城市軌道交通鋼軌扣件對地絕緣組成及影響因素研究

徐 超 李鯤鵬 曹曉斌 李瑞芳 孫曉東 陳力生

（1.北京城建設計發(fā)展集團股份有限公司，100161，北京；2.西南交通大學電氣工程學院，610031，成都；3.廣州地鐵設計研究院有限公司，510010，廣州∥第一作者，助理工程師）

城市軌道交通雜散電流對地下隧道結構鋼筋、高架橋結構鋼筋、沿線金屬管線等金屬設施產生嚴重的電流腐蝕作用，甚至危及建筑設施的安全［1-4］。目前的地鐵設計中會在鋼軌與混凝土枕之間安裝絕緣扣件，以保證軌地之間有較高的絕緣電阻。但是，系統(tǒng)在運行中不可避免受到污染、潮濕、地下滲水、漏水等因素的影響，扣件表面電阻遠小于體電阻，從而造成軌地間的絕緣損失。

國內外學者對于城市軌道交通迷流的產生、防護措施等方面展開了廣泛的研究［5-6］。文獻［7］從城市軌道交通走行軌對地過渡電阻角度，分析其對地鐵雜散電流分布的影響以及腐蝕數據。文獻［8］模擬了水和土壤兩種腐蝕介質,對混凝土中的鋼筋在不同外電壓時發(fā)生的腐蝕進行了試驗。文獻［9］建立了二維地鐵雜散電流場數學模型，分析雜散電流分布規(guī)律和影響范圍，確定雜散電流防護范圍。文獻［10］推導了不同模型結構下的鋼軌對地電位、軌道回流的電流大小和雜散電流的電路計算模型。文獻［11］構建了基于電場的雜散電流模型，用以分析雜散電流的分布。但對于鋼軌對地絕緣電阻的組成，以及表面污穢對軌地過渡電阻的影響，目前國內外鮮有研究。為此，本文針對軌地絕緣損失而造成地鐵迷流的問題，分析了泄漏電流在扣件表面的流通路徑，在鋼軌絕緣扣件仿真模型的基礎上，利用Ansoft仿真軟件的場計算模塊，研究不同污層電導率、厚度和污穢分布情況下的表面電阻值。

1 鋼軌絕緣扣件的結構及組成

選取廣州地鐵應用較多的彈條Ⅲ型分開式扣件進行研究，其大體結構如圖1所示。在組成扣件的各個器件中，軌距塊、軌下墊板、鐵墊板下墊板和塑料套管是主要的絕緣器件。其中：軌距塊不僅可以調節(jié)軌矩，還具備隔離鋼軌和彈條的作用；軌下墊板兼具減振、隔離鋼軌與鐵墊板的功能；鐵墊板下墊板和塑料套管主要用來減振，以及使鐵墊板和混凝土枕保持絕緣。塑料套管由于被嵌入混凝土中，對表面泄漏電流的影響程度較小，不是本文研究的重點。

圖1 彈條Ⅲ型分開式扣件結構

表1為扣件組各個器件的材料和電學特性。按照實際尺寸建立了彈條Ⅲ型分開式扣件的簡化模型，并在仿真時輸入相應材料的電學特性，如圖2所示。從圖2可以看出，軌距塊、軌下墊板和鐵墊板下墊板都有裸露在空氣中的部分，表面容易附著地下滲水、灰塵、金屬屑等污穢。連續(xù)的污穢堆積會使絕緣器件的表面電阻降低，并通過連接各金屬器件，在鋼軌與混凝土之間形成泄漏電流的流通路徑，降低了軌地的絕緣性能。

表1 鋼軌絕緣扣件組器件組成及電學特性

2 鋼軌絕緣扣件表面電阻的構成分析

鋼軌產生對地電位時，扣件組無法完全絕緣即會產生泄漏電流。泄漏電流按流通路徑可分為體電流和表面電流兩種。針對軌距塊、軌下墊板和鐵墊板下墊板的6個表面，各表面上泄漏電流的流通路徑如圖3所示。

圖2 扣件仿真模型及主要絕緣器件尺寸

圖3 扣件6個表面及泄漏電流流通路徑示意圖

由圖2所示的絕緣扣件的結構可知，泄漏電流在扣件表面的流通路徑可分為兩部分：首先是從鋼軌到鐵墊板，泄漏電流流過軌下墊板的側面、軌距塊上下表面，流通路徑如圖3 a）、圖3 d）中箭頭所示；其次是從鐵墊板到混凝土軌枕，泄漏電流經過鐵墊板下墊板的側面，流通路徑如圖3 c）中箭頭所示。此外，還有一部分泄漏電流通過軌距塊、軌下墊板和鐵墊板下墊板的體電阻散流。

泄漏電流的流通路徑可更直觀地反映出體電阻與各部分表面電阻的組成及分布，如圖4所示：R1、R2為軌距塊上下表面的表面電阻；R3為軌下墊板側面的表面電阻；R4～R6為軌距塊、軌下墊板的體電阻；R7、R8分別為鐵墊板下墊板的側面表面電阻和體電阻；U為鋼軌與軌枕之間的電壓。從圖4中的電路模型可以看出，軌距塊、軌下墊板和鐵墊板下墊板的表面電阻對于流入地下的雜散電流的幅值和分布有較大影響。當表面電阻遠小于體電阻時，泄漏電流主要由扣件表面散流到地下。絕緣器件表面受污染程度不同，會導致表面電阻不同。一方面各絕緣器件的表面容易附著污穢；另一方面由于軌距塊和鐵墊板、軌下墊板等器件之間因尺寸問題而無法緊密貼合，也會形成可積累污穢的縫隙。

圖4 扣件組體電阻和表面電阻的分布示意圖

3 扣件組表面電阻的仿真分析與影響因素研究

采用功能強大的電磁仿真軟件Ansoft研究探討表面電阻受污穢層厚度、電導率和污穢分布的影響，并確定不同污染程度和污穢分布情況下表面電阻的變化規(guī)律及數值范圍。Ansoft軟件內置的場計算模塊可在特定的實體上執(zhí)行積分運算。因此，利用電流密度J的矢量代數計算可獲得扣件組各部分表面電阻、體電阻的值：

式中：

P——一定電流流過后產生的功率；

E——電場強度；

J——電流密度；

σ——電導率；

I——流過物體的電流；

R——該物體的電阻。

3.1 扣件組各絕緣件的體電阻值

利用表面電阻的仿真計算方法得到各絕緣器件的體電阻，如表2所示。由于組成軌距塊、軌下墊板、鐵墊板下墊板的材料的電導率很小，因此扣件組本身的絕緣性能良好。

表2 扣件組絕緣器件電阻仿真結果

3.2 不同污層電導率下的表面電阻值

利用J的仿真結果以及式（1）、式（2），可通過場計算器計算出扣件表面電阻。改變污穢層電導率可得到不同的表面電阻值。通過污穢試驗測量發(fā)現(xiàn)，多種鹽度下絕緣子表面污層電導率數量級在10-5S/m［12］，故對10-4～10-7S/m 4種污層電導率下的表面電阻進行仿真計算?；趫D3的6個面，計算出不同污穢層電導率下軌下墊板、軌距塊和鐵墊板下墊板的表面電阻（見表3）。取污穢層厚度為0.3 mm進行計算，扣件組不同部位的表面電阻與電導率之間均為線性關系。當表面污層電導率較小，達到10-7S/m數量級時，表面電阻則達到了千兆歐級別，但仍小于各絕緣器件的體電阻。

城市軌道交通系統(tǒng)中的扣件所處環(huán)境復雜，扣件受地下滲水、金屬屑、灰塵等的影響，扣件組表面污層電導率在運行了一段時間后一般會變大，扣件表面的泄漏電流隨之也會增加。在惡劣環(huán)境如地下滲水、降雨引起潮濕的情況下，扣件表面污穢會濕潤甚至形成一層水膜，污穢層電導率升高，極有可能接近水的電導率，數量級可達到10～1 000 S/m。此時，扣件各表面的表面電阻仿真值下降為0.1～10.0 Ω的數量級，將嚴重影響軌地絕緣。

3.3 扣件表面積污厚度對表面電阻的影響

隨著表面積污程度的加深，扣件表面污穢層的厚度也會增加。在模型中設置污層電導率為10-5S/m，并改變污穢層厚度得到不同的電流密度場J，利用式（1）、式（2）計算厚度在 0.15～ 1.05 mm 之間變化時的表面電阻值。從圖5可看出，6個表面的電阻值均隨污穢層厚度的增加而呈現(xiàn)非線性下降，且下降趨勢基本相同。在污穢層厚度小于0.3 mm時，表面電阻受污穢層厚度的影響較大。隨著污穢層厚度增加，表面電阻值繼續(xù)下降，厚度的影響逐漸減弱，6個表面的電阻值下降幅度也越來越小。因此，在實際運行環(huán)境中，如果不及時對鋼軌扣件表面進行清掃，扣件表面隨時間積累產生的污穢層厚度達到一定水平，將會造成表面電阻降低、扣件組絕緣效果下降。

表3 不同污層電導率下各表面的電阻值

3.4 污穢在扣件表面的分布情況對表面電阻的影響

城市軌道交通地下線路的扣件組受到地下滲水的影響，城市軌道交通地上線路的扣件組受到降雨、風沙的影響。污水混合著金屬屑附著在扣件組表面，嚴重時還會滲入軌距塊、軌下墊板等器件的夾縫，將污穢送進夾縫中，從而增加了表面污穢層的覆蓋面積和延伸長度。圖6為軌下墊板、軌距塊和鐵墊板下墊板的表面污穢層逐漸延伸進入夾縫的情況。表4是污層電導率為10-5S/m和厚度為0.3 mm時，面1、面3和面6在污穢進入軌距塊等器件夾縫處的表面電阻值。

圖5 污穢層厚度與表面電阻的關系

圖6 污穢分布類型示意圖

表4 不同污穢分布類型的表面電阻值

經過對這幾種污穢情況下表面電阻的仿真計算發(fā)現(xiàn)，扣件組器件的夾縫進入污穢時，表面電阻值有小幅的下降。如圖6和表4所示，以面1舉例說明，對于不同的污穢分布類型Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，污穢從面1進入鋼軌和軌下墊板、軌下墊板和鐵墊板的夾縫后，表面電阻從33.04 MΩ下降到32.37 MΩ和32.26 MΩ。表面電阻的降低會使表面泄漏電流增加，而且進入夾縫的污穢難以清理，因此在扣件組安裝時可選擇將縫隙用絕緣膠密封。

4 結語

軌地之間保持一定的絕緣性能是抑制雜散電流的重要措施?？奂M各絕緣器件的體電阻很大，然而扣件表面積累的污穢會導致扣件表面電阻值下降。運行一段時間后，扣件表面電阻將遠小于體電阻，軌地過渡電阻因此而降低。

表面電阻對軌地絕緣性能影響很大，主要與污穢層的電導率、厚度和污穢分布情況有關。污穢層電導率與表面電阻呈線性關系，一般情況下表面電阻遠小于扣件組的體電阻；隨著污穢的累積，表面電阻值隨厚度的增加而逐漸降低，但厚度超過0.3 mm后，表面電阻的下降幅度越來越小。當附著在表面的污穢進入軌距塊、鐵墊板等器件的夾縫時，表面電阻的值有小幅下降。由本文的仿真結果得出一定條件下6個表面的電阻值，并可計算出相應條件下扣件的總表面電阻。以上研究成果可為鋼軌對地絕緣的組成，以及表面污穢對軌地過渡電阻的影響研究提供參考。