城市軌道交通軌道與供電雜散電流接口設計研究

張立國，丁靜波

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055;2.中鐵工程設計咨詢集團有限公司軌道工程設計研究院，北京 100055)

1 雜散電流及軌道電位產生原因

城市軌道交通常用DC1500V/DC750V直流供電，牽引電流經接觸網/鋼軌送給車輛(組)，然后經軌道(鋼軌)流回牽引變電所。三軌供電時，軌道鋼軌不可能完全絕緣，必然會產生雜散電流。影響鋼軌對地絕緣主要有2個方面:(1)軌道設計絕緣值可達108Ω以上，但隨運營時間的延長，環境逐步惡化，電阻值會逐步減小;(2)從軌道安全和穩定考慮，鋼軌距道床面高度無法達到300 mm以上完全隔離的要求，因此回流磁場影響道床鋼筋結構［1-4]。在運營期間，定期清掃線路，清除粉塵、油污等，保持道床清潔干燥，有利于雜散電流防護。城市軌道交通接觸網/鋼軌回路及腐蝕見圖1。

圖1 城市軌道交通接觸網/鋼軌回路及腐蝕

雜散電流對軌道及周圍鋼筋混凝土結構產生腐蝕破壞，設計時不容忽視，應采取防護措施。軌道鋼軌是供電回路的一部分，回流時產生電流I，鋼軌有一定的電阻R值，就產生電位差V，使得鋼軌對大地有電壓(又稱軌道電位)［5]。軌道電位異常波動，軌道結構受到破壞無法正常工作，威脅列車安全，問題尤為突出。

2 雜散電流接口設計的重要性

鋼軌是供電回流軌的一部分，供電應結合沿線軌道部件布置情況，做好電連接設計，確保回流順暢，防止回流不均勻造成的軌電位異常波動而電灼傷鋼軌。特別在道岔區，結構設計復雜，應加強道岔區電連接設計。圖2為分期開通的終點車站，列車站前折返，道岔只開通側向，并在同側站臺出站。運營初期，未考慮道岔結構的特殊性，回流走行軌①、②、③、④均在道岔尖軌與基本軌位置斷開，左右股鋼軌不能同時回流，引起列車出站時回流走行軌⑤軌道電位異常大，導致鋼軌⑤被反復放電灼傷。車輛在即將通過和剛剛通過不遠時電擊鋼軌，車輛離遠后則不放電，而卻經常是同側同股鋼軌的反復灼傷，有一定的規律性和周期性，后增補道岔尖軌與基本軌電線，軌道電位基本平穩。

圖2 道岔區電連接跳線設計

軌道設計應加強絕緣，實施過程中也應有絕緣意識，有效保護絕緣不被破壞，避免似接非接現象，更應杜絕鋼軌直接接地問題。如絕緣破壞，易導致過量雜散電流接地，長期以往，腐蝕道床內鋼筋，嚴重時也造成電擊傷軌道及其他設備，影響運營安全，與回流問題不同，大多為突發事件。目前北京、上海、廣州和南京等地鐵均發生類似問題，多在減振地段、人防門、道岔轉轍機、屏蔽門等區域發生。

另外，供電電連接有焊接和脹釘栓接2種方式。焊接時由于局部高溫造成焊接熱影響區金相組織發生變化，在氣溫驟降時，北方冬季易導致鋼軌斷裂，影響安全。因此，北京地鐵管理部門要求鋼軌與電纜采用脹釘栓接，但若栓接局部腐蝕或松脫時，也會導致回流不暢問題，發生電擊傷鋼軌問題［2]。

通過對此類問題分析，逐步意識到軌道與供電接口設計的重要性，本文重點從軌道設計這方面進行闡述，并提出建議和優化措施。

3 軌道雜散電流防護技術要求

3.1 鋼軌對地絕緣性要求

《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》(CJJ49)［1]要求:(1)新建線路鋼軌對地絕緣電阻不應小于15 Ω·km，運營線路不應小于3 Ω·km;(2)回流走行軌應焊接成長鋼軌，若采用短鋼軌，應使用絕緣銅芯電纜聯結。

鋼軌通過扣件與混凝土軌下基礎聯結在一起，并為鋼軌提供絕緣性能。扣件按絕緣數量不同，分單層絕緣和雙層絕緣2種。如北京軌道交通房山線ZX-3型扣件，采用雙層絕緣，見圖3。其中絕緣層(一)由塑料套管和板下墊板組成，屬于鋼軌基礎絕緣層;絕緣層(二)是由軌下墊板和絕緣軌距塊組成，屬于雙保險絕緣層。目前城市軌道交通絕大部分扣件如ZX-2、ZX-3、DTⅢ2、DTⅥ2型及國鐵 WJ-7、WJ-8型扣件均采用雙層絕緣，優點是調整量大，適用于整體道床上鋪設。單層絕緣扣件結構簡單，造價較低，便于運營維修更換，在國鐵和地鐵應用也非常普遍，大部分應用于碎石道床，如彈條Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ型扣件、石龍橋小阻力扣件、WJ-2型扣件均為彈條直接扣壓鋼軌，只有基礎的絕緣層，屬于單層絕緣扣件。

國內外設計經驗表明，通過控制扣件單個絕緣部件性能，能保證鋼軌對地絕緣的要求。扣件絕緣電阻可采用500 V兆歐表，其中正極接鋼軌，負極接螺栓進行簡單測量，見圖3［2]。但鋪設無縫線路后，由于鋼軌電氣聯通，可參照CJJ49技術規程，在停電并斷開電氣連接后測量。

圖3 北京軌道交通房山線ZX-3型扣件絕緣設計及實測方法

3.2 道床結構鋼筋雜散電流防護

道床結構配筋即應滿足強度要求，又應作為雜散電流收集網一部分，配筋量及鋼筋聯接滿足雜散電流防護要求。各地的城市軌道交通要求基本相同，如北京軌道交通房山線對道床結構鋼筋要求:(1)上、下行軌道下的收集網鋼筋截面總和不小于3 600 mm2，每股道收集網鋼筋截面不小于1 800 mm2;(2)每個道床結構段內，在伸縮縫兩端和每隔5 m選一根橫向結構鋼筋與所交叉的所有縱向鋼筋焊接，形成一個橫向鋼筋圈;(3)在伸縮縫兩側分別設置排流網連接端子，再用2根橫截面面積為150 mm2電纜與收集網鋼筋可靠焊接，使收集網縱向貫通，見圖4。

圖4 房山線道床結構雜散電流收集網鋼筋焊接及電纜連接(單位:m)

4 軌道雜散電流防護優化建議

4.1 扣件絕緣優化設計

扣件絕緣對雜散電流防護有十分重要作用，應加強設計。扣件絕緣材料按材質分橡膠(天然橡膠、氯丁橡膠等)、塑料(聚乙烯、聚酰胺等)、纖維材料(聚氨酯TPU、聚醚脂TPEE等)三大類型。房山線ZX-3型扣件用墊板均采用氯丁膠(CR)，體積電阻率可達到106Ω，塑料套管體積電阻率可達到1014Ω，其絕緣值可達到108Ω。若采用熱塑聚酯類彈性體(TPE)，其體積電阻率可達到108Ω，可增加10倍及以上絕緣性能［3]。

由于鋼軌回流不暢時，電位異常升高可達到60 V，甚至超過120 V，電擊鋼軌緩慢灼熱絕緣材料，進而導致燃燒。房山線采用的ZX-3型扣件［8]，其塑料套管采用玻纖增加聚酰胺66(PA66)屬于熱塑性材料，其熔點達到260～290℃，按《機車車輛阻燃材料技術條件》(TB/T3138)［7]方法檢測45℃燃燒達到極難燃;參照文獻［6]，一般橡膠都是屬于易燃，只有氯丁膠氧指數(IO)可達到38～41，屬于難燃類橡膠，建議加強材料阻燃性要求。

熱塑聚酯類彈性體(TPE)由于加工簡單、性能優越，有逐步取代傳統橡膠的趨勢。在不損失各項力學性能前提下，熱塑聚酯彈性體(TPE)一般氧指數(IO)僅16～20，最大氧指數(IO)可提高至22，屬于可燃類高分子材料，因此建議開展高絕緣性、耐阻燃性的熱塑聚酯彈性體材料(TPEE)研究，增強安全防護儲備。

4.2 軌道減振優化設計

隨著城市軌道交通建設規模增大，沿線通過許多振動敏感點，軌道必須采取減振降噪措施。廠家設計的減振產品往往強調減振性能，忽視絕緣等接口設計，當軌電位異常升高時，易導致鋼軌對地產生很大的泄漏電流電擊傷軌道部件，如鋼彈簧浮置板軌道。

鋼彈簧浮置板軌道最早常采用直埋式結構，有利于配筋設計，且方便施工。但也存在一些問題:由于結構設計鋼筋多，不便于施工振搗，易造成扣件套管歪斜及損壞，局部絕緣破壞;直埋式結構軌底凈空高度不足，易導致浮置板鋼套筒與鋼軌發生電擊傷問題。針對這些問題，鋼彈簧浮置板軌道進行了優化，采用短枕式結構，并在浮置板鋼套筒上加裝了絕緣蓋板，見圖5。通過優化，提高軌道絕緣性，有利于雜散電路防護，但也增加施工難度，應加強施工后養護，防止短軌枕出現裂紋。

圖5 鋼彈簧浮置板優化設計對比

5 結論

軌道應有足夠的強度和穩定性，作為供電回流的一部分，應重視與供電設計接口，加強絕緣設計及施工過程控制，以提高雜散電流防護等級。供電也應結合沿線軌道部件布置情況，加強電連接設計，確保回流順暢，電壓均勻。只有通過軌道和供電專業密切配合，才能有效防護雜散電流，避免軌電位異常波動，破壞軌道及相關設備，確保地鐵安全、平穩、快速、舒適的運營。

［1]北京市地下鐵道科學技術研究所.CJJ49—1992 地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程［S].北京:中國計劃出版社，1993.

［2]蘇光輝.鋼軌電位過高的原因分析及解決措施［J].電氣化鐵道，2007(1):38-39.

［3]尹鵬.熱塑性聚酯彈性體TPEE性能與應用［J].化工新型材料，2006，34(3):76-77.

［4]付連著，范季陶.城市軌道交通中雜散電流的危害及防護［J].鐵道通信信號，2012，48(1):50-52.

［5]朱孝信.地鐵的雜散電流腐蝕與防止［J].材料開發與應用，1997，12(5):40-47.

［6]何道綱.高聚物的燃燒性與阻燃性［J].塑料加工與應用，1989(6):22-36.

［7]鐵道科學研究院金屬及化學研究所.TB/T 3138機車車輛阻燃材料技術條件［S].北京:中國鐵道出版社，2007.

［8]丁靜波，王菁，任樹文.北京市軌道交通房山線軌道結構設計研究［J].鐵道標準設計，2011(1):33-34.