地铁供电均回流电缆与钢轨胀接方式的分析与探讨

张亚军

（中铁十二局集团电气化工程有限公司，天津300308）

随着我国地铁交通的迅猛发展，对地铁高压供电系统的安全、优质、可靠、连续性供电要求越来越高。在轨道交通系统中，钢轨不仅要直接承担车辆的荷重，还要作为牵引供电系统的电流回流轨，同时也是信号系统中谐振轨道电路的载体。地铁供电系统利用钢轨进行回流,由于电流大,均回流电缆数量多,合理的连接方式是回流通畅的关键，是供电系统质量的重要保障。如何有效地对钢轨回流连接方式进行定量和定性分析，降低因回流电缆连接方式不当给行车安全带来的风险，继而指导后续轨道交通的施工建设变得十分必要。本文通过调研，分析国内地铁回流电缆与钢轨特殊安装的形式，总结各地铁施工运营的经验，对比各种安装方式的优点与缺点，对铜排低温钎焊连接方式的优缺点和应用前景进行分析探对各种安装方式的设计施工使用、运营维保维护提出了建议。

1 国内地铁常用均回流安装方式技术分析

1.1 放热焊接

放热焊接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、北京地铁四号线、十五号线、大兴线、十三号线、上海地铁、南京地铁等均采用该焊接方法。根据目前国内地铁的做法，放热焊接分为两种形式，一种为电缆铜芯与钢轨直接焊接；另一种利用铜排与钢轨的焊接，铜排再接电缆。单根电缆焊接技术在城市轨道交通中应用较为广泛，欧美以及香港等地的轨道交通中多采用此种方式。单根电缆直接焊接方式铜排焊接目前在北京已建的工程中应用较多。此种连接方式占用钢轨长度最小，在钢轨上的单点焊接面积最大，铜排与钢轨连接后要承受频繁的动载荷，容易在集中应力处损坏，如果断裂，载流面积大幅度降低，影响回流回路通畅。

图1 单根电缆放热焊接

1.2 板式铜排连接

利用铜排与钢轨焊接方式此种连接方式目前在北京地铁工程中使用较为广泛，此种连接方式缺点是在钢轨上的单点焊接面积较大，且在现场操作时受天气、施工单位工艺水平的影响，可控性稍差，优点是在钢轨上焊接点少，焊接一块铜排可连接多根电缆。栓接栓接方式分为：单根电缆栓接、铜排栓接。一种为在钢轨中轴打孔安装胀钉；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。根据调查的试验结果表明，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，单根电缆栓接往往用在电流较小的地段中。在轨道交通中，在长时间的钢轨运行中受震动影响较大，需要经常检修，测量连接电阻，如检修不及时容易造成连接松动、锈蚀等问题引起接触电阻增大，接触面温度升高，进而再次导致电阻升高的后果，影响回路回流效果，同时也容易引起轨电位的升高。具体连接方式为在轨腰中部打19mm 或22mm 的孔，用液压拉铆机使铜套膨胀后紧帖在轨腰的孔内，然后用螺栓将电缆连接在铜套上。单根电缆栓接方式另一种连接方式为定制加工特殊钢轨鱼尾板，鱼尾板与钢轨栓接，鱼尾板再接电缆。北京地铁昌平线有采用。钢轨鱼尾板栓接方式,连接方式比选连接方式比较。回流连接方案建议目前国内外城市轨道工程中，特别是大电流的供电系统中，普遍采用的连接方式为单根软电缆直接焊接至钢轨腰部的连接方式，如香港地铁、上海地铁等轨道交通，经过已开通工程的检验，此种连接方式安全可靠。此方式的特点是焊接时在钢轨上的焊接面积较小，现场施工精度要求较低，对钢轨的影响较小，现场实施质量较容易控制，实施后电缆与钢轨连接牢靠，有利于钢轨回流通畅，从而抑制钢轨电位升高，保证地铁正常、安全运行。建议优先选择放热焊接方式，以满足系统长期运行的要求。

1.3 胀钉栓接

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。胀钉连接是轨道交通专用胀钉将地铁供电均回流电缆与钢轨连接，单套胀钉包括镀锡铜套、不锈钢螺栓、垫圈、平垫片及自锁螺母。安装方式是通过专用配套钢轨钻孔机进行钢轨钻孔、去毛刺，其次用专用配套液压拉铆机将镀锡铜套安装在钢轨孔内拉铆锁紧，再次用螺栓将均回流电缆铜接线端子连接紧固，最后在导线焊接部位（包括钢轨研磨面）及导线端子表面，进行防锈处理，在连接的地方涂防锈黄油即可。

图2 胀钉法栓接工艺

2 新型改进安装方式技术分析

2.1 铜排低温钎焊

随着国内技术的不断改进，近年出现了铜排低温钎焊技术。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。将焊件和钎料一起加热到高于钎料熔点但低于母材熔化的温度（使母材仍保持为固态），使之附着于洁净的母材金属表面，利用液态钎料的润湿作用填充接头的间隙，与母材相互扩散实现被焊工件连接的一种方法（如图3 所示）。

图3 铜排低温钎焊刨面图

钎焊与其他焊接方式的区别是母材没有熔化，只是钎料的熔化。其有效接触面积9200～12000mm2接触电阻＜30μΩ，载流能力＞4000A，接触面积、接触电阻均能满足地铁回流系统载流需求。成品如图4 所示。

2.2 道岔区段栓接法

普通栓接方法和铜排低温钎焊法只能在标准轨上安装，无法在异形轨（尖轨及辙叉）上安装，地铁尖轨及辙叉处均回流普遍采用放热焊的连接方式。在天津地铁6 号线均回流施工中参与了一种特殊栓接法，此方法将传统栓接法进行改进并应用在尖轨及辙叉处。

图4 铜排低温钎焊成品图

特殊栓接法首先通过普通钻头和加长钻头二次打孔将尖轨处的加厚钢轨打穿，再通过双胀钉对穿的方式将电缆线鼻和钢轨通过机械方式紧密连接，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，降低了施工难度，保证了电气连接的可靠性和安全性。

3 常见问题分析及解决方案

3.1 放热焊式连接

放热焊接是国内既有地铁运营线路中应用最广的方式，但常常出现本文1.1 中所述的焊点脱焊、重伤钢轨等现象，因此，焊接完成后应对焊点处钢轨进行探伤检测，常用的钢轨探伤方法主要有超声探测、涡流探测、磁粉探测、射线探测等方法。

3.2 胀钉栓接连接

均回流电缆安装时，连接电缆为150mm2 单芯电缆，偏硬不易弯曲，一般设计提供铜线鼻子为普通平角线鼻，栓接后导致电缆弯曲半径过小，有些更是形成直角弯。为后期缺陷处理带来很大的工程量和材料损耗。为避免此种情况，如材料已订货，可在安装前将铜接线端子预弯，但不可预弯过大以免影响端子与钢轨接触面积。如未订货可调整采用45 度直角铜线鼻子，电缆预制简单，现场敷设整齐美观，线鼻子与胀钉铜管密贴，栓接牢固，完全满足工艺标准要求。

3.3 对均回流施工方法使用的建议

传统放热焊接工艺较复杂，易导致钢轨过烧、裂纹、断轨以及回流不畅导致的烧轨事故，不推荐在后续地铁线路设计使用。铜排软钎焊机械性能、电气性能可以满足地铁环境的使用要求，且施工快速简单、维护方便便捷，可有效消除目前存在的回流电缆脱落故障，便捷完成回流轨更换施工。推荐在停车场、车站等均回流电缆与钢轨集中连接处安装使用，在隧道内或打岔处建议使用单根胀钉栓接方法。

结束语

均回流系统是地铁牵引供电的关键重要组成部分，而地铁施工中均回流系统的安装方式多种多样，各有优点与不足。因此，在工作中应该加强关注、深入研究分析现有均回流安装方法的关键环节，技术重点及常见故障，总结优化施工方案，同时积极研究开发更加优质的安装技术，只有通过不断的研究、探讨，才能找到更加实用可靠的均回流系统安装方法。