城市軌道交通鋼軌電氣參數(shù)研究

鄭永平

0 引言

近些年來，城市軌道交通快速發(fā)展的同時，鋼軌電位問題也越來越受到重視。雖然整個地鐵回流系統(tǒng)為懸浮系統(tǒng)，但是鋼軌對地不能實現(xiàn)完全絕緣，導致部分電流流入大地形成雜散電流。同時，鋼軌本身具有縱向電阻，導致鋼軌和地間存在壓差，即鋼軌電位。

運營中的城市軌道交通線路普遍存在正線和車輛段、停車場鋼軌電位超標的問題。城市軌道交通采用直流牽引供電系統(tǒng)，單列車取流高達 3000～5000 A，發(fā)車密度高，鋼軌電阻對鋼軌縱向電壓降落和鋼軌電位有著重要的影響。

文獻[1]討論了鋼軌電阻的室內、外測量方法，分析了不同測量條件對測量結果的影響。文獻[2]分析了鋼軌電阻等因素對鋼軌電位異常升高的影響。文獻[3]利用離散模型、電流注入法和疊加定理分析了鋼軌縱向電阻對鋼軌電位和雜散電流分布的影響。文獻[4]采用微元法建立模型，仿真分析了鋼軌縱向電阻等因素對雜散電流的影響。文獻[5]指出，運營時間較長造成鋼軌整體磨損較大、 關鍵部位（如道岔處、鋼軌魚尾板連接處等）電氣連接不暢都會導致鋼軌縱向電阻增大。

鋼軌電氣參數(shù)對鋼軌電位的影響顯著。本文將對國內外鋼軌電氣參數(shù)的規(guī)定進行探討分析，將鋼軌縱向電阻的測量方法推廣至含魚尾板、焊縫等情況下的鋼軌電阻測量，并對國內各地鐵鋼軌樣本的單位電阻分布進行分析。本文的研究將有助于促進國內鋼軌電阻參數(shù)標準的制定工作。

1 鋼軌電氣參數(shù)

1.1 國內關于鋼軌電阻的規(guī)定

我國現(xiàn)行關于城市軌道交通鋼軌縱向電阻直接或間接的規(guī)范文件主要有以下5個：

（1）CJJ/T 49—2020《地鐵雜散電流腐蝕防護技術標準》第5.3.5條[6]：回流走行軌應保持鋼軌的連續(xù)性和回流的通暢性，包括焊接或低電阻的電氣軌隙連接裝置等。走行軌上下行并聯(lián)后的縱向電阻應不小于0.01 Ω/km。

（2）GB/T 10411—2005《城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)》第7.4.2條[7]：對于非焊接回流軌的軌縫，應有軌道連接導線將其可靠連接，其接頭電阻值不大于回流軌1m長度電阻值的3倍。

（3）GB 50157—2013《地鐵設計規(guī)范》第15.7.6條[8]：上、下行軌道間均應設置均流線，均流線間距不宜大于600 m。

（4）GB/T 28026.2—2018/IEC 62128-2:2013《軌道交通 地面裝置 電氣安全、接地和回流 第2部分：直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流的防護措施》第6.2.2條[9]：走行軌縱向電阻應盡可能小，鋼軌連接應采用焊接或采用降低電阻的軌縫連接，使其總縱向電阻的增量不超過5%，該值不包括信號系統(tǒng)的絕緣軌縫；在軌縫采用阻抗連接處，總電阻的增量可以超過5%；可通過采用較大截面的走行軌和/或走行軌間及線路間實行橫向連接（在信號系統(tǒng)允許的情況下）的措施降低鋼軌縱向電阻。

（5）GB 2585—2007《鐵路用熱軋鋼軌》[10]和TB/T 2344—2012《43 kg/m～75 kg/m鋼軌訂貨技術條件》[11]從尺寸、外形、重量及允許偏差和技術要求等方面作了規(guī)定。在技術要求中，主要規(guī)定了鋼軌的制造方法、牌號和化學成分、力學性能、硬度、軌端熱處理、地倍、顯微組織、脫碳層、非金屬夾雜物、落錘試驗、超聲波探傷、表面質量、殘余應力、疲勞性能、斷裂韌性。

由以上規(guī)范文件可以發(fā)現(xiàn)，我國對鋼軌電阻值的規(guī)定較為模糊，僅對軌道連接部分電阻值進行了約束，且約束條件也存在一定差異，而對鋼軌縱向電阻值本身尚無明確規(guī)定。

1.2 其他關于鋼軌電阻的規(guī)定

香港地鐵在鋼軌采購的招標文件中明確要求：25 m，60 kg/m的鋼軌縱向電阻不超過27 mΩ/km。

以色列在建地鐵線路鋼軌參數(shù)如表1所示。

表1 以色列在建地鐵鋼軌縱向電阻要求

而在《電氣化鐵道接觸網(wǎng)》[12]中鋼軌縱向電阻的要求如表2所示。

表2 20 ℃時無傳導電流情況下焊接鋼軌和 鐵路線路的單位長度電阻 mΩ/km

UIC60軌與目前國內地鐵正線廣泛采用的60 kg/m鋼軌的斷面尺寸、機械特性和化學成分等相當。國內香港地區(qū)和國外某些地區(qū)所要求的同類型（60 kg/m）鋼軌縱向電阻值（無磨耗，20 ℃）均未超過30 mΩ/km。

1.3 成都地鐵關于鋼軌電阻的規(guī)定

目前，國內相關設計規(guī)范均未對鋼軌的縱向電阻限值進行說明。而國內廣泛采用的60 kg/m鋼軌在物理外觀、機械性能、化學成分方面與UIC60型鋼軌相似，參考國外相關資料，以表2中的UIC60無磨損，軌溫為20 ℃時的單根鋼軌縱向電阻值28.9 mΩ/km為例，考慮10%的波動范圍，縱向電阻值上限為31.79 mΩ/km，四舍五入取整為32 mΩ/km，推薦以該值作為鋼軌縱向電阻限值。

以上看到的所有這些例子使得D.17,1,5 pr.-1(保羅：《告示評注》第32卷)的斷言愈發(fā)清晰：受委任人有義務謹守所受委任的界限，否則，發(fā)生債務的不履行，并須承擔相應責任。

成都軌道交通集團制定了企標QB-Ⅱ-21701—2020《成都地鐵雜散電流防護工程技術標準》，對鋼軌本體電阻作出規(guī)定：軌溫20 ℃，單根60 kg/m鋼軌無磨耗情況下，縱向電阻r20不應大于32 mΩ/km。當考慮溫度系數(shù)α后（α一般取0.005），單根鋼軌縱向電阻為

式中：T為軌溫，℃。

2 鋼軌電阻的測量方法

鋼軌電阻的測量屬于微電阻測量，對測量設備精度要求較高。在實驗室測量時，可以對一段較短的鋼軌樣本利用開爾文四線法進行測量。在工程現(xiàn)場，可以在一行兩根鋼軌已經(jīng)安裝的情況下，利用一行的均流線或人為設置的均流電纜組成測試電阻進行測量。

2.1 鋼軌本體電阻測量

鋼軌本體電阻的測量方法如圖1所示[9]。

圖1 鋼軌本體縱向電阻測量

該測量方法只在沒有牽引電流流過時有效，如無法避免牽引電流，宜在相同電流時進行測量，以消除牽引電流對測量結果的影響。

鋼軌縱向電壓的測量點與電流注入點間距離宜大于1 m。鋼軌本體縱向電阻計算式為

式中：R為走行軌本體縱向電阻，mΩ/km；Ioff為測試電源斷開時的注入電流，A；Ion為測試電源閉合時的注入電流，A；UAoff、UBoff為測試電源斷開時走行軌電壓降落，mV；UAon、UBon為測試電源閉合時走行軌電壓降落，mV；LA、LB為走行軌本體長度，m，宜選取10 m左右。

2.2 含魚尾板、焊縫的鋼軌縱向電阻測量

地鐵鋼軌每25 m通過現(xiàn)場移動式閃光焊焊接成長軌。由于鋼軌磨損增大的原因，運營線路換軌現(xiàn)象頻繁，更換的鋼軌之間通過魚尾板連接，但魚尾板并不是良好導體，需要通過電纜予以加強。在電纜的安裝工藝中，放熱焊、脹釘、低溫釬焊何種連接工藝的電氣性能更好一直存在爭議。

將鋼軌本體電阻的測量方法推廣至含魚尾板、焊縫的鋼軌縱向電阻測量，如圖2所示。

圖2 含焊縫、魚尾板的鋼軌縱向電阻測量

含焊縫、魚尾板的鋼軌縱向電阻計算式為

式中：Rx為含魚尾板、焊縫的鋼軌縱向電阻，mΩ/km；Uxoff，Uxon分別為測試電源斷開和閉合時含魚尾板、焊縫的鋼軌縱向電壓降落，mV；Lx為含魚尾板、焊縫的走行軌長度（包含全部加強電纜在內），m。

3 鋼軌電阻的測量結果

3.1 鋼軌本體電阻

在國內各地軌道交通線路鋼軌縱向電阻現(xiàn)場樣本實測的基礎上，分析國內鋼軌縱向電阻分布范圍。新建線路鋼軌縱向電阻分布如圖3、均值如表3所示。可以發(fā)現(xiàn)，國內新建線路鋼軌縱向電阻分布范圍較大，大致為32～38 mΩ/km，均值分布范圍為34.32～36.31 mΩ/km，新建線路鋼軌縱向電阻值均較大。已運營線路的鋼軌縱向電阻分布如圖4所示。以北京地鐵為例，鋼軌縱向電阻分布在30.86～38.2 mΩ/km范圍。

圖3 新建線路鋼軌縱向電阻分布

圖4 已運營地鐵線路鋼軌縱向電阻分布

表3 新建線路鋼軌縱向電阻均值 mΩ/km

3.2 含魚尾板、焊縫的鋼軌電阻

含魚尾板連接的鋼軌段一般情況下采用2段或3段加強電纜通過脹釘或放熱焊方式與魚尾板并聯(lián)，如圖5所示。假設通過測量可以得到該魚尾板附近單位長度鋼軌本體電阻為r，AB段鋼軌電阻為RAB，AB段長度為LAB，CD段長度為LCD。該段鋼軌因為連接部分而增大的電阻與LCD長鋼軌本體電阻的比值為λ，見式（4）。

圖5 含魚尾板鋼軌示意

對3種情況進行分析：Case1為鋼軌連接采用2×185 mm2電纜放熱焊加強，Case2為鋼軌連接采用3×150 mm2電纜放熱焊加強，Case3為鋼軌連接采用2×185 mm2電纜脹釘連接加強。現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的樣本如圖6所示。Case1中，λ分布在30.79%～94.06%；Case2中，λ分布在-6.25%～30.40%；Case3中，λ分布在10.20%～70.81%。通過λ的測量計算可以測得含魚尾板、焊縫的鋼軌縱向電阻。

圖6 含魚尾板連接的鋼軌電阻樣本

4 結語

鋼軌電阻對城市軌道交通鋼軌電位的影響很大。既有鋼軌本體電阻的測試樣本表明，國內地鐵線路單位長度鋼軌電阻值偏高。

國內尚無行業(yè)標準等對鋼軌電氣參數(shù)作出明確要求，應盡快制定適用于國內直流牽引供電系統(tǒng)的鋼軌電氣參數(shù)指標要求，并在城市軌道交通建設環(huán)節(jié)嚴格執(zhí)行。