鄭永平

0 引言

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

運(yùn)營(yíng)中的城市軌道交通線路普遍存在正線和車輛段、停車場(chǎng)鋼軌電位超標(biāo)的問(wèn)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(dá) 3000～5000 A，發(fā)車密度高，鋼軌電阻對(duì)鋼軌縱向電壓降落和鋼軌電位有著重要的影響。

文獻(xiàn)[1]討論了鋼軌電阻的室內(nèi)、外測(cè)量方法，分析了不同測(cè)量條件對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。文獻(xiàn)[2]分析了鋼軌電阻等因素對(duì)鋼軌電位異常升高的影響。文獻(xiàn)[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(duì)鋼軌電位和雜散電流分布的影響。文獻(xiàn)[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(duì)雜散電流的影響。文獻(xiàn)[5]指出，運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)造成鋼軌整體磨損較大、 關(guān)鍵部位（如道岔處、鋼軌?mèng)~尾板連接處等）電氣連接不暢都會(huì)導(dǎo)致鋼軌縱向電阻增大。

鋼軌電氣參數(shù)對(duì)鋼軌電位的影響顯著。本文將對(duì)國(guó)內(nèi)外鋼軌電氣參數(shù)的規(guī)定進(jìn)行探討分析，將鋼軌縱向電阻的測(cè)量方法推廣至含魚(yú)尾板、焊縫等情況下的鋼軌電阻測(cè)量，并對(duì)國(guó)內(nèi)各地鐵鋼軌樣本的單位電阻分布進(jìn)行分析。本文的研究將有助于促進(jìn)國(guó)內(nèi)鋼軌電阻參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。

1 鋼軌電氣參數(shù)

1.1 國(guó)內(nèi)關(guān)于鋼軌電阻的規(guī)定

我國(guó)現(xiàn)行關(guān)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(gè)：

（1）CJJ/T 49—2020《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》第5.3.5條[6]：回流走行軌應(yīng)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(yīng)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(duì)于非焊接回流軌的軌縫，應(yīng)有軌道連接導(dǎo)線將其可靠連接，其接頭電阻值不大于回流軌1m長(zhǎng)度電阻值的3倍。

（3）GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》第15.7.6條[8]：上、下行軌道間均應(yīng)設(shè)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(hù)措施》第6.2.2條[9]：走行軌縱向電阻應(yīng)盡可能小，鋼軌連接應(yīng)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(guò)5%，該值不包括信號(hào)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(guò)5%；可通過(guò)采用較大截面的走行軌和/或走行軌間及線路間實(shí)行橫向連接（在信號(hào)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(shù)條件》[11]從尺寸、外形、重量及允許偏差和技術(shù)要求等方面作了規(guī)定。在技術(shù)要求中，主要規(guī)定了鋼軌的制造方法、牌號(hào)和化學(xué)成分、力學(xué)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(yàn)、超聲波探傷、表面質(zhì)量、殘余應(yīng)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(guó)對(duì)鋼軌電阻值的規(guī)定較為模糊，僅對(duì)軌道連接部分電阻值進(jìn)行了約束，且約束條件也存在一定差異，而對(duì)鋼軌縱向電阻值本身尚無(wú)明確規(guī)定。

1.2 其他關(guān)于鋼軌電阻的規(guī)定

香港地鐵在鋼軌采購(gòu)的招標(biāo)文件中明確要求：25 m，60 kg/m的鋼軌縱向電阻不超過(guò)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(shí)無(wú)傳導(dǎo)電流情況下焊接鋼軌和 鐵路線路的單位長(zhǎng)度電阻 mΩ/km

UIC60軌與目前國(guó)內(nèi)地鐵正線廣泛采用的60 kg/m鋼軌的斷面尺寸、機(jī)械特性和化學(xué)成分等相當(dāng)。國(guó)內(nèi)香港地區(qū)和國(guó)外某些地區(qū)所要求的同類型（60 kg/m）鋼軌縱向電阻值（無(wú)磨耗，20 ℃）均未超過(guò)30 mΩ/km。

1.3 成都地鐵關(guān)于鋼軌電阻的規(guī)定

目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范均未對(duì)鋼軌的縱向電阻限值進(jìn)行說(shuō)明。而國(guó)內(nèi)廣泛采用的60 kg/m鋼軌在物理外觀、機(jī)械性能、化學(xué)成分方面與UIC60型鋼軌相似，參考國(guó)外相關(guān)資料，以表2中的UIC60無(wú)磨損，軌溫為20 ℃時(shí)的單根鋼軌縱向電阻值28.9 mΩ/km為例，考慮10%的波動(dòng)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(píng)注》第32卷)的斷言愈發(fā)清晰：受委任人有義務(wù)謹(jǐn)守所受委任的界限，否則，發(fā)生債務(wù)的不履行，并須承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任。

成都軌道交通集團(tuán)制定了企標(biāo)QB-Ⅱ-21701—2020《成都地鐵雜散電流防護(hù)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)鋼軌本體電阻作出規(guī)定：軌溫20 ℃，單根60 kg/m鋼軌無(wú)磨耗情況下，縱向電阻r20不應(yīng)大于32 mΩ/km。當(dāng)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(cè)量方法

鋼軌電阻的測(cè)量屬于微電阻測(cè)量，對(duì)測(cè)量設(shè)備精度要求較高。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量時(shí)，可以對(duì)一段較短的鋼軌樣本利用開(kāi)爾文四線法進(jìn)行測(cè)量。在工程現(xiàn)場(chǎng)，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(shè)置的均流電纜組成測(cè)試電阻進(jìn)行測(cè)量。

2.1 鋼軌本體電阻測(cè)量

鋼軌本體電阻的測(cè)量方法如圖1所示[9]。

圖1 鋼軌本體縱向電阻測(cè)量

該測(cè)量方法只在沒(méi)有牽引電流流過(guò)時(shí)有效，如無(wú)法避免牽引電流，宜在相同電流時(shí)進(jìn)行測(cè)量，以消除牽引電流對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

鋼軌縱向電壓的測(cè)量點(diǎn)與電流注入點(diǎn)間距離宜大于1 m。鋼軌本體縱向電阻計(jì)算式為

式中：R為走行軌本體縱向電阻，mΩ/km；Ioff為測(cè)試電源斷開(kāi)時(shí)的注入電流，A；Ion為測(cè)試電源閉合時(shí)的注入電流，A；UAoff、UBoff為測(cè)試電源斷開(kāi)時(shí)走行軌電壓降落，mV；UAon、UBon為測(cè)試電源閉合時(shí)走行軌電壓降落，mV；LA、LB為走行軌本體長(zhǎng)度，m，宜選取10 m左右。

2.2 含魚(yú)尾板、焊縫的鋼軌縱向電阻測(cè)量

地鐵鋼軌每25 m通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)式閃光焊焊接成長(zhǎng)軌。由于鋼軌磨損增大的原因，運(yùn)營(yíng)線路換軌現(xiàn)象頻繁，更換的鋼軌之間通過(guò)魚(yú)尾板連接，但魚(yú)尾板并不是良好導(dǎo)體，需要通過(guò)電纜予以加強(qiáng)。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(zhēng)議。

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

圖2 含焊縫、魚(yú)尾板的鋼軌縱向電阻測(cè)量

含焊縫、魚(yú)尾板的鋼軌縱向電阻計(jì)算式為

式中：Rx為含魚(yú)尾板、焊縫的鋼軌縱向電阻，mΩ/km；Uxoff，Uxon分別為測(cè)試電源斷開(kāi)和閉合時(shí)含魚(yú)尾板、焊縫的鋼軌縱向電壓降落，mV；Lx為含魚(yú)尾板、焊縫的走行軌長(zhǎng)度（包含全部加強(qiáng)電纜在內(nèi)），m。

3 鋼軌電阻的測(cè)量結(jié)果

3.1 鋼軌本體電阻

在國(guó)內(nèi)各地軌道交通線路鋼軌縱向電阻現(xiàn)場(chǎng)樣本實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，分析國(guó)內(nèi)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(guó)內(nèi)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(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)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(yú)尾板、焊縫的鋼軌電阻

含魚(yú)尾板連接的鋼軌段一般情況下采用2段或3段加強(qiáng)電纜通過(guò)脹釘或放熱焊方式與魚(yú)尾板并聯(lián)，如圖5所示。假設(shè)通過(guò)測(cè)量可以得到該魚(yú)尾板附近單位長(zhǎng)度鋼軌本體電阻為r，AB段鋼軌電阻為RAB，AB段長(zhǎng)度為L(zhǎng)AB，CD段長(zhǎng)度為L(zhǎng)CD。該段鋼軌因?yàn)檫B接部分而增大的電阻與LCD長(zhǎng)鋼軌本體電阻的比值為λ，見(jiàn)式（4）。

圖5 含魚(yú)尾板鋼軌示意

對(duì)3種情況進(jìn)行分析：Case1為鋼軌連接采用2×185 mm2電纜放熱焊加強(qiáng)，Case2為鋼軌連接采用3×150 mm2電纜放熱焊加強(qiáng)，Case3為鋼軌連接采用2×185 mm2電纜脹釘連接加強(qiáng)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(guò)λ的測(cè)量計(jì)算可以測(cè)得含魚(yú)尾板、焊縫的鋼軌縱向電阻。

圖6 含魚(yú)尾板連接的鋼軌電阻樣本

4 結(jié)語(yǔ)

鋼軌電阻對(duì)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(cè)試樣本表明，國(guó)內(nèi)地鐵線路單位長(zhǎng)度鋼軌電阻值偏高。

國(guó)內(nèi)尚無(wú)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等對(duì)鋼軌電氣參數(shù)作出明確要求，應(yīng)盡快制定適用于國(guó)內(nèi)直流牽引供電系統(tǒng)的鋼軌電氣參數(shù)指標(biāo)要求，并在城市軌道交通建設(shè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格執(zhí)行。