城市轨道交通钢轨电气参数研究

郑永平

0 引言

近些年来，城市轨道交通快速发展的同时，钢轨电位问题也越来越受到重视。虽然整个地铁回流系统为悬浮系统，但是钢轨对地不能实现完全绝缘，导致部分电流流入大地形成杂散电流。同时，钢轨本身具有纵向电阻，导致钢轨和地间存在压差，即钢轨电位。

运营中的城市轨道交通线路普遍存在正线和车辆段、停车场钢轨电位超标的问题。城市轨道交通采用直流牵引供电系统，单列车取流高达 3000～5000 A，发车密度高，钢轨电阻对钢轨纵向电压降落和钢轨电位有着重要的影响。

文献[1]讨论了钢轨电阻的室内、外测量方法，分析了不同测量条件对测量结果的影响。文献[2]分析了钢轨电阻等因素对钢轨电位异常升高的影响。文献[3]利用离散模型、电流注入法和叠加定理分析了钢轨纵向电阻对钢轨电位和杂散电流分布的影响。文献[4]采用微元法建立模型，仿真分析了钢轨纵向电阻等因素对杂散电流的影响。文献[5]指出，运营时间较长造成钢轨整体磨损较大、 关键部位（如道岔处、钢轨鱼尾板连接处等）电气连接不畅都会导致钢轨纵向电阻增大。

钢轨电气参数对钢轨电位的影响显著。本文将对国内外钢轨电气参数的规定进行探讨分析，将钢轨纵向电阻的测量方法推广至含鱼尾板、焊缝等情况下的钢轨电阻测量，并对国内各地铁钢轨样本的单位电阻分布进行分析。本文的研究将有助于促进国内钢轨电阻参数标准的制定工作。

1 钢轨电气参数

1.1 国内关于钢轨电阻的规定

我国现行关于城市轨道交通钢轨纵向电阻直接或间接的规范文件主要有以下5个：

（1）CJJ/T 49—2020《地铁杂散电流腐蚀防护技术标准》第5.3.5条[6]：回流走行轨应保持钢轨的连续性和回流的通畅性，包括焊接或低电阻的电气轨隙连接装置等。走行轨上下行并联后的纵向电阻应不小于0.01 Ω/km。

（2）GB/T 10411—2005《城市轨道交通直流牵引供电系统》第7.4.2条[7]：对于非焊接回流轨的轨缝，应有轨道连接导线将其可靠连接，其接头电阻值不大于回流轨1m长度电阻值的3倍。

（3）GB 50157—2013《地铁设计规范》第15.7.6条[8]：上、下行轨道间均应设置均流线，均流线间距不宜大于600 m。

（4）GB/T 28026.2—2018/IEC 62128-2:2013《轨道交通 地面装置 电气安全、接地和回流 第2部分：直流牵引供电系统杂散电流的防护措施》第6.2.2条[9]：走行轨纵向电阻应尽可能小，钢轨连接应采用焊接或采用降低电阻的轨缝连接，使其总纵向电阻的增量不超过5%，该值不包括信号系统的绝缘轨缝；在轨缝采用阻抗连接处，总电阻的增量可以超过5%；可通过采用较大截面的走行轨和/或走行轨间及线路间实行横向连接（在信号系统允许的情况下）的措施降低钢轨纵向电阻。

（5）GB 2585—2007《铁路用热轧钢轨》[10]和TB/T 2344—2012《43 kg/m～75 kg/m钢轨订货技术条件》[11]从尺寸、外形、重量及允许偏差和技术要求等方面作了规定。在技术要求中，主要规定了钢轨的制造方法、牌号和化学成分、力学性能、硬度、轨端热处理、地倍、显微组织、脱碳层、非金属夹杂物、落锤试验、超声波探伤、表面质量、残余应力、疲劳性能、断裂韧性。

由以上规范文件可以发现，我国对钢轨电阻值的规定较为模糊，仅对轨道连接部分电阻值进行了约束，且约束条件也存在一定差异，而对钢轨纵向电阻值本身尚无明确规定。

1.2 其他关于钢轨电阻的规定

香港地铁在钢轨采购的招标文件中明确要求：25 m，60 kg/m的钢轨纵向电阻不超过27 mΩ/km。

以色列在建地铁线路钢轨参数如表1所示。

表1 以色列在建地铁钢轨纵向电阻要求

而在《电气化铁道接触网》[12]中钢轨纵向电阻的要求如表2所示。

表2 20 ℃时无传导电流情况下焊接钢轨和 铁路线路的单位长度电阻 mΩ/km

UIC60轨与目前国内地铁正线广泛采用的60 kg/m钢轨的断面尺寸、机械特性和化学成分等相当。国内香港地区和国外某些地区所要求的同类型（60 kg/m）钢轨纵向电阻值（无磨耗，20 ℃）均未超过30 mΩ/km。

1.3 成都地铁关于钢轨电阻的规定

目前，国内相关设计规范均未对钢轨的纵向电阻限值进行说明。而国内广泛采用的60 kg/m钢轨在物理外观、机械性能、化学成分方面与UIC60型钢轨相似，参考国外相关资料，以表2中的UIC60无磨损，轨温为20 ℃时的单根钢轨纵向电阻值28.9 mΩ/km为例，考虑10%的波动范围，纵向电阻值上限为31.79 mΩ/km，四舍五入取整为32 mΩ/km，推荐以该值作为钢轨纵向电阻限值。

以上看到的所有这些例子使得D.17,1,5 pr.-1(保罗：《告示评注》第32卷)的断言愈发清晰：受委任人有义务谨守所受委任的界限，否则，发生债务的不履行，并须承担相应责任。

成都轨道交通集团制定了企标QB-Ⅱ-21701—2020《成都地铁杂散电流防护工程技术标准》，对钢轨本体电阻作出规定：轨温20 ℃，单根60 kg/m钢轨无磨耗情况下，纵向电阻r20不应大于32 mΩ/km。当考虑温度系数α后（α一般取0.005），单根钢轨纵向电阻为

式中：T为轨温，℃。

2 钢轨电阻的测量方法

钢轨电阻的测量属于微电阻测量，对测量设备精度要求较高。在实验室测量时，可以对一段较短的钢轨样本利用开尔文四线法进行测量。在工程现场，可以在一行两根钢轨已经安装的情况下，利用一行的均流线或人为设置的均流电缆组成测试电阻进行测量。

2.1 钢轨本体电阻测量

钢轨本体电阻的测量方法如图1所示[9]。

图1 钢轨本体纵向电阻测量

该测量方法只在没有牵引电流流过时有效，如无法避免牵引电流，宜在相同电流时进行测量，以消除牵引电流对测量结果的影响。

钢轨纵向电压的测量点与电流注入点间距离宜大于1 m。钢轨本体纵向电阻计算式为

式中：R为走行轨本体纵向电阻，mΩ/km；Ioff为测试电源断开时的注入电流，A；Ion为测试电源闭合时的注入电流，A；UAoff、UBoff为测试电源断开时走行轨电压降落，mV；UAon、UBon为测试电源闭合时走行轨电压降落，mV；LA、LB为走行轨本体长度，m，宜选取10 m左右。

2.2 含鱼尾板、焊缝的钢轨纵向电阻测量

地铁钢轨每25 m通过现场移动式闪光焊焊接成长轨。由于钢轨磨损增大的原因，运营线路换轨现象频繁，更换的钢轨之间通过鱼尾板连接，但鱼尾板并不是良好导体，需要通过电缆予以加强。在电缆的安装工艺中，放热焊、胀钉、低温钎焊何种连接工艺的电气性能更好一直存在争议。

将钢轨本体电阻的测量方法推广至含鱼尾板、焊缝的钢轨纵向电阻测量，如图2所示。

图2 含焊缝、鱼尾板的钢轨纵向电阻测量

含焊缝、鱼尾板的钢轨纵向电阻计算式为

式中：Rx为含鱼尾板、焊缝的钢轨纵向电阻，mΩ/km；Uxoff，Uxon分别为测试电源断开和闭合时含鱼尾板、焊缝的钢轨纵向电压降落，mV；Lx为含鱼尾板、焊缝的走行轨长度（包含全部加强电缆在内），m。

3 钢轨电阻的测量结果

3.1 钢轨本体电阻

在国内各地轨道交通线路钢轨纵向电阻现场样本实测的基础上，分析国内钢轨纵向电阻分布范围。新建线路钢轨纵向电阻分布如图3、均值如表3所示。可以发现，国内新建线路钢轨纵向电阻分布范围较大，大致为32～38 mΩ/km，均值分布范围为34.32～36.31 mΩ/km，新建线路钢轨纵向电阻值均较大。已运营线路的钢轨纵向电阻分布如图4所示。以北京地铁为例，钢轨纵向电阻分布在30.86～38.2 mΩ/km范围。

图3 新建线路钢轨纵向电阻分布

图4 已运营地铁线路钢轨纵向电阻分布

表3 新建线路钢轨纵向电阻均值 mΩ/km

3.2 含鱼尾板、焊缝的钢轨电阻

含鱼尾板连接的钢轨段一般情况下采用2段或3段加强电缆通过胀钉或放热焊方式与鱼尾板并联，如图5所示。假设通过测量可以得到该鱼尾板附近单位长度钢轨本体电阻为r，AB段钢轨电阻为RAB，AB段长度为LAB，CD段长度为LCD。该段钢轨因为连接部分而增大的电阻与LCD长钢轨本体电阻的比值为λ，见式（4）。

图5 含鱼尾板钢轨示意

对3种情况进行分析：Case1为钢轨连接采用2×185 mm2电缆放热焊加强，Case2为钢轨连接采用3×150 mm2电缆放热焊加强，Case3为钢轨连接采用2×185 mm2电缆胀钉连接加强。现场实测数据的样本如图6所示。Case1中，λ分布在30.79%～94.06%；Case2中，λ分布在-6.25%～30.40%；Case3中，λ分布在10.20%～70.81%。通过λ的测量计算可以测得含鱼尾板、焊缝的钢轨纵向电阻。

图6 含鱼尾板连接的钢轨电阻样本

4 结语

钢轨电阻对城市轨道交通钢轨电位的影响很大。既有钢轨本体电阻的测试样本表明，国内地铁线路单位长度钢轨电阻值偏高。

国内尚无行业标准等对钢轨电气参数作出明确要求，应尽快制定适用于国内直流牵引供电系统的钢轨电气参数指标要求，并在城市轨道交通建设环节严格执行。