一種新型軌道交通供電回流電纜與鋼軌連接方式

劉勝林

摘要：介紹國內軌道交通供電電纜與鋼軌的主要連接方式，并進行比選。在總結焊接和栓接方案的基礎上，引入介紹一種新型連接方式，低溫釬焊銅排。

關鍵詞：電纜與鋼軌連接；低溫釬焊；銅排

0.引言

目前，國內的連接方式有焊接和栓接兩種基本型式，應用的城市和運行經驗也都比較豐富。總體而言，只要施工工藝控制得當，兩種基本連接方式都能滿足供電系統的運行要求。具體結合不同的地區環境、現場操作難易程度、施工質量控制、運營使用習慣等情況，不同的地鐵項目也反映存在一些問題。

1.國內軌道交通電纜與鋼軌連接方式

1.1放熱焊

放熱焊是從國外引進直接應用的焊接方法，其原理是通過鋁與氧化銅的化學反應（放熱反應）產生液態高溫銅液和氧化鋁的殘渣，并利用放熱反應所產生的高溫來實現高性能電氣熔接的現代焊接工藝。武漢輕軌、北京地鐵、上海地鐵、南京地鐵等均采用。

根據目前國內地鐵的做法，均回流電纜與鋼軌的焊接連接方式分為兩種，一種為電纜銅芯與鋼軌的放熱焊接，一種為銅排直接與鋼軌的放熱焊接，線纜再與銅排上的螺栓孔連接。

銅排與鋼軌直接焊接的方式，由于多根電纜連接到銅排后，受力較大，且處于頻繁的鋼軌低頻振動下，容易造成焊接處發生脫落甚至是斷裂，目前已經基本淘汰。單根電纜焊接方式連接穩定可靠，過渡電阻小，且結合面無腐蝕。經過長期的運營后，過渡電阻變化很小。但是從國內實施的情況來看，放熱焊工藝容易對鋼軌產生馬氏體組織，導致鋼軌局部區域脆化，造成鋼軌損傷。

1.2電弧焊

電弧焊是利用電弧放電所產生的熱量將焊條與工件互相熔化并在冷凝后形成焊縫，從而獲得牢固接頭。此種連接方式在廣州地鐵、北京地鐵有采用。

由于單根電纜外徑較大，先將單根的軟電纜分成三股，每股電纜都進行編扎，編扎后的末端使用終端頭固定，再將終端頭焊接至鋼軌腰部。采用電弧焊工藝的優點是無需對鋼軌溫度預熱，低溫下可操作。由于是點焊，回流電纜還需分成幾股分別與鋼軌焊接。這樣造成了電纜與鋼軌的連接點多，占用鋼軌長度長，個別點如果松脫不易發現，且連接強度不高，容易造成回路電阻增大，回流不暢。該連接方案目前僅在廣州地鐵有少量采用。

1.3脹釘栓接法

脹釘式栓接的主要原理：壓接。將脹釘裝入鉆好的孔中，利用液壓拉鉚機將銅脹套全表面密壓于鋼軌的孔壁上，再用防松螺母將電纜線鼻子通過螺桿與銅脹套壓接上緊。這樣一來，脹釘與電纜線鼻和鋼軌通過機械方式緊密連接，以達到電纜線鼻、脹釘及鋼軌之間的低阻值的電流傳輸。這三者之間的貼合面即為電流傳輸的接觸面，如圖1-4脹釘法栓接工藝照片所示。

栓接方式需要在鋼軌上打孔，對鉆孔直徑和打孔間距都有嚴格的要求。栓接方式近期可以滿足過渡電阻不大于1米長（標準60kg鋼軌）鋼軌電阻值的要求，但是由于栓接方式存在松動、銹蝕等問題，所以在列車頻繁振動的情況下，可能會造成螺栓接頭處電阻增大，進而抬高鋼軌電位。參考國外試驗報告表明，運營一段時間后，采用栓接方式的連接處在長期低頻振動條件下或連接件銹蝕等原因會導致過渡電阻略微增大。該連接方案在北京地鐵、天津地鐵、青島地鐵、沈陽地鐵及長沙地鐵均有應用。

1.4塞釘法

塞釘法原理：擠壓。通過外力將錐形塞釘強行釘入到鋼軌鉆孔中。在電氣化鐵路供電系統回流中使用較多。地鐵里的使用條件較特殊，電壓等級低，回流電流大。鋼軌作為回流軌使用，為了降低鋼軌電位，減少雜散電流腐蝕以及旅客觸電事故的發生，要求鋼軌回路的電阻應盡量小。若采用塞釘方式，由于鉆孔與塞釘是錐形接觸，接觸電阻值不易達標，容易造成連接處發熱燒損，影響回流路徑的暢通。

2.連接方式的比選

從上述分析可以看出，焊接與螺栓連接方式各有優缺點。從滿足供電系統功能以及便于運營維護方面而言，焊接較好，但是存在施工工藝復雜，對鋼軌材質具有一定要求的缺點。

3.新型連接方式-低溫釬焊銅排

天津地鐵、深圳地鐵早期嘗試過將銅排與鋼軌直接進行螺栓連接，連接時先將鋼軌表面進行打磨光滑，并在二者接觸面涂上導電膏，然后再用螺栓緊固。由于鋼軌軌腰表面并非規則的平整面，傳統螺栓連接銅排與鋼軌機械結合存在間隙，隨著溫度升高和運行時間推移，導電膏失效，鋼軌振動和氧化加劇，導致接觸電阻加大，從而出現發熱和放電現象，給鋼軌帶來一定的損傷。

在上述問題基礎上，經過研究改進，近幾年個別城市地鐵出現了采用通過大面積低溫（≯350℃）釬焊工藝和電氣連接脹釘栓接工藝結合的連接方式。

首先根據載流量要求，選用規格合適的“L”型銅排，通過兩個電氣脹釘栓接固定在鋼軌上。安裝前，同樣先對鋼軌的接觸面進行打磨除銹。銅排與鋼軌間設置了密封條，釬焊時，釬劑在加熱熔化后流入焊件的間隙，同時熔化的釬劑與母材表面發生物化作用，從而清凈母材表面，為釬料填縫創造條件。隨著加熱溫度的繼續升高，釬料開始熔化并填縫，釬料在排除釬劑殘渣并填入焊件間隙的同時，熔化的釬料與固態母材之間發生物化作用。當釬料填滿間隙，經過一定時間保溫后就開始冷卻、凝固，完成整個釬焊過程，從而達到銅排與鋼軌無間隙連接。

4.結束語

低溫釬焊銅排相比放熱焊接，降低了施工工藝要求，對鋼軌本體的影響也大大減少，同時又保留了焊接的特性，通過釬劑填補了鋼軌與銅排之間的空隙，并增加了導流截面，使得電氣回流通路上的接觸電阻值能夠滿足供電系統的要求。除了電氣性能滿足要求外，在疲勞振動性能要求上也能夠滿足地鐵里持續的低頻振動的運行工況要求。它作為一種新型電纜與鋼軌的連接方式，值得關注和研究。

【參考文獻】

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