一种新型轨道交通供电回流电缆与钢轨连接方式

刘胜林

摘要：介绍国内轨道交通供電电缆与钢轨的主要连接方式，并进行比选。在总结焊接和栓接方案的基础上，引入介绍一种新型连接方式，低温钎焊铜排。

关键词：电缆与钢轨连接；低温钎焊；铜排

0.引言

目前，国内的连接方式有焊接和栓接两种基本型式，应用的城市和运行经验也都比较丰富。总体而言，只要施工工艺控制得当，两种基本连接方式都能满足供电系统的运行要求。具体结合不同的地区环境、现场操作难易程度、施工质量控制、运营使用习惯等情况，不同的地铁项目也反映存在一些问题。

1.国内轨道交通电缆与钢轨连接方式

1.1放热焊

放热焊是从国外引进直接应用的焊接方法，其原理是通过铝与氧化铜的化学反应（放热反应）产生液态高温铜液和氧化铝的残渣，并利用放热反应所产生的高温来实现高性能电气熔接的现代焊接工艺。武汉轻轨、北京地铁、上海地铁、南京地铁等均采用。

根据目前国内地铁的做法，均回流电缆与钢轨的焊接连接方式分为两种，一种为电缆铜芯与钢轨的放热焊接，一种为铜排直接与钢轨的放热焊接，线缆再与铜排上的螺栓孔连接。

铜排与钢轨直接焊接的方式，由于多根电缆连接到铜排后，受力较大，且处于频繁的钢轨低频振动下，容易造成焊接处发生脱落甚至是断裂，目前已经基本淘汰。单根电缆焊接方式连接稳定可靠，过渡电阻小，且结合面无腐蚀。经过长期的运营后，过渡电阻变化很小。但是从国内实施的情况来看，放热焊工艺容易对钢轨产生马氏体组织，导致钢轨局部区域脆化，造成钢轨损伤。

1.2电弧焊

电弧焊是利用电弧放电所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头。此种连接方式在广州地铁、北京地铁有采用。

由于单根电缆外径较大，先将单根的软电缆分成三股，每股电缆都进行编扎，编扎后的末端使用终端头固定，再将终端头焊接至钢轨腰部。采用电弧焊工艺的优点是无需对钢轨温度预热，低温下可操作。由于是点焊，回流电缆还需分成几股分别与钢轨焊接。这样造成了电缆与钢轨的连接点多，占用钢轨长度长，个别点如果松脱不易发现，且连接强度不高，容易造成回路电阻增大，回流不畅。该连接方案目前仅在广州地铁有少量采用。

1.3胀钉栓接法

胀钉式栓接的主要原理：压接。将胀钉装入钻好的孔中，利用液压拉铆机将铜胀套全表面密压于钢轨的孔壁上，再用防松螺母将电缆线鼻子通过螺杆与铜胀套压接上紧。这样一来，胀钉与电缆线鼻和钢轨通过机械方式紧密连接，以达到电缆线鼻、胀钉及钢轨之间的低阻值的电流传输。这三者之间的贴合面即为电流传输的接触面，如图1-4胀钉法栓接工艺照片所示。

栓接方式需要在钢轨上打孔，对钻孔直径和打孔间距都有严格的要求。栓接方式近期可以满足过渡电阻不大于1米长（标准60kg钢轨）钢轨电阻值的要求，但是由于栓接方式存在松动、锈蚀等问题，所以在列车频繁振动的情况下，可能会造成螺栓接头处电阻增大，进而抬高钢轨电位。参考国外试验报告表明，运营一段时间后，采用栓接方式的连接处在长期低频振动条件下或连接件锈蚀等原因会导致过渡电阻略微增大。该连接方案在北京地铁、天津地铁、青岛地铁、沈阳地铁及长沙地铁均有应用。

1.4塞钉法

塞钉法原理：挤压。通过外力将锥形塞钉强行钉入到钢轨钻孔中。在电气化铁路供电系统回流中使用较多。地铁里的使用条件较特殊，电压等级低，回流电流大。钢轨作为回流轨使用，为了降低钢轨电位，减少杂散电流腐蚀以及旅客触电事故的发生，要求钢轨回路的电阻应尽量小。若采用塞钉方式，由于钻孔与塞钉是锥形接触，接触电阻值不易达标，容易造成连接处发热烧损，影响回流路径的畅通。

2.连接方式的比选

从上述分析可以看出，焊接与螺栓连接方式各有优缺点。从满足供电系统功能以及便于运营维护方面而言，焊接较好，但是存在施工工艺复杂，对钢轨材质具有一定要求的缺点。

3.新型连接方式-低温钎焊铜排

天津地铁、深圳地铁早期尝试过将铜排与钢轨直接进行螺栓连接，连接时先将钢轨表面进行打磨光滑，并在二者接触面涂上导电膏，然后再用螺栓紧固。由于钢轨轨腰表面并非规则的平整面，传统螺栓连接铜排与钢轨机械结合存在间隙，随着温度升高和运行时间推移，导电膏失效，钢轨振动和氧化加剧，导致接触电阻加大，从而出现发热和放电现象，给钢轨带来一定的损伤。

在上述问题基础上，经过研究改进，近几年个别城市地铁出现了采用通过大面积低温（≯350℃）钎焊工艺和电气连接胀钉栓接工艺结合的连接方式。

首先根据载流量要求，选用规格合适的“L”型铜排，通过两个电气胀钉栓接固定在钢轨上。安装前，同样先对钢轨的接触面进行打磨除锈。铜排与钢轨间设置了密封条，钎焊时，钎剂在加热熔化后流入焊件的间隙，同时熔化的钎剂与母材表面发生物化作用，从而清净母材表面，为钎料填缝创造条件。随着加热温度的继续升高，钎料开始熔化并填缝，钎料在排除钎剂残渣并填入焊件间隙的同时，熔化的钎料与固态母材之间发生物化作用。当钎料填满间隙，经过一定时间保温后就开始冷却、凝固，完成整个钎焊过程，从而达到铜排与钢轨无间隙连接。

4.结束语

低温钎焊铜排相比放热焊接，降低了施工工艺要求，对钢轨本体的影响也大大减少，同时又保留了焊接的特性，通过钎剂填补了钢轨与铜排之间的空隙，并增加了导流截面，使得电气回流通路上的接触电阻值能够满足供电系统的要求。除了电气性能满足要求外，在疲劳振动性能要求上也能够满足地铁里持续的低频振动的运行工况要求。它作为一种新型电缆与钢轨的连接方式，值得关注和研究。

【参考文献】

[1]姚伟伟，员鸿涛，丁韦.地铁电缆与钢轨快速铜热焊接方法的分析研究[J].城市轨道交通研究，2006，10（9）：51-53.

[2]邓玉斌.浅析地铁回流铜排与钢轨的连接[J].城市轨道交通，2010，5：49-50.