地铁回流电缆与钢轨连接方式研究

2018-09-21韩妮乐

现代交通技术 2018年4期

韩妮乐,于勉

(西安市地下铁道有限责任公司，西安 710016)

地铁牵引回流系统的核心为回流电缆与钢轨，两者的连接是整个牵引回流系统的薄弱点，也是地铁牵引回流系统维护保养的重中之重。回流电缆与钢轨连接不良将导致连接处打火、烧伤，甚至造成钢轨重伤或断轨而中断行车。保证回流电缆载流性能，也是减少杂散电流，防止轨电位升高的有效途径。经了解，因回流电缆连接不好，北京、深圳地铁发生十余起回流电缆与钢轨焊接部位脱焊、烧伤，导致钢轨重伤、断轨事故。对于回流电缆与钢轨间的连接，要求机械性能及载流性能良好，保障回流可靠通过[1]。

国内地铁行业电客车牵引电源均采用直流牵引供电系统。直流牵引系统可简单分为牵引电源、电客车和牵引回流三个子系统。牵引电源大部分为DC1500V供电制式，包括整流变压器、整流器、正极直流母排和负极直流母排。牵引回流系统是由回流钢轨、回流电缆、轨电位限制装置、单向导通装置、排流柜以及隧道结构钢筋等组成的，各部分相辅相成，共同构成了牵引电流的回流通路，保证牵引电流常规情况和故障情况下都能顺利回流到电源负极。因此，牵引回流系统作为牵引供电主回路的关键系统具有非常重要的作用，一旦发生故障将直接影响行车，造成地铁运营中断。回流电缆是地铁牵引回流系统中直流电回到变电所负极的重要一环，其与钢轨的连接方式，将直接影响回流通路性能。本文调研、分析了国内外其他地铁回流电缆与钢轨的特殊安装形式，总结了西安地铁运营经验，通过对比各种安装方式的优缺点，对各种安装方式的设计使用、运营维护提出了建议。

1 国内地铁行业回流电缆特殊连接方式的分析

1.1 闪光焊

闪光焊是采用硬钎焊工艺，蓄能放电产生的电弧使钎料熔化，将导线与钢轨焊接。此种连接方式在广州地铁、北京地铁有应用实例。它是将软电缆分为三股，每股电缆都进行绑扎，绑扎后的末端使用终端头固定，再将终端头焊接至钢轨腰部，如图1所示。由于闪光焊工艺要求较高，往往会造成焊接接头侧钢轨受高温影响出现马氏体组织，导致钢轨变脆变硬，而现场改进焊接工艺较复杂，目前广州地铁已对此连接方式进行全面替换改造，后续新建线路不推荐设计使用[2]。

图1 闪光焊式回流电缆

1.2 鱼尾板式铜排连接

鱼尾板式铜排连接采用压接或放热焊接的工艺，将鱼尾板式铜排与钢轨的接触面通过精密制造，形成密贴结构。此种形式在深圳地铁、国外部分地铁有应用。铜排与钢轨压接或放热焊接，再用螺栓固定，回流电缆与铜排栓接，在多根回流电缆处应用较好，对钢轨损伤小，操作工艺简单。

铜排压接优点是对钢轨损伤小，操作工艺简单，故障抢修容易，缺点是载流性能差，铜排、螺栓与螺孔有空隙，加上钢轨易氧化，导流面越来越小，出现烧伤。接触电阻受环境影响较大，难控制。

铜排放热焊接优点是焊接点少，在多根回流电缆处应用较好，但是缺点也非常明显，如在钢轨上单点焊接面较大，容易对钢轨造成损伤。放热焊温度高，连接部位膨胀变形明显，在列车震动和钢轨热胀冷缩作用下容易出现脱焊。

这两种形式的共同问题是铜排和钢轨间容易出现脱焊或者间隙，随着列车震动，钢轨易氧化，导流面越来越小，接触电阻受环境影响较大，容易出现腐蚀问题，导致过渡电阻增大[3]，最终导致铜排处烧伤、重伤钢轨。深圳地铁三号线高架段，在开通的两年内，80%的铜排出现不同程度的脱焊、放电、拉弧现象，并重伤钢轨2起，不推荐在后续地铁线路设计使用。

1.3 铜排软钎焊

随着国内技术的不断改进，近年出现了铜排软钎焊形式。铜排与钢轨间软钎焊连接，并用螺栓加固，回流电缆与铜排连接，如图2所示。目前，铜排软钎焊式连接在杭州地铁、北京地铁、武汉地铁、哈尔滨地铁、无锡地铁都有应用。

图2 铜排软钎焊

钎焊与其他焊接方式的区别是母材没有熔化，只是钎料熔化。钎焊过程为：钎料熔化为液态，而母材保持为固态，液态钎料在与母材的间隙中或表面毛细处填充、铺展，与母材相互作用，冷却凝固形成牢固的接头，从而与母材连接在一起。其技术参数如表1所示。

表1 铜排软钎焊技术参数

软钎焊有以下优点：

(1) 焊接温度低，施工容易。焊接温度只有240 ℃，在实际应用中，钢轨温升小，不会产生马氏体而损伤钢轨。钢轨预热和保温要求低，不受寒冷天气影响，不会出现虚焊。

(2) 焊接点电气、机械性能良好。软钎焊可用喷灯等普通热源进行钎焊，操作容易；加热温度低，钢轨不会损伤，焊接面的的膨胀、强度变化和变形都较小；钎焊后对保温无要求，可多个点同时焊接，提高焊接效率；钎料膨胀变形小，不会因为钢轨受温度的收缩而导致焊接部位脱落；焊接点不易锈蚀，接触电阻性能稳定；接触面积、接触电阻均能满足地铁回流系统载流需求。

铜排软钎焊在北京等5家地铁已总计使用1 500 余块，使用时间超过3年，目前运行性能稳定，尚未发生任何故障。尤其在哈尔滨零下20度气温条件下仍能正常安装，解决了北方寒冷天气下的施工问题，推荐在地铁中设计使用。

2 西安地铁回流电缆运行分析和维护经验

2.1 回流电缆情况

西安地铁的回流电缆与国内大多数地下段地铁的设计方式基本一致，因此，本文以西安地铁的设计、使用情况为对象进行研究。回流电缆与钢轨间常见安装形式为放热焊接、膨胀式电气连接塞钉连接，西安地铁均采用以上两种形式，但在实际运营中出现了回流电缆脱焊、回流塞钉脱落等影响行车的故障发生，且更换困难。目前，国内地铁行业牵引回流电缆采用截面积为150 mm2的铜电缆[4]。其在西安地铁牵引回流系统的分布主要为：正线回流箱与钢轨间有16根、两轨间有2根，场段回流箱与钢轨间有8根、各股道间有6根，一般为单根放热焊接。正线道岔区段、场段轨缝间2根及道岔区段一般为膨胀式电气连接塞钉连接。

2.2 放热焊接式回流电缆的运行情况及存在问题

图3 放热焊接式回流电缆

放热焊具有耐腐蚀性强、热稳定性高、接触电阻小等优点。放热焊回流电缆在西安地铁载流性能良好，但是机械性能一般，在建设安装、运营维护中存在诸多问题。

(1) 施工质量不易把控，易出现脱焊。放热焊施工过程中温度可达1 100 ℃，焊前钢轨预热和焊后保温难，铜及其合金的导热、线胀系数和收缩率大，焊后如冷却过快易形成气孔和未熔合缺陷，运营中长时间受钢轨震动影响，容易使焊点脱焊。

(2) 焊接处相对薄弱，地铁正线、车辆段轨旁作业人员较多，受作业人员踩踏回流电缆影响，西安地铁单条线路每年都会出现十余起因人员踩踏造成的回流电缆脱落故障。

(3) 安装过程易损伤钢轨，回流电缆焊点过密，熔合区过热会产生高碳马氏体使钢轨变脆，易引起钢轨损伤。西安地铁在建线路在施工期间就多次出现因放热焊造成钢轨重伤而换轨。

(4) 更换钢轨后，回流轨与汇流箱连接处按照载流量计算，一般会安装8～16根150 mm2回流电缆，在对钢轨更换时需对此处电缆全部更换。重新焊接回流电缆工艺复杂，焊接、冷却时间较长，在地铁运营间隙无法更换。更换需对回流轨所在供电分区进行长时间停电，造成受影响区段列车无法通过。

(5) 回流电缆重新焊接，需对回流电缆原接头部位进行裁剪、剥皮，预留新接头安装位置。但由于设计建设阶段，未预留回流电缆重新安装的长度，造成现场部分回流电缆因无预留长度，无法满足重新焊接要求。如图4中椭圆圈内所标示的回流电缆，在需要重新安装时长度不足，只能更换整根电缆，增加工程量。

图4 场段回流箱与钢轨间回流电缆

对于单根放热焊回流电缆，如在重新焊接时出现长度不足的问题，可以更换为膨胀式电气连接塞钉连接，在原电缆头处安装接线端子、增加长度，但该种方法对于整组更换电缆效果不佳，需要采用铜排式连接方式(见下文3.1)。同时，建议设计阶段对放热焊接式回流电缆预留长度不少于1 m。

2.3 膨胀式电气连接塞钉式回流电缆的运行情况及存在问题

膨胀式电气连接塞钉式回流电缆是在钢轨轨腰处钻孔，并安装膨胀式电气连接塞钉。塞钉直径略大于孔径，通过拉式液压钳将塞钉拉胀，使塞钉与钢轨密贴，产生拉胀力，并将回流电缆通过电缆接线端子固定于塞钉端部，回流通过塞钉、电缆接线端子流向回流电缆，如图5所示。

塞钉安装简单，不会对钢轨造成损伤，安装效率高，熟练工人一天可安装数百根回流电缆，但对打孔精度、塞钉拉胀力要求严格，对施工人员的技术水平要求较高，因此，如施工质量不佳容易为后期运营增加隐患点。

图5 塞钉式回流电缆

(1) 钢轨钻孔超标。钻孔的孔径过大、塞钉拉胀力不符合标准，导致回流电缆连接的机械强度不够，经列车震动等原因从孔中脱出。钢轨钻孔时，钻头质量差、钻孔机安装不稳等会导致孔径超过标准，甚至超过塞钉直径，导致塞钉在安装后与钢轨未完全密贴，出现松动情况。安装塞钉时，如果拉胀力不够，同样会出现塞钉与钢轨未完全密贴的情况[6]。经列车运行时钢轨的长时间震动，导致塞钉从钢轨孔中脱出，西安地铁在运营初期出现大量此类故障。

(2) 电缆接线端子处相对薄弱，回流电缆被轨旁作业人员多次踩踏后会出现电缆头断裂。

(3) 电缆处紧固螺丝容易因钢轨震动而脱落，导致回流电缆从塞钉上松脱。

针对以上问题除了按照标准施工外，可以采用带45°角的电缆接线端子，改善接线端子处受力，减小因人为踩踏造成接线端子断裂的故障。另外，使用放松螺母和垫片，安装接线端子，保证回流电缆不会从塞钉松脱。