜控制道岔的开启时机方面论述其对用电需求的不同，以及对后期运营能耗的影响，并选取了不同大小规模的多种站场站型，分别以寒冷地区和严寒地区进行设备配置，全面论述。此外，对其他主要设备如调度所远程控制终端、电加热元件工程设计标准优化进行了研究。

4.1 电气控制柜

4.1.1 设置方案

本次选取大、中、小不同规模的3 种类型车站对电气控制柜的设置方案进行比选。以10 股道/50组道岔车站为例，电气控制柜按以下2 种方案设置。

方案1：本方案按照控制柜尽量设置于道岔附近，减少控制柜至隔离变压器间的电力电缆进行布置。全站共需设置15 个控制柜，电力变压器需分别引出15 条电力电缆至15 个电气控制柜。

方案2：本方案按照控制柜输出回路尽量满配进行配置，减少控制柜数量。全站设置11 个控制柜，电力变压器需分别引出11 条电力电缆至11 个电气控制柜。

主要工程数量及投资对比如表2 所示。可以看出，按照控制柜输出回路尽量满配进行配置，通过减少控制柜数量，减少电力变压器至控制柜间电力电缆，效果明显优于将电气控制柜紧邻道岔设置、电缆少过轨、减少控制柜至隔离变压器电缆长度此类措施对工程建设投资的影响。且车站规模越大，道岔组数越多，按此原则优化方案，投资减少更多，效果越加明显。优化后的方案2 较方案1 投资节省45.35 万元。

表2 主要工程数量及投资对比Tab.2 Comparison of the quantity of major items and investments

4.1.2 控制道岔开启数量及开启时机方案

电气控制柜是整个融雪装置的主要部件，安装在车站咽喉区。电气控制柜为底层控制功能单元，担负现场层控制功能，一台电气控制柜控制多组道岔，每次启动道岔的数量所需的功率直接决定了电力用电量[11-12]。为此，合理的确定每一个电气控制柜控制道岔的同时开启数量，以及开启时机是可以大大优化电力用电量需求的。本次选取了不同规模车站，道岔电加热元件按寒冷地区和严寒地区配置，对车站道岔融雪控制系统中电气控制柜控制道岔开启数量及开启时机进行比选。不同规模车站采用分时启动方案的用电量及空载损耗对比示意如图3、4所示。

图3 分时启动方案用电量示意Fig.3 Schematic diagram of the power consumption of asynchronous starting scheme

图4 分时启动方案空载损耗示意Fig.4 Schematic diagram of the no-load loss of asynchronous starting scheme

现以10 股道/50 组道岔车站为例，车站道岔融雪装置按寒冷地区标准配置，如表3 所示。

表3 各方案用电功率对比Tab.3 Comparison of electric power of each scheme

表3 中方案1 每个电气控制柜首先启动正线上的道岔，不影响正线通过及接/发车进路，按此原则进行分时启动方案配置，提高融雪效率，同时降低用电量需求。方案2 是在电力容量有限，且扩容困难的条件下，每个控制柜只允许一组道岔开启。

可见，在保证车站正线道岔、关键道岔优先启动，不影响列车进路的情况下，优化后的控制方案对用电量的需求均可降低30%～40%，且选用道岔分时启动方式，能控制变压器容量，直接减少空载损耗值。

4.2 控制终端

调度所远程控制终端可实现融雪装置的远程控制，包括远程控制总电源、控制各道岔的融雪装置开启和关闭、分别控制每个加热回路电源的开启和关闭。

道岔融雪装置的开启和关闭与实时天气情况有很大的关联，一般均由车站值班人员或者电务工作人员实时启动和关闭，而远程控制终端设置一般在路局调度中心，将道岔融雪装置的控制权交由调度中心的值班人员，实属不便，也没有任何操作优势。从本次研究调查资料显示，各大路局调度中心多不设置道岔融雪远程控制终端，设有远程控制终端的其使用率也不高。且通过对一些路局和设计院人员调研了解，均提出现场对道岔融雪装置设置远程操作终端无需求。为此，建议道岔融雪装置不设远程操作终端，满足现场运营维护需求，亦可节省工程建设投资[13]。

4.3 电加热元件

近10 年来，原中国铁路总公司先后印发了《哈大客专道岔融雪补强方案评审意见》（运电信号函[2013]313 号）、《哈大客专道岔加热条安装位置改进措施评审意见》（运电信号函[2014]579 号），并于2015 年8 月发布了《铁路道岔融雪装置安装图》（通号（2015）9401），用以指导铁路工程中道岔融雪装置的安装。直至2018 年12 月国家铁路局发布《电加热道岔融雪系统设备》（TB/T 3539-2018）[14]对电加热元件安装范围作了详细规定。可见，随着铁路道岔融雪装置在国内高速铁路上的大量应用，国家铁路相关部门不断的总结经验、完善应用，力求让道岔融雪装置为铁路运输发挥出最大的作用。

从本次调研资料显示，各路局对于电加热元件的安装建议主要集中在扩大电加热元件安装范围，比如在尖轨第一牵引点前方增加加热元件、在道岔岔尖划床板处增加加热元件、在第一二牵引点基本轨外侧增加加热元件、将密贴检查器加热板功率提高放至密检器下方等。对于电加热元件安装范围的确定，建议在工程实施工程中与运营维护单位进一步沟通，在现有的规范、标准、通用图的基础上，进一步了解不同区域路局管内道岔融雪设备存在的特殊情况，适当调整电加热元件的安装范围，更好地满足运营使用需求。