鐵路綜合貫通地線的結構改進

楊寶根，黑廣杰，李俊霞

（天水鐵路電纜有限責任公司，甘肅天水741000）

鐵路綜合貫通地線的結構改進

楊寶根，黑廣杰，李俊霞

（天水鐵路電纜有限責任公司，甘肅天水741000）

介紹了鐵路綜合貫通地線的結構改進過程，概述了不同護套結構貫通地線的性能及優缺點，并對其今后

貫通地線；改進過程；性能；優缺點

0 引 言

我國高速鐵路和普速鐵路上都安裝使用鐵路專用貫通地線，它能夠實現線路上各類設備的等電位連接，消除不同設備之間由于電位差而引起的安全隱患，同時避免信號線路由于電位差而產生附加干擾電流。鐵路綜合貫通地線還有一個作用就是泄放較強的工頻牽引回流和雷電電流，防止設備和人員受到傷害。

隨著我國高鐵和客運專線的快速發展和安全要求的提高，鐵路綜合貫通地線的用量越來越多，對其要求也越來越嚴格，因此，鐵路綜合貫通地線的技術要求和產品結構也在不斷地進行改進，下面介紹鐵路貫通地線的結構改進過程。

1 鉛護套結構鐵路綜合貫通地線

鉛護套結構鐵路綜合貫通地線是我國早期使用的鐵路貫通地線，其導體為符合GB/T 3956規定的第一類或第二類多股絞合銅導體，導體截面為35 mm2，導體外擠包一層厚度為1 mm左右的無縫鉛護套，其結構見圖1。鉛的熔點為327℃，密度為11.3 g/cm3，硬度為1.5，質地柔軟，體積電阻率為0.22 Ω·mm2/m。由于鉛具有良好的導電性和耐腐蝕性能，符合貫通地線的接地要求，而且鉛護套加工工藝成熟，因而，鉛護套鐵路貫通地線早期在我國和其它國家都得到了廣泛應用，而且應用時間較長。但后來研究發現，鉛屬于有毒重金屬，長期埋在土壤中會對土壤和水造成嚴重的污染，2003年，歐盟率先制定了《關于在電子設備中限制使用某些有毒物質指令》，該指令明確規定成員國將確保從2006年7月1日起，投放于市場的新電子和電氣設備不含鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯苯和多溴聯苯醚六種物質。我國鐵道部工程管理中心也于2006年2月下發了工管［2006］18號文件《客運專線綜合接地系統設計原則》（暫行），文中明確規定了鐵路綜合貫通地線應耐腐蝕并符合環保要求（鉛≤1 000 mg/kg，鎘≤100 mg/kg，汞≤1000 mg/kg，六價鉻≤1 000 mg/kg）。自此以后，該產品被禁止使用和生產。

圖1 鉛護套鐵路貫通地線示意圖

2 鋁合金護套結構鐵路綜合貫通地線

隨著國家對鉛護套鐵路綜合貫通地線的禁用，我公司率先研制了一種新型無縫“鋁鎂鋅-稀土”合金（以下簡稱鋁合金）護套鐵路綜合貫通地線［1］，該產品是在原鉛護套鐵路綜合貫通地線的基礎上，采用“鋁鎂鋅-稀土”合金護套代替鉛護套。

產品在設計時，導體仍采用符合GB/T 3956規定的一類純銅絞合導體，為增大導體與鋁合金護套的接觸面積，導體采用緊壓型，通過一道緊壓模具和一道拉拔模具，使導體結構更加緊湊，外層導體與鋁合金護套的有效接觸面積增大，從而減小接地電阻，增加泄流速度。護套選用“鋁鎂鋅-稀土”合金材料，因為這種鋁合金材料具有良好的防腐蝕性能和良好的導電性，其電氣性能和機械物理性能指標與純鋁基本相同，其熔點為660℃，密度為2.7 g/cm3，硬度較小，具有良好的延展性，其體積電阻率約為0.03Ω·mm2/m，遠小于鉛的體積電阻率，因而導電性比鉛更佳，而且耐溫等級也比鉛高。這說明鋁合金護套更能滿足鐵路貫通地線的使用要求。

由于當時的鐵路綜合貫通地線沒有統一的標準，公司設計了兩種規格的鐵路綜合貫通地線，分別是DHS 35 mm2和DHS 70 mm2。其中，DHS表示貫通地線的型號，35 mm2和70 mm2表示貫通地線的標稱截面。設計貫通地線時，按等效截面來設計銅導體和鋁合金護套的截面，例如，對于DHS 35 mm2的貫通地線，其對應的導體直流電阻應等于截面為35 mm2當量銅導體的直流電阻，要求≤0.524Ω/km。據此，當護套厚度規定為1.0 mm時，可計算出貫通地線的銅導體截面為25 mm2，鋁合金護套的截面為10 mm2。其計算公式如下：

式中：R、R1、R2分別為貫通地線的總電阻、內導體電阻和護套電阻（Ω）；S1、S2分別為貫通地線的內導體和護套的截面（mm2）；ρ1、ρ2分別為貫通地線的內導體和護套的體積電阻率（Ω·mm2/m）；L為貫通地線的長度（m）。

因為鋁合金的熔點溫度高，很難采用擠包鉛護套的加工工藝來生產鋁合金護套，我們采用了連續擠壓包覆的加工工藝來生產鋁合金護套［2］。通過改進擠壓輪、模具等工裝，經過近半年的反復摸索和試制，最終生產出無縫鋁合金護套鐵路綜合貫通地線，首次的生產長度為5 km。產品生產出來后，還要對該產品的耐腐蝕性能和環保性能進行測試，因為鋁合金在連接擠壓過程中，要經過600℃的高溫區，測試目的是檢驗鋁合金經過加工以后的各項性能指標是否會降低。于是，我們委托中科院上海冶金研究所對鋁合金護套貫通地線進行了耐酸性土壤、耐堿性土壤和模擬土壤介質的NS4溶液腐蝕性測試，并與鉛護套鐵路貫通地線進行了對比試驗，試驗結果見圖2～圖4。

圖2 試樣在格爾木鹽漬土壤中的腐蝕圖

圖3 試樣在鷹潭酸性土壤中的腐蝕圖

根據測試結果，中科院給出了如下結論：

（1）在格爾木鹽漬土壤中，鉛護套鐵路貫通地線的平均腐蝕速率約為0.490 mm/a，而鋁合金護套鐵路貫通地線的腐蝕速率小于3×10-3mm/a；

圖4 試樣在NS4水溶液中的腐蝕圖

（2）在鷹潭酸性土壤中，鉛護套鐵路貫通地線的平均腐蝕速率約為0.062 mm/a，而鋁合金護套鐵路貫通地線的腐蝕速率小于5×10-3mm/a；

（3）在模擬土壤介質的NS4溶液中，鉛護套鐵路貫通地線的平均腐蝕速率約為5×10-3mm/a，而鋁合金護套鐵路貫通地線的腐蝕速率小于5×10-4mm/a；

（4）在兩種土壤中和在NS4水溶液中，鋁合金護套鐵路貫通地線的腐蝕速率比鉛護套鐵路貫通地線的腐蝕速率要小得多。

另外，我們還委托通標標準技術服務（上海）有限公司化學試驗室對鋁合金護套的重金屬含量進行了測試，測試結果見表1。

表1 鋁合金護套有害物質測試結果

從表1可以看出，鋁合金護套鐵路貫通地線的環保性能符合國家規定。

鋁合金護套鐵路貫通地線研制成功后，很快在鐵路上得以推廣和使用，但鋁合金護套因其獨特的加工工藝和特殊的加工設備而難以在其它廠家得到生產推廣，但以導電塑料護套為代表的鐵路貫通地線卻很快在大多數生產廠家得到推廣生產。

其實上述現象我們認為這是人的心理認知機制決定的。我們生活中，會無時無處都處在各種各樣的活動之中，日久天長，我們形成了各種各樣的意象圖式，說話時，我們組織語言就應按照“主謂賓”這順序來組織語言，定義“手指”時我們會提及“手”。“A了(嘞)個B”式網絡語我們根據舊有的語法經驗和語言知識的積累可以明白其準確的含義，排除了不規則的邏輯和語法帶給我們的干擾性。

3 導電塑料護套鐵路綜合貫通地線

該產品也是在鐵道部禁用鉛護套鐵路貫通地線以后研發的一種產品。導電塑料貫通地線的結構是在內導體上擠包一層防腐蝕導電塑料護套，其導體結構與鋁合金護套貫通地線的結構相同，導電塑料的熔點為180℃，密度為1.2 g/cm3，體積電阻率為0.6Ω·mm2/m。對目前使用的導電塑料護套的環保性能指標進行測試，測試結果見表2。

表2 導電塑料護套環保性能測試結果

從表2可以看出，導電塑料的環保性能符合要求。

導電塑料護套貫通地線的型號為DH，規格為35和70，表示貫通地線的內導體截面分別為35 mm2和70 mm2。技術條件對內導體的直流電阻值進行了規定。

導電塑料護套鐵路貫通地線的導體設計相對簡單，內導體的直流電阻只需符合要求即可，護套只考慮厚度滿足要求便可。

導電塑料護套鐵路貫通地線的加工工藝相對簡單，導體為普通的絞合導體，護套可采用塑料擠出機擠出加工。由于導電塑料黏度大，硬度高，采用一般的螺桿生產比較困難，經反復試制，采用長徑比為20∶1的低壓螺桿。與鋁合金護套鐵路貫通地線相比，導電塑料貫通地線具有如下特點：電纜較柔軟，施工方便；具有良好的耐土壤腐蝕性；加工工藝簡單，容易被生產廠家采用并推廣。

導電塑料護套鐵路貫通地線研制成功后，很快在國內的鐵路上得到使用推廣，而且被鐵道部質檢中心列為CRCC認證產品，因此，該產品在鐵路上的使用量遠大于鋁合金護套貫通地線。但其有以下缺點：

（2）耐溫等級低，在100℃時就開始變軟，而且導電性也急劇下降，因此不能承受較大的短路電流和雷擊電流。

正是由于上述缺點，導電塑料護套貫通地線在使用不久就接連出現失火事故。專家們對失火原因進行了調查和分析，并得出如下結論：一是導電塑料護套貫通地線瞬間泄流不夠，在遇大電流通過時易出現護套燃燒現象；二是長時間使用，高分子材料護套存在不同程度的老化和劣化情況，導電率下降；三是高分子材料護套的電阻率遠高于金屬護套的電阻率，不利于地線的泄流。鑒于這種原因，鐵道部運輸局出臺了［2012］359號文件《鐵路部運輸局關于規范貫通地線運用的通知》，通知中明確規定：“為規范貫通地線材質，確保高鐵運行安全，從即日起，普速鐵路和客專線路的綜合貫通地線，必須使用外護套為金屬護套或合金護套制造、并具有耐腐蝕性能的貫通地線，尚未招標采購的工程項目一律不得使用導電塑料護套貫通地線”。自此以后，導電塑料護套貫通地線退出了歷史舞臺。

4 銅合金護套鐵路貫通地線

鐵道部禁止使用導電塑料護套貫通地線以后，于2012年出臺了TJ/DW 142—2012《鐵路貫通地線暫行技術條件》，該技術條件對鐵路貫通地線的導體和護套的技術要求作了詳細的規定。其中，導體的截面為35 mm2和70 mm2，合金護套為無縫護套，其厚度為1.0 mm，20℃體積電阻率≤0.09 Ω·mm2/m，其他技術指標要求見表3。

表3 銅合金護套技術指標

根據暫行技術條件的要求，我們對貫通地線的護套材料進行了篩選，能夠同時滿足抗拉強度≥260 MPa和20℃體積電阻率≤0.09Ω·mm2/m的材質很有限，鋁及鋁合金材料的抗拉強度達不到要求，紫銅的抗拉強度和耐腐蝕性不能滿足要求，而銅合金材料中，黃銅和鈹青銅的體積電阻率、抗拉強度和耐腐蝕性可滿足要求。

鈹青銅是一種含鈹銅基合金，具有很高的機械強度和耐磨性，導電性和導熱性好，能夠抵抗各種酸堿的腐蝕，同時易于加工，是制作鐵路貫通地線的理想材料。但鈹青銅在檢測中發現含有氰化物，有可能對人體或環境產生二次傷害，因此，采用鈹青銅的方案暫被擱置。

另一種材料是黃銅，從黃銅合金材料中，我們選取了H65黃銅（M），H65黃銅具有良好的導電性能，電阻率≤0.075Ω·mm2/m；良好的機械物理性能，抗拉強度≥290 N/mm2，斷裂伸長率≥40%；具有良好的耐土壤腐蝕性，可滿足鐵路貫通地線的使用要求。H65黃銅的化學成份見表4。

表4 H 65黃銅的化學成分表 （單位：g·kg-1）

從表4中可以看出，H65型黃銅的環保性能符合表3的要求。

由于黃銅比較硬，強度大，熔化溫度高，因此，采用連續擠壓包覆的方式生產難度很大，目前國內還沒有見到采用此方法生產黃銅護套或黃銅管的文獻報道；另一種方案是采用連續縱包焊接工藝，由于銅合金護套的厚度為1.0 mm，且硬度大，變形困難，采用傳統的縱包焊接工藝很難實現，因此，須對成型裝置進行改進。通過對成型裝置、拉拔模具和焊接工藝進行改進，最終實現了黃銅合金護套鐵路貫通地線的生產。但采用這種工藝生產鐵路貫通地線還存在一些問題：一是生產速度慢，生產效率低；二是生產出的產品，合金護套與內導體之間難免會存在間隙，這種間隙會使鐵路貫通地線在使用過程中，內導體與護套之間出現打火現象，長期打火會損傷鐵路貫通地線，因此，在生產過程中必須對護套進行拉拔處理，消除地線與護套之間的間隙。由于采用了拉拔工藝，鐵路貫通地線就會出現加工硬化，變得很硬，給施工帶來很大不便，因此，在生產過程中還須增加退火和酸洗。退火的目的是讓鐵路貫通地線變軟，酸洗的目的是清洗鐵路貫通地線表面的氧化膜和雜質，使其表面變得光亮，增加產品的使用壽命。

銅合金護套鐵路貫通地線研制成功后，經鐵道部產品質量監督檢驗中心進行各項性能指標測試，全部符合鐵路貫通地線的使用要求，該產品很快在鐵路上得到推廣應用。目前，我國鐵路上使用的鐵路貫通地線都是采用連續縱包焊接工藝生產的。

5 結束語

鐵路貫通地線從早期的鉛護套結構發展到目前的銅合金護套結構，已經過了幾次結構設計的改進，使得鐵路貫通地線的結構和性能更加符合要求。但目前采用連續縱包焊接工藝生產出的鐵路貫通地線，護套上存在一條焊縫，這與TJ/DW 142—2012《鐵路貫通地線暫行技術條件》中規定的無縫合金護套相矛盾。另外，由于焊縫的存在，難免會出現焊縫不牢、漏焊、氣孔等缺陷，潮氣或水可能滲到內導體中，導致內導體被氧化或腐蝕，影響產品的性能甚至出現事故。因此，應尋找一種新的生產方法來生產無縫護套的鐵路貫通地線，從而進一步提高鐵路貫通地線的產品質量，以滿足快速發展的鐵路運輸的要求。

［1］ 魏大章，曹琦.環保型鐵路貫通地線的設計和研究［J］.電氣化鐵道，2007（2）：43-45.

［2］ 丁賢軍.鋁連續擠包機在鋁合金護套貫通地線生產中的應用［J］.電線電纜，2007（4）：19-20.

The Structure Im provement for Railway Composite Through-Line Ground W ire

YANG Bao-gen，HEIGuang-jie，LIJun-xia
（Tainshui Railway Cable Co.，Ltd.，Tianshui741000，China）

Introduced the improvement process of the composite through-line ground wire used in railway.summarized the properties and the advantages and the shorts of each sheathed-structure through-line ground wire.Proposed improvemethods for future development about through-line ground wire.

through-line ground wire；improvement process；properties；advantages and shorts

TM246.9

：A

：1672-6901（2016）06-0008-05

2016-08-19

楊寶根（1975-），男，高級工程師.

作者地址：甘肅天水市秦州區堅家河4號［741000］.

的發展提出了改進意見。