地鐵軌道系統電阻對雜散電流的影響分析

胡 傳，畢 林

（成都地鐵運營有限公司，四川成都 610058）

0 背景

成都地鐵部分線路正線及停車場多次出現軌電位異常導致保護裝置頻繁動作。當鋼軌電位限制裝置（OVPD）長期合閘時，泄露的回流經鋼軌電位限制裝置直接進入綜合接地網，綜合接地網中雜散電流的量級遠大于道床排流網的量級，導致車輛段運用庫掛、拆地線時發生“打火”，以及車站屏蔽門、車輛段棘輪補償裝置和檢修平臺金屬護欄發生“打火”（燒灼）等現象，嚴重時可能造成設備損傷及人員傷亡（圖?1）。同時，雜散電流還對接地網與車站等金屬結構產生電腐蝕。

由于雜散電流對結構主體、管線及設備本身均具有較強的不可逆的腐蝕性和破壞性，為有效防護地鐵雜散電流，歐洲鐵路頒布了?EN?50122-2-2010《鐵路應用—固定設備—電氣安全，接地和回路—第?2?部分：克服直流牽引系統雜散電流影響的規定》；中國頒布了?GJJ?49-92《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》，規定：兼用作回流的地鐵鋼軌與隧洞主體結構之間的過渡電阻值（按閉塞區間分段進行測量并換算為?1??km?長度的電阻值），對于新建線路不應小于?15?Ω·?km，運行線路不應小于?3?Ω·?km。2014?年實施的?GB/T?30013-2013《城市軌道交通試運營基本條件》再次明確要求，新線開通試運營前，軌道專業需提供鋼軌對地電阻測試合格報告。

圖1 雜散電流造成的設備損傷及人員傷害

軌道系統作為雜散電流防護的重要一環，其設計參數是否合理及施工質量的優劣將直接影響雜散電流的收集及回收是否順暢。在城市軌道交通行業中，軌道專業一般負責整體道床鋼筋網（兼作雜散電流收集排流網）的焊接，排流網連接端子、測試端子、排流端子的預埋和參比電極安裝孔的設置、鋼軌無縫焊接等。成都地鐵針對軌道系統的鋼軌電阻、排流網電阻、扣件絕緣電阻、鋼軌對地過渡電阻?4?個參數開展了系統測試及研究工作。

1 鋼軌電阻測試

1.1 鋼軌電阻測試方案

鋼軌是雜散電流的回流通道，成都地鐵開展了鋼軌無焊縫及帶焊縫?2?種工況的鋼軌電阻測試，驗證鋼軌本身理論電阻、鋼軌無縫焊接對鋼軌電阻值的影響。

采用?4?點法測試鋼軌電阻，在?1?根鋼軌兩端通過扣軌器注入?50～150??A?電流，由毫伏表記錄?1??min?電壓噪聲信號Uoff和?1??min?鋼軌加入電流后的激勵電壓Uon（圖?2）。

L長度鋼軌電阻RL的計算方法如下：

圖2 獨立 1 km 鋼軌電阻檢測

鋼軌電阻測試采用?EN?50122-2?的測試方法，分別對鋼軌焊接前后的電阻值進行測試，鋼軌電阻RR10m計算如下：

式（2）中：UAoff、UBoff分別為記錄的?A、B?測試點1??min、10??m?鋼軌電壓噪聲的平均值；UAon、UBon分別為鋼軌注入電流后的?A、B?測試點電壓?1??min?平均值。

1.2 鋼軌電阻測試結果分析

成都地鐵正線鋼軌均采用攀鋼?60??kg/m?的?U75V?鋼軌，執行標準為?TB/T?2344-2012《43??kg/m～75??kg/m?鋼軌訂貨技術條件》，該標準未對電阻率進行規定。經咨詢鋼軌生產單位，其生產的?60??kg/m?的?U75V?鋼軌電阻率為?29.50×10-8Ω·?m（21?℃），可計算出該鋼軌不含焊縫的理論電阻為?38.09??mΩ/?km。

對于鋼軌接頭焊接阻值要求，參照?CJJ?49-92《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》，并進一步參照歐標?EN?50121-2?規定：無縫線路中鋼軌接頭電阻應小于?5??m?長完整鋼軌的電阻值。單根鋼軌每公里接頭數量一般為?40個，根據導體電阻?=（導體的電阻率×導體的長度）/?導體橫截面積，計算出每公里鋼軌焊接后含焊縫允許的理論最大電阻值：

依托成都地鐵?4?號線，選取的鋼軌樣本測試結果如下。

（1）鋼軌未焊接前（已探傷），共測試?20?組，測試環境平均溫度?21.6??℃，鋼軌最大電阻?38.03??mΩ/?km，最小電阻36.04??mΩ/?km，平均值?36.58??mΩ/?km。

（2）鋼軌閃光焊接后（已探傷），共測試?20?組，測試環境平均溫度?19.7?℃，鋼軌最大電阻?38.43??mΩ/?km，最小電阻36.12??mΩ/?km，平均值?36.75??mΩ/?km。

（3）鋼軌電阻（不含焊縫）現場實測平均值?36.58??mΩ/?km，與鋼軌理論阻值存在約?3.96%?的差異，可能的影響因素有樣本數量較小、不同批次鋼軌化學成分細微差別、測試環境細微差別、測試誤差等，但實測值與理論值差別在?5%?以內，暫且認為測試結果可被接受。

（4）鋼軌電阻（含焊縫）現場實測平均值?36.75??mΩ/?km?小于鋼軌焊接后（含焊縫）理論的最大電阻值?45.71??mΩ/?km，證明現場無縫線路中鋼軌接頭電阻小于?5??m?長完整鋼軌的電阻值，焊接質量滿足歐標?EN?50121-2及《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》對焊接接頭阻值的規定。

（5）鋼軌閃光焊接為大電流融化鋼軌材質，再通過加壓結晶、冷卻推瘤后的一種全自動焊接方式，焊接處化學成分基本與母材一致。本試驗中，鋼軌焊接成無縫線路后，鋼軌電阻值較焊接前僅增加?0.47%，鋼軌焊接前后電阻值增加并不明顯，初步驗證合格的鋼軌無縫焊接接頭對雜散電流影響較小。由于焊縫傷損樣本較少，未能將傷損焊縫與正常焊縫的電阻值進行對比。但基于既有線及新線探傷數理統計，地鐵焊縫傷損出現概率較低，可忽略其對雜散電流的影響。

2 排流網電阻

2.1 排流網電阻測試方案

地鐵整體道床內的縱橫向結構鋼筋網需按一定要求焊接，形成雜散電流主收集排流網（簡稱“排流網”），以降低整體道床內鋼筋所受雜散電流腐蝕并減少雜散電流繼續擴散。地鐵各供電分區整體道床鋼筋截面一般在?2??000～3??000??mm2之間。由于國內外鮮有對排流網的相關測試及研究，成都地鐵對排流網現場測試時機選取在道床混凝土澆筑前，在?12.5??m?長的排流網上已焊接完成的連接端子之間注入直流電流源組成回路，檢測并記錄排流網的電壓降和注入電流，計算被測排流網的電阻。現場排流網的電阻檢測分?3?種方式組成電氣回路，如圖?3?所示。

按圖?3?所示?3?種電氣回路，首先記錄在零激勵狀態下的電氣噪聲信號。記錄每種電氣回路情況下、不同電流激勵下的?12.5??m?長的排流網電阻，可得到不同電壓等級下的排流網電阻，根據得出的數據評估排流網的導通性。

2.2 排流網電阻測試結果分析

圖3 12.5 m 排流網電阻測試 3 種回路示意

（1）理論情況下，由純凈金屬鐵構成的?2??000～3??000??mm2排流網的電阻為?32.30～48.50??mΩ/?km，但由于施工用鋼筋摻雜有其他雜質及元素，加之排流網電阻測試時，電流是從測試端子注入，從另外的測試端子引出，電流并非均勻在排流網中分布、流動，故實測值將大于理論值。現場對相同施工工藝下?12.5??m?道床排流網共測試160組，測試環境平均溫度恒定在?22.5～22.9?℃之間，排流網最大電阻值?101.16??mΩ/?km，最小電阻值86.05??mΩ/?km，平均值?92.77??mΩ/?km。

（2）測試過程中，針對排流網焊接質量對排流網電阻影響也做了初步探索。測試結果表明：若鋼筋排流網焊接達到設計要求?25%?及以上焊接量時，排流網電阻值測試結果與達到?100%?設計焊接要求時相差無幾，但排流網的焊接點數量、焊接質量對雜散電流的收集及引排有直接關聯。

（3）由于雜散電流收集與排流網鋼筋截面積有關，而與道床鋼筋電阻值大小無直接關系，并不能通過測試道床排流網電阻值大小來反映道床鋼筋網綁扎及焊接水平。

綜上所述，鑒于道床鋼筋排流網電阻值對雜散電流、過渡電阻及軌電位沒有直接關系，但為形成良好的雜散電流通道，建議在施工過程及運營線測試時，對其導通進行測試。

3 扣件絕緣電阻測試

3.1 扣件絕緣電阻測試方案

地鐵軌道施工要求鋼軌對地絕緣安裝，典型的地鐵整體道床扣件（圖?4）系統中的軌下膠墊、板下膠墊、螺紋套管、軌距塊等部件在干燥條件下的絕緣電阻值應達到?108Ω以上（潮濕條件下應達到?106Ω以上）。試驗時選取具有代表性的不同批次扣件共?6?套，參照科技基[2007]207?號《客運專線扣件系統暫行技術條件》及歐標EN?13146-5-2012《鐵路應用—軌道—緊固系統的試驗方法—第?5?部分：電阻測定》進行試驗。

3.2 扣件絕緣電阻測試結果分析

（1）試驗室環境下（室溫19.8?℃，相對濕度58%），對軌下膠墊、板下膠墊、軌距塊、螺紋套管?4?個部件分別進行絕緣電阻測試。6?組試件中各部件最大電阻值?7.5×109Ω，最小電阻值1.05×108Ω，均大于設計值108Ω。但該測試結果僅代表單套扣件的單個部件測試結果，并不能完全反映整套扣件及?1??km?線路的絕緣情況，單套扣件的絕緣電阻是軌道系統絕緣、鋼軌對地絕緣的基礎。

（2）扣件系統隧道內電阻驗證性試驗：在隧道較為干燥情況下（隧道溫度20.1?℃，相對濕度小于90%），采用兆歐表測試扣件系統絕緣電阻滿足≥108Ω的設計要求；但在潮濕（相對濕度≥97%～100%）或明水工況下（如板下、軌下膠墊潮濕或有積水、大量鐵屑及塵土時），扣件系統電阻直接降低至?102～106Ω；個別單套扣件在有明水且膠墊表面雜質較多的情況下，直接出現扣件絕緣失效現象。

4 鋼軌對地過渡電阻測試

4.1 過渡電阻測試方案

鋼軌對地過渡電阻反映軌道道床排流網排流狀態，也是扣件及鋼軌系統絕緣安裝的最直接的指標。鋼軌對地過渡電阻測試目前國內普遍參照歐標?EN?50122-2?附錄?A，其測試原理如圖?5?所示。成都地鐵采取的測試方案為：測試區段長度以?3??km?為宜，可選擇在無縫線路道岔緩沖區斷開，軌縫加塞絕緣膠墊或者臨時絕緣節，確保測試區段電氣獨立。測試范圍要求左、右股鋼軌均流電纜、道床連接端子全部可靠電氣連接。新線原則上可分上、下行單獨測試，運營線路由于上、下行均已安裝均流電纜，故需將上、下行統籌為?1?個測試單元。

通過測試?A?點附近（距離注入電源點?500??m）、B?點附近（距離注入電源點?500??m）的過渡電阻以及?AC、BD?兩段的電壓UAC、UBD，計算被測量區段的末端電流IRA、IRB：

圖4 典型地鐵整體道床扣件示意圖（DZⅢ型）

圖5 鋼軌過渡電阻測試方法

式（3）、式（4）中：RA、RB分別為?A?點及?B?點附近10??m?鋼軌本身電阻，即以?A?或?B?點為中心兩端各?5??m?范圍的鋼軌本身電阻。

測量電壓時，分別測量電路斷開和閉合時的電壓值。通過U=Uon-Uoff消除噪聲信號的干擾。鋼軌對地過渡電阻表達式為：

式（5）中：RRT為單位長度的過渡電阻，Ω·?km；L為被測量區段的長度，km；I為電流源注入電流，A；IRA、IRB為被測量區段的末端電流，A；URT為電流注入點鋼軌對排流網的電壓，V；URTA、URTB為被測量區段的末端鋼軌對排流網的電壓，V。

4.2 過渡電阻測試設備與工器具

成都地鐵鋼軌過渡電阻測試所需設備如表?1?所示。

4.3 過渡電阻測試步驟

（1）選擇測試所需的測量工器具、連接電纜等，以及可實時、精確記錄電流數值的電流測試軟件、數據分析軟件等。

（2）選取長度L不大于?3??km?測量區段，并確保測試范圍道床排流網連接端子全部連接且回流通暢，鋼軌左、右股均流電流及回流電纜可靠連接，無短接、接地等異常情況。若上、下行已連接均流線纜，需將上、下行作為1個測試單位進行測試（測試長度仍保持?3??km）。

表1 鋼軌過渡電阻測試主要設備及工器具

（3）對鋼軌除銹打磨，連接線纜及并充分緊固無虛接，檢查電路是否正確，試注入電流。

（4）調試測量儀表，保證其測量結果精準。多次測試并記錄原始數據，計算取平均值。

（5）測試前應完成測試區間人員及其他雜物出清，尤其要確認鋼軌無異物或無關線纜連接。測試期間應保持電壓、電流穩定。

4.4 過渡電阻測試結果分析

（1）成都地鐵?4?號線試運營前現場多組過渡電阻測試數據表明，測試環境（特別是相對濕度）對過渡電阻測試結果影響較大：從?2016?年?8?月開始測試，至?2016年?10?月測試完成，過渡電阻最大值?252.98?Ω·?km，最小值?15.09?Ω·?km，平均值?53.69?Ω·?km。其中，鳳凰大街站—馬廠壩站區間上、下行在初期測試時因隧道內過于潮濕（相對濕度?98%，溫度?24?℃），過渡電阻值分別僅為?12.77?Ω·?km、11.26?Ω·?km，均不滿足規范要求；隧道干燥后（相對濕度?52%，溫度?20.5?℃）進行第?2?次測試，過渡電阻值達到?15.09?Ω·?km，滿足《雜散電流腐蝕防護技術規程》中“兼用作回流的地鐵走行軌與隧洞主體結構（或大地）之間的過渡電阻值新建線路不應小于15?Ω·?km”的要求。

（2）成都地鐵?4?號線及近期開通的多條線路鋼軌過渡電阻測試均表明其符合設計及規范要求規定，不是造成鋼軌電位異常升高及雜散電流增大的主要原因。

5 減少雜散電流、增大過渡電阻建議措施

軌道系統與軌電位及雜散電流息息相關。針對軌道專業設計、施工及運營環節，減少雜散電流、增大過渡電阻的措施建議如下。

（1）保證軌道系統對地有效絕緣，特別是扣件系統絕緣性能，螺紋套管、軌下膠墊、板下膠墊、軌距塊、調高墊板等電阻值應滿足設計要求。

（2）軌道設計應在以下地點設置鋼軌絕緣軌縫：停車場線路與正線線路的鋼軌之間、停車場電化股道與非電化股道的鋼軌間、停車場各電化庫線入口處的鋼軌、地鐵的運行線路與正在建設的線路區段之間、盡頭線每條軌道的車擋裝置與電化股道的鋼軌間。

（3）道床鋼筋網兼作雜散電流排流網時，被選作主排流網的結構鋼筋應均勻分布，以增加雜散電流收集效果。在穿越江河或其他富水區域時，排流網鋼筋截面積應進行合理加強；縱向結構鋼筋如有搭接，必須進行可靠搭接焊，沿整體道床縱向不大于?5??m?用?1?根橫向結構鋼筋與所有的收集監測網縱向結構鋼筋焊接；整體道床結構鋼筋與車站、隧道主體結構鋼筋不得有電氣連接。

（4）降低軌道系統本身阻抗，如盡量減少鋼軌有縫接頭并焊接成無縫線路，有條件盡可能采用跨區間無縫線路。鋼軌接頭處應進行可靠電氣連接，道岔區域采用有縫線路魚尾板連接時，2?根鋼軌之間、道岔與轍岔的連接部位應設置?2?根截面不小于?120??mm2（可加強至?150??mm2）的直流銅芯電纜。電纜與鋼軌之間應可靠連接，接頭電阻不應大于?1??m?長完整鋼軌的電阻值。

（5）鋼軌應采用絕緣法安裝，加強鋼軌對道床的絕緣以減少鋼軌泄漏電流。整體道床澆筑時，應嚴格控制混凝土道床面結構高度，確保鋼軌底部與整體道床頂面的間隙不小于?70??mm。過軌管線過軌時，必須加強過軌管絕緣處理。

（6）加強運營檢修維護及保養，保證雜散電流防護長期有效。確保隧道環境干燥，定期對隧道進行清掃及沖洗，減少鋼軌軌下膠墊及板下膠墊灰塵及鐵屑積累。定期更換軌下膠墊、板下膠墊，保證軌道系統絕緣性能。

6 結束語

為確保地鐵安全可靠運行，針對降低雜散電流、增加鋼軌對地過渡電阻等關鍵問題，建議列入地鐵建設及運營重點問題進行專題研究，采取預防性措施，積極改善運營環境，確保乘客人身安全及設備正常運行。