城市軌道交通軌道與供電雜散電流接口設(shè)計(jì)研究

張立國，丁靜波

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055;2.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司軌道工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100055)

1 雜散電流及軌道電位產(chǎn)生原因

城市軌道交通常用DC1500V/DC750V直流供電，牽引電流經(jīng)接觸網(wǎng)/鋼軌送給車輛(組)，然后經(jīng)軌道(鋼軌)流回牽引變電所。三軌供電時(shí)，軌道鋼軌不可能完全絕緣，必然會(huì)產(chǎn)生雜散電流。影響鋼軌對(duì)地絕緣主要有2個(gè)方面:(1)軌道設(shè)計(jì)絕緣值可達(dá)108Ω以上，但隨運(yùn)營時(shí)間的延長，環(huán)境逐步惡化，電阻值會(huì)逐步減小;(2)從軌道安全和穩(wěn)定考慮，鋼軌距道床面高度無法達(dá)到300 mm以上完全隔離的要求，因此回流磁場影響道床鋼筋結(jié)構(gòu)［1-4]。在運(yùn)營期間，定期清掃線路，清除粉塵、油污等，保持道床清潔干燥，有利于雜散電流防護(hù)。城市軌道交通接觸網(wǎng)/鋼軌回路及腐蝕見圖1。

圖1 城市軌道交通接觸網(wǎng)/鋼軌回路及腐蝕

雜散電流對(duì)軌道及周圍鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕破壞，設(shè)計(jì)時(shí)不容忽視，應(yīng)采取防護(hù)措施。軌道鋼軌是供電回路的一部分，回流時(shí)產(chǎn)生電流I，鋼軌有一定的電阻R值，就產(chǎn)生電位差V，使得鋼軌對(duì)大地有電壓(又稱軌道電位)［5]。軌道電位異常波動(dòng)，軌道結(jié)構(gòu)受到破壞無法正常工作，威脅列車安全，問題尤為突出。

2 雜散電流接口設(shè)計(jì)的重要性

鋼軌是供電回流軌的一部分，供電應(yīng)結(jié)合沿線軌道部件布置情況，做好電連接設(shè)計(jì)，確?；亓黜槙?，防止回流不均勻造成的軌電位異常波動(dòng)而電灼傷鋼軌。特別在道岔區(qū)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，應(yīng)加強(qiáng)道岔區(qū)電連接設(shè)計(jì)。圖2為分期開通的終點(diǎn)車站，列車站前折返，道岔只開通側(cè)向，并在同側(cè)站臺(tái)出站。運(yùn)營初期，未考慮道岔結(jié)構(gòu)的特殊性，回流走行軌①、②、③、④均在道岔尖軌與基本軌位置斷開，左右股鋼軌不能同時(shí)回流，引起列車出站時(shí)回流走行軌⑤軌道電位異常大，導(dǎo)致鋼軌⑤被反復(fù)放電灼傷。車輛在即將通過和剛剛通過不遠(yuǎn)時(shí)電擊鋼軌，車輛離遠(yuǎn)后則不放電，而卻經(jīng)常是同側(cè)同股鋼軌的反復(fù)灼傷，有一定的規(guī)律性和周期性，后增補(bǔ)道岔尖軌與基本軌電線，軌道電位基本平穩(wěn)。

圖2 道岔區(qū)電連接跳線設(shè)計(jì)

軌道設(shè)計(jì)應(yīng)加強(qiáng)絕緣，實(shí)施過程中也應(yīng)有絕緣意識(shí)，有效保護(hù)絕緣不被破壞，避免似接非接現(xiàn)象，更應(yīng)杜絕鋼軌直接接地問題。如絕緣破壞，易導(dǎo)致過量雜散電流接地，長期以往，腐蝕道床內(nèi)鋼筋，嚴(yán)重時(shí)也造成電擊傷軌道及其他設(shè)備，影響運(yùn)營安全，與回流問題不同，大多為突發(fā)事件。目前北京、上海、廣州和南京等地鐵均發(fā)生類似問題，多在減振地段、人防門、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)、屏蔽門等區(qū)域發(fā)生。

另外，供電電連接有焊接和脹釘栓接2種方式。焊接時(shí)由于局部高溫造成焊接熱影響區(qū)金相組織發(fā)生變化，在氣溫驟降時(shí)，北方冬季易導(dǎo)致鋼軌斷裂，影響安全。因此，北京地鐵管理部門要求鋼軌與電纜采用脹釘栓接，但若栓接局部腐蝕或松脫時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致回流不暢問題，發(fā)生電擊傷鋼軌問題［2]。

通過對(duì)此類問題分析，逐步意識(shí)到軌道與供電接口設(shè)計(jì)的重要性，本文重點(diǎn)從軌道設(shè)計(jì)這方面進(jìn)行闡述，并提出建議和優(yōu)化措施。

3 軌道雜散電流防護(hù)技術(shù)要求

3.1 鋼軌對(duì)地絕緣性要求

《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》(CJJ49)［1]要求:(1)新建線路鋼軌對(duì)地絕緣電阻不應(yīng)小于15 Ω·km，運(yùn)營線路不應(yīng)小于3 Ω·km;(2)回流走行軌應(yīng)焊接成長鋼軌，若采用短鋼軌，應(yīng)使用絕緣銅芯電纜聯(lián)結(jié)。

鋼軌通過扣件與混凝土軌下基礎(chǔ)聯(lián)結(jié)在一起，并為鋼軌提供絕緣性能。扣件按絕緣數(shù)量不同，分單層絕緣和雙層絕緣2種。如北京軌道交通房山線ZX-3型扣件，采用雙層絕緣，見圖3。其中絕緣層(一)由塑料套管和板下墊板組成，屬于鋼軌基礎(chǔ)絕緣層;絕緣層(二)是由軌下墊板和絕緣軌距塊組成，屬于雙保險(xiǎn)絕緣層。目前城市軌道交通絕大部分扣件如ZX-2、ZX-3、DTⅢ2、DTⅥ2型及國鐵 WJ-7、WJ-8型扣件均采用雙層絕緣，優(yōu)點(diǎn)是調(diào)整量大，適用于整體道床上鋪設(shè)。單層絕緣扣件結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低，便于運(yùn)營維修更換，在國鐵和地鐵應(yīng)用也非常普遍，大部分應(yīng)用于碎石道床，如彈條Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ型扣件、石龍橋小阻力扣件、WJ-2型扣件均為彈條直接扣壓鋼軌，只有基礎(chǔ)的絕緣層，屬于單層絕緣扣件。

國內(nèi)外設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，通過控制扣件單個(gè)絕緣部件性能，能保證鋼軌對(duì)地絕緣的要求。扣件絕緣電阻可采用500 V兆歐表，其中正極接鋼軌，負(fù)極接螺栓進(jìn)行簡單測(cè)量，見圖3［2]。但鋪設(shè)無縫線路后，由于鋼軌電氣聯(lián)通，可參照CJJ49技術(shù)規(guī)程，在停電并斷開電氣連接后測(cè)量。

圖3 北京軌道交通房山線ZX-3型扣件絕緣設(shè)計(jì)及實(shí)測(cè)方法

3.2 道床結(jié)構(gòu)鋼筋雜散電流防護(hù)

道床結(jié)構(gòu)配筋即應(yīng)滿足強(qiáng)度要求，又應(yīng)作為雜散電流收集網(wǎng)一部分，配筋量及鋼筋聯(lián)接滿足雜散電流防護(hù)要求。各地的城市軌道交通要求基本相同，如北京軌道交通房山線對(duì)道床結(jié)構(gòu)鋼筋要求:(1)上、下行軌道下的收集網(wǎng)鋼筋截面總和不小于3 600 mm2，每股道收集網(wǎng)鋼筋截面不小于1 800 mm2;(2)每個(gè)道床結(jié)構(gòu)段內(nèi)，在伸縮縫兩端和每隔5 m選一根橫向結(jié)構(gòu)鋼筋與所交叉的所有縱向鋼筋焊接，形成一個(gè)橫向鋼筋圈;(3)在伸縮縫兩側(cè)分別設(shè)置排流網(wǎng)連接端子，再用2根橫截面面積為150 mm2電纜與收集網(wǎng)鋼筋可靠焊接，使收集網(wǎng)縱向貫通，見圖4。

圖4 房山線道床結(jié)構(gòu)雜散電流收集網(wǎng)鋼筋焊接及電纜連接(單位:m)

4 軌道雜散電流防護(hù)優(yōu)化建議

4.1 扣件絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)

扣件絕緣對(duì)雜散電流防護(hù)有十分重要作用，應(yīng)加強(qiáng)設(shè)計(jì)?？奂^緣材料按材質(zhì)分橡膠(天然橡膠、氯丁橡膠等)、塑料(聚乙烯、聚酰胺等)、纖維材料(聚氨酯TPU、聚醚脂TPEE等)三大類型。房山線ZX-3型扣件用墊板均采用氯丁膠(CR)，體積電阻率可達(dá)到106Ω，塑料套管體積電阻率可達(dá)到1014Ω，其絕緣值可達(dá)到108Ω。若采用熱塑聚酯類彈性體(TPE)，其體積電阻率可達(dá)到108Ω，可增加10倍及以上絕緣性能［3]。

由于鋼軌回流不暢時(shí)，電位異常升高可達(dá)到60 V，甚至超過120 V，電擊鋼軌緩慢灼熱絕緣材料，進(jìn)而導(dǎo)致燃燒。房山線采用的ZX-3型扣件［8]，其塑料套管采用玻纖增加聚酰胺66(PA66)屬于熱塑性材料，其熔點(diǎn)達(dá)到260～290℃，按《機(jī)車車輛阻燃材料技術(shù)條件》(TB/T3138)［7]方法檢測(cè)45℃燃燒達(dá)到極難燃;參照文獻(xiàn)［6]，一般橡膠都是屬于易燃，只有氯丁膠氧指數(shù)(IO)可達(dá)到38～41，屬于難燃類橡膠，建議加強(qiáng)材料阻燃性要求。

熱塑聚酯類彈性體(TPE)由于加工簡單、性能優(yōu)越，有逐步取代傳統(tǒng)橡膠的趨勢(shì)。在不損失各項(xiàng)力學(xué)性能前提下，熱塑聚酯彈性體(TPE)一般氧指數(shù)(IO)僅16～20，最大氧指數(shù)(IO)可提高至22，屬于可燃類高分子材料，因此建議開展高絕緣性、耐阻燃性的熱塑聚酯彈性體材料(TPEE)研究，增強(qiáng)安全防護(hù)儲(chǔ)備。

4.2 軌道減振優(yōu)化設(shè)計(jì)

隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模增大，沿線通過許多振動(dòng)敏感點(diǎn)，軌道必須采取減振降噪措施。廠家設(shè)計(jì)的減振產(chǎn)品往往強(qiáng)調(diào)減振性能，忽視絕緣等接口設(shè)計(jì)，當(dāng)軌電位異常升高時(shí)，易導(dǎo)致鋼軌對(duì)地產(chǎn)生很大的泄漏電流電擊傷軌道部件，如鋼彈簧浮置板軌道。

鋼彈簧浮置板軌道最早常采用直埋式結(jié)構(gòu)，有利于配筋設(shè)計(jì)，且方便施工。但也存在一些問題:由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼筋多，不便于施工振搗，易造成扣件套管歪斜及損壞，局部絕緣破壞;直埋式結(jié)構(gòu)軌底凈空高度不足，易導(dǎo)致浮置板鋼套筒與鋼軌發(fā)生電擊傷問題。針對(duì)這些問題，鋼彈簧浮置板軌道進(jìn)行了優(yōu)化，采用短枕式結(jié)構(gòu)，并在浮置板鋼套筒上加裝了絕緣蓋板，見圖5。通過優(yōu)化，提高軌道絕緣性，有利于雜散電路防護(hù)，但也增加施工難度，應(yīng)加強(qiáng)施工后養(yǎng)護(hù)，防止短軌枕出現(xiàn)裂紋。

圖5 鋼彈簧浮置板優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)比

5 結(jié)論

軌道應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，作為供電回流的一部分，應(yīng)重視與供電設(shè)計(jì)接口，加強(qiáng)絕緣設(shè)計(jì)及施工過程控制，以提高雜散電流防護(hù)等級(jí)。供電也應(yīng)結(jié)合沿線軌道部件布置情況，加強(qiáng)電連接設(shè)計(jì)，確?；亓黜槙常妷壕鶆?。只有通過軌道和供電專業(yè)密切配合，才能有效防護(hù)雜散電流，避免軌電位異常波動(dòng)，破壞軌道及相關(guān)設(shè)備，確保地鐵安全、平穩(wěn)、快速、舒適的運(yùn)營。

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