城市軌道交通工程道岔與鋼軌連接件絕緣破壞改進措施探討

胡 博

（廈門軌道交通集團有限公司，福建廈門 361000）

1 概述

我國城市軌道交通工程普遍采用鋼軌作為回流通路，且在鋼軌側進行絕緣安裝，因此造成運營后存在一定的鋼軌電位。由于鋼軌系統具有較大的長度和很低的阻抗，在鋼軌對地、對其他設備專業附件絕緣被破壞時，存在對地電位的鋼軌相對于絕緣破壞點來說可視為一個內阻很小的大容量直流電源。這種現象時常引發絕緣破壞點的持續放電和打火現象，嚴重時更會燒損鋼軌，必須引起足夠的重視。文章針對實際工程中存在的鋼軌絕緣破壞問題，從絕緣件設計改型、安裝工藝、運行環境等方面探討改進措施。

2 絕緣破壞現象

某城市軌道交通工程線路進入試運營階段后，運營車輛司機報告在行車方向前方道岔處道岔連桿和鋼軌間發生打火現象。經現場調查，發現道岔與鋼軌的固定梁?L?型連接組件的絕緣板與螺栓處存在黑褐色電熔損痕跡，如圖?1?所示。

圖1 L 型軌岔連接組件外觀圖及熔損位置圖

現場觀察初步判定絕緣板材質為電工膠木，其正常絕緣水平應遠高于鋼軌的預期電位，從該站變電所內調取鋼軌電位限制器數據，發現最高鋼軌電位僅為?69?V，且鋼軌電位限制器并未合閘，即鋼軌沒有主動接地。現場使用萬用表測量發生打火部位的鋼軌與臨近接地扁鋼之間的絕緣電阻，測量值為?0?Ω，顯示鋼軌存在接地情況；再使用微歐計測量發生打火部位的鋼軌與道岔固定梁之間的過渡電阻，測量值在?121～319?mΩ之間。因此，判斷此處鋼軌和道岔固定梁之間的絕緣已被破壞，鋼軌通過?L?型軌岔連接組件、道岔固定梁與大地發生了短接。最高鋼軌電位為?69?V，平均過渡電阻為220?mΩ，利用歐姆定律進行最高短路電流估算為：

式（1）中，I軌岔為鋼軌與道岔連接部位絕緣被破壞后形成的鋼軌對地泄露電流，A；V鋼軌為鋼軌電位，V；R過渡為鋼軌與道岔連接部位絕緣被破壞后的剩余過渡電阻，Ω。該計算電流足以使絕緣破壞部位產生打火和熔損現象。故初步推斷該處不是由于鋼軌電位超過絕緣板額定耐壓值造成的絕緣破壞，而是由于絕緣間隙附著雜物，或?L?組件內部碰鐵造成的局部接地導致絕緣熔損。

道岔施工單位現場配合工作人員拆除了改組的?L?型組件。如圖?2?所示，絕緣破壞處為螺栓對L?型鐵螺孔側邊和下墊板處，上述?2?處位置發生絕緣破壞導致鋼軌對地發生低電壓直流持續短路，從而使絕緣板螺栓孔、螺栓與絕緣板安裝位置等高處發生了燒損。此外，絕緣板上原有的?2?個安裝孔中靠鋼軌外側的安裝孔燒損更加嚴重，而這個部位恰恰較容易富集雜質和污物。此外，圖?2?中絕緣板熔損形貌有別于絕緣擊穿后的缺陷形貌，而是持續短路放電熔損的典型形貌，由此也印證了上文的推斷。

圖2 L 型軌岔連件螺栓及絕緣板熔損情況

3 原因分析

經現場調查及上述分析，認為發生該種熔損的主要原因是絕緣破壞導致的鋼軌放電，而確定?L?型軌岔連接組件裝配后的主要界面及其屬性則是進行問題分析的前提條件。L?型軌岔連接組件裝配后的各種界面見圖?3，裝配后的?L?型絕緣組件主要分為?2?類界面，一類為非絕緣界面，另一類為絕緣界面。其中?A、B、C?為非絕緣界面，D、E、F、G、H、I、J、K?均為絕緣界面。當絕緣界面的絕緣發生破壞時，則會形成如圖?4?所示的短路回路并持續燒損?L?型軌岔連接組件。導致?L?型軌岔連接組件絕緣破壞的原因存在以下?3?種可能。

圖3 L 型軌岔連接組件裝配及界面示意圖

圖4 L 型軌岔連接組件放電回路示意圖

3.1 漏裝絕緣套筒

現場調查時未發現絕緣套筒及熔損殘渣，且觀察螺栓熔損部位及形貌，該處絕緣破壞后在絕緣套筒位置放電最為劇烈，熔損最為嚴重。因此，本次短路燒損可能是由于漏裝了靠外側的絕緣套筒，導致?H、I?絕緣界面消失，螺栓桿直接碰觸接地的道岔下固定梁而引發的短路燒損。

3.2 安裝不當

螺栓及絕緣套筒安裝位置不正，導致螺栓與道岔固定梁直接碰鐵短路。該種情況在現場沒有直接檢查到存在的證據，但是通過觀察?L?型連接組件結構可知存在此種情況的可能性。此種原因造成的短路燒損形貌和漏裝絕緣套筒的短路燒損形貌相似。

3.3 絕緣污染

絕緣板熔損最嚴重的部位在靠近鋼軌外側的安裝孔上，該處最易形成雜物堆積而破壞絕緣。現場調查時發現該處道床存在較多的淤積物（圖?5），故能確定該絕緣破壞部位在早期曾經發生過道床漫水現象。因此，本次短路燒損亦可能是由于在?H、I、J、K?界面之間留存了大量低組織的污物，從而導致上述界面處發生短路放電。

圖5 道床漫水后的淤積物

4 改進措施

4.1 絕緣件設計改進

對絕緣組件進行適當改進，提高裝配精度和絕緣效果。如圖?6所示，適當加大上下絕緣板、道岔固定梁角鋼安裝孔的孔徑，孔徑取值為絕緣套筒的外徑；在?L?型軌岔連接組件上墊鐵下部、下墊板上部安裝孔位置進行深度為?2～5?mm?的同心擴孔，擴孔直徑也為絕緣套筒的外徑；絕緣筒材質改為尼龍套管，長度適當延長為裝配后可插入上墊鐵下部、下墊板上部安裝孔的擴孔區內。采用此種改型方式可完全杜絕因外部污染而導致的螺栓與道岔固定梁角鋼之間的絕緣破壞。

圖6 L 型軌岔連接組件改進方案示意圖

除此之外，改進后的?L?型軌岔連接組件絕緣套筒提高了對裝配精度的要求。若組件安裝不正將直接導致絕緣套筒無法安裝就位，將在組件外觀上看到明顯的安裝縫，從而提醒施工人員進行調整，既可以杜絕因安裝工藝不到位帶來的絕緣破壞風險，同時大大降低了因絕緣污染而導致絕緣損壞的可能。

4.2 控制 L 型組件的安裝工藝

若道岔的底固定梁安裝不正，則勢必造成?L?型連接組件安裝時形成過大的安裝縫隙，不利于絕緣。因此，在安裝前應首先確保道岔的底固定梁安裝位置端正，其上表面應與安裝軌的軌腰盡量成?90°夾角，保證?L?型組件及上下墊鐵能安裝平整、密貼；然后仔細清理安裝部位存在的各種雜物，尤其是從底部上穿螺栓時應避免帶起道床雜物至安裝孔中。同時應注意檢查各類絕緣零件裝配到位，上下絕緣板安裝后應檢查絕緣套筒上下沿是否與上下絕緣板密貼，避免道岔固定角鋼安裝孔邊緣插入絕緣板和絕緣套筒之間縫隙的情況發生。

4.3 道床清理、防止積水

再好的絕緣也怕污染，因此在施工安裝前后做好道床的淤積物清理并防止道床漫水在很大程度上可減少此類絕緣破壞的發生。或者在?L?型組件安裝時，適當地在絕緣界面上涂抹高粘度的絕緣油脂，可以防止水浸入絕緣界面間的縫隙導致絕緣破壞。

5 其他注意事項

L?型軌岔連接組件安裝后會形成非絕緣界面和絕緣界面，其中非絕緣界面中的?A?界面尤其關鍵，其為?L?型鐵和軌腰的連接部位。若該界面接觸不良，將導致?A?界面放電，直接燒傷鋼軌，這將大大威脅行車安全。因此，任何與鋼軌直接連接的組件、附件必須保證與鋼軌的接觸部位形成良好的金屬性接觸，確保一旦發生絕緣破壞，熔損部位不會發生在鋼軌或與鋼軌直接接觸的部位，從而保護鋼軌。

6 結論

鋼軌是城市軌道交通車輛安全運行的重要保障，鋼軌絕緣損壞將影響運營安全。文章從運行環境、鋼軌附件安裝工藝及提高附件裝配結構合理性等多方面入手，針對實際工程中存在的鋼軌絕緣破壞問題提出改進措施，從而最大程度地保護鋼軌，減少絕緣破壞現象的發生，提高城市軌道交通的運營安全性。

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