地铁轨道系统电阻对杂散电流的影响分析

2018-10-22胡传，毕林

现代城市轨道交通 2018年10期

胡传，毕林

（成都地铁运营有限公司，四川成都 610058）

0 背景

成都地铁部分线路正线及停车场多次出现轨电位异常导致保护装置频繁动作。当钢轨电位限制装置（OVPD）长期合闸时，泄露的回流经钢轨电位限制装置直接进入综合接地网，综合接地网中杂散电流的量级远大于道床排流网的量级，导致车辆段运用库挂、拆地线时发生“打火”，以及车站屏蔽门、车辆段棘轮补偿装置和检修平台金属护栏发生“打火”（烧灼）等现象，严重时可能造成设备损伤及人员伤亡（图 1）。同时，杂散电流还对接地网与车站等金属结构产生电腐蚀。

由于杂散电流对结构主体、管线及设备本身均具有较强的不可逆的腐蚀性和破坏性，为有效防护地铁杂散电流，欧洲铁路颁布了 EN 50122-2-2010《铁路应用—固定设备—电气安全，接地和回路—第 2 部分：克服直流牵引系统杂散电流影响的规定》；中国颁布了 GJJ 49-92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》，规定：兼用作回流的地铁钢轨与隧洞主体结构之间的过渡电阻值（按闭塞区间分段进行测量并换算为 1 km 长度的电阻值），对于新建线路不应小于 15 Ω· km，运行线路不应小于 3 Ω· km。2014 年实施的 GB/T 30013-2013《城市轨道交通试运营基本条件》再次明确要求，新线开通试运营前，轨道专业需提供钢轨对地电阻测试合格报告。

图1 杂散电流造成的设备损伤及人员伤害

轨道系统作为杂散电流防护的重要一环，其设计参数是否合理及施工质量的优劣将直接影响杂散电流的收集及回收是否顺畅。在城市轨道交通行业中，轨道专业一般负责整体道床钢筋网（兼作杂散电流收集排流网）的焊接，排流网连接端子、测试端子、排流端子的预埋和参比电极安装孔的设置、钢轨无缝焊接等。成都地铁针对轨道系统的钢轨电阻、排流网电阻、扣件绝缘电阻、钢轨对地过渡电阻 4 个参数开展了系统测试及研究工作。

1 钢轨电阻测试

1.1 钢轨电阻测试方案

钢轨是杂散电流的回流通道，成都地铁开展了钢轨无焊缝及带焊缝 2 种工况的钢轨电阻测试，验证钢轨本身理论电阻、钢轨无缝焊接对钢轨电阻值的影响。

采用 4 点法测试钢轨电阻，在 1 根钢轨两端通过扣轨器注入 50～150 A 电流，由毫伏表记录 1 min 电压噪声信号Uoff和 1 min 钢轨加入电流后的激励电压Uon（图 2）。

L长度钢轨电阻RL的计算方法如下：

图2 独立 1 km 钢轨电阻检测

钢轨电阻测试采用 EN 50122-2 的测试方法，分别对钢轨焊接前后的电阻值进行测试，钢轨电阻RR10m计算如下：

式（2）中：UAoff、UBoff分别为记录的 A、B 测试点1 min、10 m 钢轨电压噪声的平均值；UAon、UBon分别为钢轨注入电流后的 A、B 测试点电压 1 min 平均值。

1.2 钢轨电阻测试结果分析

成都地铁正线钢轨均采用攀钢 60 kg/m 的 U75V 钢轨，执行标准为 TB/T 2344-2012《43 kg/m～75 kg/m 钢轨订货技术条件》，该标准未对电阻率进行规定。经咨询钢轨生产单位，其生产的 60 kg/m 的 U75V 钢轨电阻率为 29.50×10-8Ω· m（21 ℃），可计算出该钢轨不含焊缝的理论电阻为 38.09 mΩ/ km。

对于钢轨接头焊接阻值要求，参照 CJJ 49-92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》，并进一步参照欧标 EN 50121-2 规定：无缝线路中钢轨接头电阻应小于 5 m 长完整钢轨的电阻值。单根钢轨每公里接头数量一般为 40个，根据导体电阻 =（导体的电阻率×导体的长度）/ 导体横截面积，计算出每公里钢轨焊接后含焊缝允许的理论最大电阻值：

依托成都地铁 4 号线，选取的钢轨样本测试结果如下。

（1）钢轨未焊接前（已探伤），共测试 20 组，测试环境平均温度 21.6 ℃，钢轨最大电阻 38.03 mΩ/ km，最小电阻36.04 mΩ/ km，平均值 36.58 mΩ/ km。

（2）钢轨闪光焊接后（已探伤），共测试 20 组，测试环境平均温度 19.7 ℃，钢轨最大电阻 38.43 mΩ/ km，最小电阻36.12 mΩ/ km，平均值 36.75 mΩ/ km。

（3）钢轨电阻（不含焊缝）现场实测平均值 36.58 mΩ/ km，与钢轨理论阻值存在约 3.96% 的差异，可能的影响因素有样本数量较小、不同批次钢轨化学成分细微差别、测试环境细微差别、测试误差等，但实测值与理论值差别在 5% 以内，暂且认为测试结果可被接受。

（4）钢轨电阻（含焊缝）现场实测平均值 36.75 mΩ/ km 小于钢轨焊接后（含焊缝）理论的最大电阻值 45.71 mΩ/ km，证明现场无缝线路中钢轨接头电阻小于 5 m 长完整钢轨的电阻值，焊接质量满足欧标 EN 50121-2及《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》对焊接接头阻值的规定。

（5）钢轨闪光焊接为大电流融化钢轨材质，再通过加压结晶、冷却推瘤后的一种全自动焊接方式，焊接处化学成分基本与母材一致。本试验中，钢轨焊接成无缝线路后，钢轨电阻值较焊接前仅增加 0.47%，钢轨焊接前后电阻值增加并不明显，初步验证合格的钢轨无缝焊接接头对杂散电流影响较小。由于焊缝伤损样本较少，未能将伤损焊缝与正常焊缝的电阻值进行对比。但基于既有线及新线探伤数理统计，地铁焊缝伤损出现概率较低，可忽略其对杂散电流的影响。

2 排流网电阻

2.1 排流网电阻测试方案

地铁整体道床内的纵横向结构钢筋网需按一定要求焊接，形成杂散电流主收集排流网（简称“排流网”），以降低整体道床内钢筋所受杂散电流腐蚀并减少杂散电流继续扩散。地铁各供电分区整体道床钢筋截面一般在 2 000～3 000 mm2之间。由于国内外鲜有对排流网的相关测试及研究，成都地铁对排流网现场测试时机选取在道床混凝土浇筑前，在 12.5 m 长的排流网上已焊接完成的连接端子之间注入直流电流源组成回路，检测并记录排流网的电压降和注入电流，计算被测排流网的电阻。现场排流网的电阻检测分 3 种方式组成电气回路，如图 3 所示。

按图 3 所示 3 种电气回路，首先记录在零激励状态下的电气噪声信号。记录每种电气回路情况下、不同电流激励下的 12.5 m 长的排流网电阻，可得到不同电压等级下的排流网电阻，根据得出的数据评估排流网的导通性。

2.2 排流网电阻测试结果分析

图3 12.5 m 排流网电阻测试 3 种回路示意

（1）理论情况下，由纯净金属铁构成的 2 000～3 000 mm2排流网的电阻为 32.30～48.50 mΩ/ km，但由于施工用钢筋掺杂有其他杂质及元素，加之排流网电阻测试时，电流是从测试端子注入，从另外的测试端子引出，电流并非均匀在排流网中分布、流动，故实测值将大于理论值。现场对相同施工工艺下 12.5 m 道床排流网共测试160组，测试环境平均温度恒定在 22.5～22.9 ℃之间，排流网最大电阻值 101.16 mΩ/ km，最小电阻值86.05 mΩ/ km，平均值 92.77 mΩ/ km。

（2）测试过程中，针对排流网焊接质量对排流网电阻影响也做了初步探索。测试结果表明：若钢筋排流网焊接达到设计要求 25% 及以上焊接量时，排流网电阻值测试结果与达到 100% 设计焊接要求时相差无几，但排流网的焊接点数量、焊接质量对杂散电流的收集及引排有直接关联。

（3）由于杂散电流收集与排流网钢筋截面积有关，而与道床钢筋电阻值大小无直接关系，并不能通过测试道床排流网电阻值大小来反映道床钢筋网绑扎及焊接水平。

综上所述，鉴于道床钢筋排流网电阻值对杂散电流、过渡电阻及轨电位没有直接关系，但为形成良好的杂散电流通道，建议在施工过程及运营线测试时，对其导通进行测试。

3 扣件绝缘电阻测试

3.1 扣件绝缘电阻测试方案

地铁轨道施工要求钢轨对地绝缘安装，典型的地铁整体道床扣件（图 4）系统中的轨下胶垫、板下胶垫、螺纹套管、轨距块等部件在干燥条件下的绝缘电阻值应达到 108Ω以上（潮湿条件下应达到 106Ω以上）。试验时选取具有代表性的不同批次扣件共 6 套，参照科技基[2007]207 号《客运专线扣件系统暂行技术条件》及欧标EN 13146-5-2012《铁路应用—轨道—紧固系统的试验方法—第 5 部分：电阻测定》进行试验。

3.2 扣件绝缘电阻测试结果分析

（1）试验室环境下（室温19.8 ℃，相对湿度58%），对轨下胶垫、板下胶垫、轨距块、螺纹套管 4 个部件分别进行绝缘电阻测试。6 组试件中各部件最大电阻值 7.5×109Ω，最小电阻值1.05×108Ω，均大于设计值108Ω。但该测试结果仅代表单套扣件的单个部件测试结果，并不能完全反映整套扣件及 1 km 线路的绝缘情况，单套扣件的绝缘电阻是轨道系统绝缘、钢轨对地绝缘的基础。

（2）扣件系统隧道内电阻验证性试验：在隧道较为干燥情况下（隧道温度20.1 ℃，相对湿度小于90%），采用兆欧表测试扣件系统绝缘电阻满足≥108Ω的设计要求；但在潮湿（相对湿度≥97%～100%）或明水工况下（如板下、轨下胶垫潮湿或有积水、大量铁屑及尘土时），扣件系统电阻直接降低至 102～106Ω；个别单套扣件在有明水且胶垫表面杂质较多的情况下，直接出现扣件绝缘失效现象。

4 钢轨对地过渡电阻测试

4.1 过渡电阻测试方案

钢轨对地过渡电阻反映轨道道床排流网排流状态，也是扣件及钢轨系统绝缘安装的最直接的指标。钢轨对地过渡电阻测试目前国内普遍参照欧标 EN 50122-2 附录 A，其测试原理如图 5 所示。成都地铁采取的测试方案为：测试区段长度以 3 km 为宜，可选择在无缝线路道岔缓冲区断开，轨缝加塞绝缘胶垫或者临时绝缘节，确保测试区段电气独立。测试范围要求左、右股钢轨均流电缆、道床连接端子全部可靠电气连接。新线原则上可分上、下行单独测试，运营线路由于上、下行均已安装均流电缆，故需将上、下行统筹为 1 个测试单元。

通过测试 A 点附近（距离注入电源点 500 m）、B 点附近（距离注入电源点 500 m）的过渡电阻以及 AC、BD 两段的电压UAC、UBD，计算被测量区段的末端电流IRA、IRB：

图4 典型地铁整体道床扣件示意图（DZⅢ型）

图5 钢轨过渡电阻测试方法

式（3）、式（4）中：RA、RB分别为 A 点及 B 点附近10 m 钢轨本身电阻，即以 A 或 B 点为中心两端各 5 m 范围的钢轨本身电阻。

测量电压时，分别测量电路断开和闭合时的电压值。通过U=Uon-Uoff消除噪声信号的干扰。钢轨对地过渡电阻表达式为：

式（5）中：RRT为单位长度的过渡电阻，Ω· km；L为被测量区段的长度，km；I为电流源注入电流，A；IRA、IRB为被测量区段的末端电流，A；URT为电流注入点钢轨对排流网的电压，V；URTA、URTB为被测量区段的末端钢轨对排流网的电压，V。

4.2 过渡电阻测试设备与工器具

成都地铁钢轨过渡电阻测试所需设备如表 1 所示。

4.3 过渡电阻测试步骤

（1）选择测试所需的测量工器具、连接电缆等，以及可实时、精确记录电流数值的电流测试软件、数据分析软件等。

（2）选取长度L不大于 3 km 测量区段，并确保测试范围道床排流网连接端子全部连接且回流通畅，钢轨左、右股均流电流及回流电缆可靠连接，无短接、接地等异常情况。若上、下行已连接均流线缆，需将上、下行作为1个测试单位进行测试（测试长度仍保持 3 km）。

表1 钢轨过渡电阻测试主要设备及工器具

（3）对钢轨除锈打磨，连接线缆及并充分紧固无虚接，检查电路是否正确，试注入电流。

（4）调试测量仪表，保证其测量结果精准。多次测试并记录原始数据，计算取平均值。

（5）测试前应完成测试区间人员及其他杂物出清，尤其要确认钢轨无异物或无关线缆连接。测试期间应保持电压、电流稳定。

4.4 过渡电阻测试结果分析

（1）成都地铁 4 号线试运营前现场多组过渡电阻测试数据表明，测试环境（特别是相对湿度）对过渡电阻测试结果影响较大：从 2016 年 8 月开始测试，至 2016年 10 月测试完成，过渡电阻最大值 252.98 Ω· km，最小值 15.09 Ω· km，平均值 53.69 Ω· km。其中，凤凰大街站—马厂坝站区间上、下行在初期测试时因隧道内过于潮湿（相对湿度 98%，温度 24 ℃），过渡电阻值分别仅为 12.77 Ω· km、11.26 Ω· km，均不满足规范要求；隧道干燥后（相对湿度 52%，温度 20.5 ℃）进行第 2 次测试，过渡电阻值达到 15.09 Ω· km，满足《杂散电流腐蚀防护技术规程》中“兼用作回流的地铁走行轨与隧洞主体结构（或大地）之间的过渡电阻值新建线路不应小于15 Ω· km”的要求。

（2）成都地铁 4 号线及近期开通的多条线路钢轨过渡电阻测试均表明其符合设计及规范要求规定，不是造成钢轨电位异常升高及杂散电流增大的主要原因。

5 减少杂散电流、增大过渡电阻建议措施

轨道系统与轨电位及杂散电流息息相关。针对轨道专业设计、施工及运营环节，减少杂散电流、增大过渡电阻的措施建议如下。

（1）保证轨道系统对地有效绝缘，特别是扣件系统绝缘性能，螺纹套管、轨下胶垫、板下胶垫、轨距块、调高垫板等电阻值应满足设计要求。

（2）轨道设计应在以下地点设置钢轨绝缘轨缝：停车场线路与正线线路的钢轨之间、停车场电化股道与非电化股道的钢轨间、停车场各电化库线入口处的钢轨、地铁的运行线路与正在建设的线路区段之间、尽头线每条轨道的车挡装置与电化股道的钢轨间。

（3）道床钢筋网兼作杂散电流排流网时，被选作主排流网的结构钢筋应均匀分布，以增加杂散电流收集效果。在穿越江河或其他富水区域时，排流网钢筋截面积应进行合理加强；纵向结构钢筋如有搭接，必须进行可靠搭接焊，沿整体道床纵向不大于 5 m 用 1 根横向结构钢筋与所有的收集监测网纵向结构钢筋焊接；整体道床结构钢筋与车站、隧道主体结构钢筋不得有电气连接。

（4）降低轨道系统本身阻抗，如尽量减少钢轨有缝接头并焊接成无缝线路，有条件尽可能采用跨区间无缝线路。钢轨接头处应进行可靠电气连接，道岔区域采用有缝线路鱼尾板连接时，2 根钢轨之间、道岔与辙岔的连接部位应设置 2 根截面不小于 120 mm2（可加强至 150 mm2）的直流铜芯电缆。电缆与钢轨之间应可靠连接，接头电阻不应大于 1 m 长完整钢轨的电阻值。

（5）钢轨应采用绝缘法安装，加强钢轨对道床的绝缘以减少钢轨泄漏电流。整体道床浇筑时，应严格控制混凝土道床面结构高度，确保钢轨底部与整体道床顶面的间隙不小于 70 mm。过轨管线过轨时，必须加强过轨管绝缘处理。

（6）加强运营检修维护及保养，保证杂散电流防护长期有效。确保隧道环境干燥，定期对隧道进行清扫及冲洗，减少钢轨轨下胶垫及板下胶垫灰尘及铁屑积累。定期更换轨下胶垫、板下胶垫，保证轨道系统绝缘性能。