地鐵軌道系統(tǒng)電阻對雜散電流的影響分析

胡 傳，畢 林

（成都地鐵運(yùn)營有限公司，四川成都 610058）

0 背景

成都地鐵部分線路正線及停車場多次出現(xiàn)軌電位異常導(dǎo)致保護(hù)裝置頻繁動作。當(dāng)鋼軌電位限制裝置（OVPD）長期合閘時，泄露的回流經(jīng)鋼軌電位限制裝置直接進(jìn)入綜合接地網(wǎng)，綜合接地網(wǎng)中雜散電流的量級遠(yuǎn)大于道床排流網(wǎng)的量級，導(dǎo)致車輛段運(yùn)用庫掛、拆地線時發(fā)生“打火”，以及車站屏蔽門、車輛段棘輪補(bǔ)償裝置和檢修平臺金屬護(hù)欄發(fā)生“打火”（燒灼）等現(xiàn)象，嚴(yán)重時可能造成設(shè)備損傷及人員傷亡（圖?1）。同時，雜散電流還對接地網(wǎng)與車站等金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電腐蝕。

由于雜散電流對結(jié)構(gòu)主體、管線及設(shè)備本身均具有較強(qiáng)的不可逆的腐蝕性和破壞性，為有效防護(hù)地鐵雜散電流，歐洲鐵路頒布了?EN?50122-2-2010《鐵路應(yīng)用—固定設(shè)備—電氣安全，接地和回路—第?2?部分：克服直流牽引系統(tǒng)雜散電流影響的規(guī)定》；中國頒布了?GJJ?49-92《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》，規(guī)定：兼用作回流的地鐵鋼軌與隧洞主體結(jié)構(gòu)之間的過渡電阻值（按閉塞區(qū)間分段進(jìn)行測量并換算為?1??km?長度的電阻值），對于新建線路不應(yīng)小于?15?Ω·?km，運(yùn)行線路不應(yīng)小于?3?Ω·?km。2014?年實(shí)施的?GB/T?30013-2013《城市軌道交通試運(yùn)營基本條件》再次明確要求，新線開通試運(yùn)營前，軌道專業(yè)需提供鋼軌對地電阻測試合格報告。

圖1 雜散電流造成的設(shè)備損傷及人員傷害

軌道系統(tǒng)作為雜散電流防護(hù)的重要一環(huán)，其設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理及施工質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響雜散電流的收集及回收是否順暢。在城市軌道交通行業(yè)中，軌道專業(yè)一般負(fù)責(zé)整體道床鋼筋網(wǎng)（兼作雜散電流收集排流網(wǎng)）的焊接，排流網(wǎng)連接端子、測試端子、排流端子的預(yù)埋和參比電極安裝孔的設(shè)置、鋼軌無縫焊接等。成都地鐵針對軌道系統(tǒng)的鋼軌電阻、排流網(wǎng)電阻、扣件絕緣電阻、鋼軌對地過渡電阻?4?個參數(shù)開展了系統(tǒng)測試及研究工作。

1 鋼軌電阻測試

1.1 鋼軌電阻測試方案

鋼軌是雜散電流的回流通道，成都地鐵開展了鋼軌無焊縫及帶焊縫?2?種工況的鋼軌電阻測試，驗(yàn)證鋼軌本身理論電阻、鋼軌無縫焊接對鋼軌電阻值的影響。

采用?4?點(diǎn)法測試鋼軌電阻，在?1?根鋼軌兩端通過扣軌器注入?50～150??A?電流，由毫伏表記錄?1??min?電壓噪聲信號Uoff和?1??min?鋼軌加入電流后的激勵電壓Uon（圖?2）。

L長度鋼軌電阻RL的計(jì)算方法如下：

圖2 獨(dú)立 1 km 鋼軌電阻檢測

鋼軌電阻測試采用?EN?50122-2?的測試方法，分別對鋼軌焊接前后的電阻值進(jìn)行測試，鋼軌電阻RR10m計(jì)算如下：

式（2）中：UAoff、UBoff分別為記錄的?A、B?測試點(diǎn)1??min、10??m?鋼軌電壓噪聲的平均值；UAon、UBon分別為鋼軌注入電流后的?A、B?測試點(diǎn)電壓?1??min?平均值。

1.2 鋼軌電阻測試結(jié)果分析

成都地鐵正線鋼軌均采用攀鋼?60??kg/m?的?U75V?鋼軌，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為?TB/T?2344-2012《43??kg/m～75??kg/m?鋼軌訂貨技術(shù)條件》，該標(biāo)準(zhǔn)未對電阻率進(jìn)行規(guī)定。經(jīng)咨詢鋼軌生產(chǎn)單位，其生產(chǎn)的?60??kg/m?的?U75V?鋼軌電阻率為?29.50×10-8Ω·?m（21?℃），可計(jì)算出該鋼軌不含焊縫的理論電阻為?38.09??mΩ/?km。

對于鋼軌接頭焊接阻值要求，參照?CJJ?49-92《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》，并進(jìn)一步參照歐標(biāo)?EN?50121-2?規(guī)定：無縫線路中鋼軌接頭電阻應(yīng)小于?5??m?長完整鋼軌的電阻值。單根鋼軌每公里接頭數(shù)量一般為?40個，根據(jù)導(dǎo)體電阻?=（導(dǎo)體的電阻率×導(dǎo)體的長度）/?導(dǎo)體橫截面積，計(jì)算出每公里鋼軌焊接后含焊縫允許的理論最大電阻值：

依托成都地鐵?4?號線，選取的鋼軌樣本測試結(jié)果如下。

（1）鋼軌未焊接前（已探傷），共測試?20?組，測試環(huán)境平均溫度?21.6??℃，鋼軌最大電阻?38.03??mΩ/?km，最小電阻36.04??mΩ/?km，平均值?36.58??mΩ/?km。

（2）鋼軌閃光焊接后（已探傷），共測試?20?組，測試環(huán)境平均溫度?19.7?℃，鋼軌最大電阻?38.43??mΩ/?km，最小電阻36.12??mΩ/?km，平均值?36.75??mΩ/?km。

（3）鋼軌電阻（不含焊縫）現(xiàn)場實(shí)測平均值?36.58??mΩ/?km，與鋼軌理論阻值存在約?3.96%?的差異，可能的影響因素有樣本數(shù)量較小、不同批次鋼軌化學(xué)成分細(xì)微差別、測試環(huán)境細(xì)微差別、測試誤差等，但實(shí)測值與理論值差別在?5%?以內(nèi)，暫且認(rèn)為測試結(jié)果可被接受。

（4）鋼軌電阻（含焊縫）現(xiàn)場實(shí)測平均值?36.75??mΩ/?km?小于鋼軌焊接后（含焊縫）理論的最大電阻值?45.71??mΩ/?km，證明現(xiàn)場無縫線路中鋼軌接頭電阻小于?5??m?長完整鋼軌的電阻值，焊接質(zhì)量滿足歐標(biāo)?EN?50121-2及《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》對焊接接頭阻值的規(guī)定。

（5）鋼軌閃光焊接為大電流融化鋼軌材質(zhì)，再通過加壓結(jié)晶、冷卻推瘤后的一種全自動焊接方式，焊接處化學(xué)成分基本與母材一致。本試驗(yàn)中，鋼軌焊接成無縫線路后，鋼軌電阻值較焊接前僅增加?0.47%，鋼軌焊接前后電阻值增加并不明顯，初步驗(yàn)證合格的鋼軌無縫焊接接頭對雜散電流影響較小。由于焊縫傷損樣本較少，未能將傷損焊縫與正常焊縫的電阻值進(jìn)行對比。但基于既有線及新線探傷數(shù)理統(tǒng)計(jì)，地鐵焊縫傷損出現(xiàn)概率較低，可忽略其對雜散電流的影響。

2 排流網(wǎng)電阻

2.1 排流網(wǎng)電阻測試方案

地鐵整體道床內(nèi)的縱橫向結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)需按一定要求焊接，形成雜散電流主收集排流網(wǎng)（簡稱“排流網(wǎng)”），以降低整體道床內(nèi)鋼筋所受雜散電流腐蝕并減少雜散電流繼續(xù)擴(kuò)散。地鐵各供電分區(qū)整體道床鋼筋截面一般在?2??000～3??000??mm2之間。由于國內(nèi)外鮮有對排流網(wǎng)的相關(guān)測試及研究，成都地鐵對排流網(wǎng)現(xiàn)場測試時機(jī)選取在道床混凝土澆筑前，在?12.5??m?長的排流網(wǎng)上已焊接完成的連接端子之間注入直流電流源組成回路，檢測并記錄排流網(wǎng)的電壓降和注入電流，計(jì)算被測排流網(wǎng)的電阻。現(xiàn)場排流網(wǎng)的電阻檢測分?3?種方式組成電氣回路，如圖?3?所示。

按圖?3?所示?3?種電氣回路，首先記錄在零激勵狀態(tài)下的電氣噪聲信號。記錄每種電氣回路情況下、不同電流激勵下的?12.5??m?長的排流網(wǎng)電阻，可得到不同電壓等級下的排流網(wǎng)電阻，根據(jù)得出的數(shù)據(jù)評估排流網(wǎng)的導(dǎo)通性。

2.2 排流網(wǎng)電阻測試結(jié)果分析

圖3 12.5 m 排流網(wǎng)電阻測試 3 種回路示意

（1）理論情況下，由純凈金屬鐵構(gòu)成的?2??000～3??000??mm2排流網(wǎng)的電阻為?32.30～48.50??mΩ/?km，但由于施工用鋼筋摻雜有其他雜質(zhì)及元素，加之排流網(wǎng)電阻測試時，電流是從測試端子注入，從另外的測試端子引出，電流并非均勻在排流網(wǎng)中分布、流動，故實(shí)測值將大于理論值?，F(xiàn)場對相同施工工藝下?12.5??m?道床排流網(wǎng)共測試160組，測試環(huán)境平均溫度恒定在?22.5～22.9?℃之間，排流網(wǎng)最大電阻值?101.16??mΩ/?km，最小電阻值86.05??mΩ/?km，平均值?92.77??mΩ/?km。

（2）測試過程中，針對排流網(wǎng)焊接質(zhì)量對排流網(wǎng)電阻影響也做了初步探索。測試結(jié)果表明：若鋼筋排流網(wǎng)焊接達(dá)到設(shè)計(jì)要求?25%?及以上焊接量時，排流網(wǎng)電阻值測試結(jié)果與達(dá)到?100%?設(shè)計(jì)焊接要求時相差無幾，但排流網(wǎng)的焊接點(diǎn)數(shù)量、焊接質(zhì)量對雜散電流的收集及引排有直接關(guān)聯(lián)。

（3）由于雜散電流收集與排流網(wǎng)鋼筋截面積有關(guān)，而與道床鋼筋電阻值大小無直接關(guān)系，并不能通過測試道床排流網(wǎng)電阻值大小來反映道床鋼筋網(wǎng)綁扎及焊接水平。

綜上所述，鑒于道床鋼筋排流網(wǎng)電阻值對雜散電流、過渡電阻及軌電位沒有直接關(guān)系，但為形成良好的雜散電流通道，建議在施工過程及運(yùn)營線測試時，對其導(dǎo)通進(jìn)行測試。

3 扣件絕緣電阻測試

3.1 扣件絕緣電阻測試方案

地鐵軌道施工要求鋼軌對地絕緣安裝，典型的地鐵整體道床扣件（圖?4）系統(tǒng)中的軌下膠墊、板下膠墊、螺紋套管、軌距塊等部件在干燥條件下的絕緣電阻值應(yīng)達(dá)到?108Ω以上（潮濕條件下應(yīng)達(dá)到?106Ω以上）。試驗(yàn)時選取具有代表性的不同批次扣件共?6?套，參照科技基[2007]207?號《客運(yùn)專線扣件系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》及歐標(biāo)EN?13146-5-2012《鐵路應(yīng)用—軌道—緊固系統(tǒng)的試驗(yàn)方法—第?5?部分：電阻測定》進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 扣件絕緣電阻測試結(jié)果分析

（1）試驗(yàn)室環(huán)境下（室溫19.8?℃，相對濕度58%），對軌下膠墊、板下膠墊、軌距塊、螺紋套管?4?個部件分別進(jìn)行絕緣電阻測試。6?組試件中各部件最大電阻值?7.5×109Ω，最小電阻值1.05×108Ω，均大于設(shè)計(jì)值108Ω。但該測試結(jié)果僅代表單套扣件的單個部件測試結(jié)果，并不能完全反映整套扣件及?1??km?線路的絕緣情況，單套扣件的絕緣電阻是軌道系統(tǒng)絕緣、鋼軌對地絕緣的基礎(chǔ)。

（2）扣件系統(tǒng)隧道內(nèi)電阻驗(yàn)證性試驗(yàn)：在隧道較為干燥情況下（隧道溫度20.1?℃，相對濕度小于90%），采用兆歐表測試扣件系統(tǒng)絕緣電阻滿足≥108Ω的設(shè)計(jì)要求；但在潮濕（相對濕度≥97%～100%）或明水工況下（如板下、軌下膠墊潮濕或有積水、大量鐵屑及塵土?xí)r），扣件系統(tǒng)電阻直接降低至?102～106Ω；個別單套扣件在有明水且膠墊表面雜質(zhì)較多的情況下，直接出現(xiàn)扣件絕緣失效現(xiàn)象。

4 鋼軌對地過渡電阻測試

4.1 過渡電阻測試方案

鋼軌對地過渡電阻反映軌道道床排流網(wǎng)排流狀態(tài)，也是扣件及鋼軌系統(tǒng)絕緣安裝的最直接的指標(biāo)。鋼軌對地過渡電阻測試目前國內(nèi)普遍參照歐標(biāo)?EN?50122-2?附錄?A，其測試原理如圖?5?所示。成都地鐵采取的測試方案為：測試區(qū)段長度以?3??km?為宜，可選擇在無縫線路道岔緩沖區(qū)斷開，軌縫加塞絕緣膠墊或者臨時絕緣節(jié)，確保測試區(qū)段電氣獨(dú)立。測試范圍要求左、右股鋼軌均流電纜、道床連接端子全部可靠電氣連接。新線原則上可分上、下行單獨(dú)測試，運(yùn)營線路由于上、下行均已安裝均流電纜，故需將上、下行統(tǒng)籌為?1?個測試單元。

通過測試?A?點(diǎn)附近（距離注入電源點(diǎn)?500??m）、B?點(diǎn)附近（距離注入電源點(diǎn)?500??m）的過渡電阻以及?AC、BD?兩段的電壓UAC、UBD，計(jì)算被測量區(qū)段的末端電流IRA、IRB：

圖4 典型地鐵整體道床扣件示意圖（DZⅢ型）

圖5 鋼軌過渡電阻測試方法

式（3）、式（4）中：RA、RB分別為?A?點(diǎn)及?B?點(diǎn)附近10??m?鋼軌本身電阻，即以?A?或?B?點(diǎn)為中心兩端各?5??m?范圍的鋼軌本身電阻。

測量電壓時，分別測量電路斷開和閉合時的電壓值。通過U=Uon-Uoff消除噪聲信號的干擾。鋼軌對地過渡電阻表達(dá)式為：

式（5）中：RRT為單位長度的過渡電阻，Ω·?km；L為被測量區(qū)段的長度，km；I為電流源注入電流，A；IRA、IRB為被測量區(qū)段的末端電流，A；URT為電流注入點(diǎn)鋼軌對排流網(wǎng)的電壓，V；URTA、URTB為被測量區(qū)段的末端鋼軌對排流網(wǎng)的電壓，V。

4.2 過渡電阻測試設(shè)備與工器具

成都地鐵鋼軌過渡電阻測試所需設(shè)備如表?1?所示。

4.3 過渡電阻測試步驟

（1）選擇測試所需的測量工器具、連接電纜等，以及可實(shí)時、精確記錄電流數(shù)值的電流測試軟件、數(shù)據(jù)分析軟件等。

（2）選取長度L不大于?3??km?測量區(qū)段，并確保測試范圍道床排流網(wǎng)連接端子全部連接且回流通暢，鋼軌左、右股均流電流及回流電纜可靠連接，無短接、接地等異常情況。若上、下行已連接均流線纜，需將上、下行作為1個測試單位進(jìn)行測試（測試長度仍保持?3??km）。

表1 鋼軌過渡電阻測試主要設(shè)備及工器具

（3）對鋼軌除銹打磨，連接線纜及并充分緊固無虛接，檢查電路是否正確，試注入電流。

（4）調(diào)試測量儀表，保證其測量結(jié)果精準(zhǔn)。多次測試并記錄原始數(shù)據(jù)，計(jì)算取平均值。

（5）測試前應(yīng)完成測試區(qū)間人員及其他雜物出清，尤其要確認(rèn)鋼軌無異物或無關(guān)線纜連接。測試期間應(yīng)保持電壓、電流穩(wěn)定。

4.4 過渡電阻測試結(jié)果分析

（1）成都地鐵?4?號線試運(yùn)營前現(xiàn)場多組過渡電阻測試數(shù)據(jù)表明，測試環(huán)境（特別是相對濕度）對過渡電阻測試結(jié)果影響較大：從?2016?年?8?月開始測試，至?2016年?10?月測試完成，過渡電阻最大值?252.98?Ω·?km，最小值?15.09?Ω·?km，平均值?53.69?Ω·?km。其中，鳳凰大街站—馬廠壩站區(qū)間上、下行在初期測試時因隧道內(nèi)過于潮濕（相對濕度?98%，溫度?24?℃），過渡電阻值分別僅為?12.77?Ω·?km、11.26?Ω·?km，均不滿足規(guī)范要求；隧道干燥后（相對濕度?52%，溫度?20.5?℃）進(jìn)行第?2?次測試，過渡電阻值達(dá)到?15.09?Ω·?km，滿足《雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》中“兼用作回流的地鐵走行軌與隧洞主體結(jié)構(gòu)（或大地）之間的過渡電阻值新建線路不應(yīng)小于15?Ω·?km”的要求。

（2）成都地鐵?4?號線及近期開通的多條線路鋼軌過渡電阻測試均表明其符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求規(guī)定，不是造成鋼軌電位異常升高及雜散電流增大的主要原因。

5 減少雜散電流、增大過渡電阻建議措施

軌道系統(tǒng)與軌電位及雜散電流息息相關(guān)。針對軌道專業(yè)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營環(huán)節(jié)，減少雜散電流、增大過渡電阻的措施建議如下。

（1）保證軌道系統(tǒng)對地有效絕緣，特別是扣件系統(tǒng)絕緣性能，螺紋套管、軌下膠墊、板下膠墊、軌距塊、調(diào)高墊板等電阻值應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）軌道設(shè)計(jì)應(yīng)在以下地點(diǎn)設(shè)置鋼軌絕緣軌縫：停車場線路與正線線路的鋼軌之間、停車場電化股道與非電化股道的鋼軌間、停車場各電化庫線入口處的鋼軌、地鐵的運(yùn)行線路與正在建設(shè)的線路區(qū)段之間、盡頭線每條軌道的車擋裝置與電化股道的鋼軌間。

（3）道床鋼筋網(wǎng)兼作雜散電流排流網(wǎng)時，被選作主排流網(wǎng)的結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)均勻分布，以增加雜散電流收集效果。在穿越江河或其他富水區(qū)域時，排流網(wǎng)鋼筋截面積應(yīng)進(jìn)行合理加強(qiáng)；縱向結(jié)構(gòu)鋼筋如有搭接，必須進(jìn)行可靠搭接焊，沿整體道床縱向不大于?5??m?用?1?根橫向結(jié)構(gòu)鋼筋與所有的收集監(jiān)測網(wǎng)縱向結(jié)構(gòu)鋼筋焊接；整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋與車站、隧道主體結(jié)構(gòu)鋼筋不得有電氣連接。

（4）降低軌道系統(tǒng)本身阻抗，如盡量減少鋼軌有縫接頭并焊接成無縫線路，有條件盡可能采用跨區(qū)間無縫線路。鋼軌接頭處應(yīng)進(jìn)行可靠電氣連接，道岔區(qū)域采用有縫線路魚尾板連接時，2?根鋼軌之間、道岔與轍岔的連接部位應(yīng)設(shè)置?2?根截面不小于?120??mm2（可加強(qiáng)至?150??mm2）的直流銅芯電纜。電纜與鋼軌之間應(yīng)可靠連接，接頭電阻不應(yīng)大于?1??m?長完整鋼軌的電阻值。

（5）鋼軌應(yīng)采用絕緣法安裝，加強(qiáng)鋼軌對道床的絕緣以減少鋼軌泄漏電流。整體道床澆筑時，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土道床面結(jié)構(gòu)高度，確保鋼軌底部與整體道床頂面的間隙不小于?70??mm。過軌管線過軌時，必須加強(qiáng)過軌管絕緣處理。

（6）加強(qiáng)運(yùn)營檢修維護(hù)及保養(yǎng)，保證雜散電流防護(hù)長期有效。確保隧道環(huán)境干燥，定期對隧道進(jìn)行清掃及沖洗，減少鋼軌軌下膠墊及板下膠墊灰塵及鐵屑積累。定期更換軌下膠墊、板下膠墊，保證軌道系統(tǒng)絕緣性能。

6 結(jié)束語

為確保地鐵安全可靠運(yùn)行，針對降低雜散電流、增加鋼軌對地過渡電阻等關(guān)鍵問題，建議列入地鐵建設(shè)及運(yùn)營重點(diǎn)問題進(jìn)行專題研究，采取預(yù)防性措施，積極改善運(yùn)營環(huán)境，確保乘客人身安全及設(shè)備正常運(yùn)行。