淺談成都地鐵7號線均回流電纜脹釘連接方式應用

楊星星+榮立智+李強

摘要：目前成都地鐵既有線路均回流電纜連接主要以放熱焊接為主，隨著國內其他地鐵公司線路出現放熱焊接連接導致的軌道燒傷、重傷等安全隱患，成都地鐵7號線在新線施工建設中，采用了脹釘連接方式取代放熱焊接，避免上述類似安全隱患，提高設備運行質量。本文結合脹釘連接安裝及優缺點進行簡單分析闡述，提出了幾點安裝注意事項及優化建設，為后續均回流電纜脹釘安裝、驗收及運營維護提供參考經驗。

關鍵詞：均回流電纜；放熱焊接；脹釘連接

1 概述

隨著軌道交通快速發展建設，國內地鐵對高壓供電牽引系統的安全、優質、可靠等方面的要求越來越高，其中均回流電纜與鋼軌連接安裝質量，不但直接影響地鐵直流牽引供電回流不暢、打火，嚴重時可能造成軌道燒傷、跳閘等設備故障。

目前成都地鐵運營線路均回流電纜連接方式主要是以放熱焊接為主，隨著放熱焊方式在國內其他地鐵線路出現重傷鋼軌，嚴重影響運營安全后。如北京地鐵8號線及13號線運營中出現電纜與鋼軌焊接部位鋼軌重傷，深圳地鐵3號線放熱焊脫焊放電，拉弧造成軌道損傷等情況。為避免類似情況在成都地鐵后續新線出現，成都地鐵7號線采用了脹釘連接方式，文中對該連接方式優缺點和應用進行分析探討。

2 放熱焊連接

放熱焊連接主要是利用銅的氧化物，在一定溫度條件下（約1100C°及以上），發生還原反應，將銅置出來，變成高溫金屬銅溶液，在特定模具的包裹下，將需要焊接的兩種金屬熔接在一起，形成穩固的分子結合連接。但因銅及其合金的導熱系數、線帳系數和收縮率大小不同，焊接過程中分子移動伸縮變化不一致，加上焊前鋼軌預熱和焊后保溫難，焊后冷卻速度快，使之易出現氣孔和未融合缺陷，導致融合連接處過熱產生較多的電腐蝕化合物，使鋼軌含碳量提高，變硬、變脆，在焊接處應力、鋼軌長期振動及熱脹冷縮作用下，出現鋼軌與電纜焊接部位脫焊，導致燒傷及重傷鋼軌等情況。

且在焊接過程中，首先模具、焊藥成本相對較高，施工時間長，后續既有線換軌及放熱焊接作業無法交叉施工，很難在一個計劃作業點內完成整個施工作業；其次焊藥屬于易燃易爆物品，不方便保存運輸，不便檢查監控質量優劣；再次焊接過程中屬于明火作業，作業風險較大，且過程中溫度較高易對鋼軌造成燒傷，最后放熱焊接受鋼軌外表及環境溫度影響較大，焊接質量易受到影響。

3 脹釘連接

3.1脹釘連接簡介

脹釘連接是軌道交通專用脹釘將地鐵供電均回流電纜與鋼軌連接，單套脹釘包括鍍錫銅套、不銹鋼螺栓、墊圈、平墊片及自鎖螺母。安裝方式是通過專用配套鋼軌鉆孔機進行鋼軌鉆孔、去毛刺，其次用專用配套液壓拉鉚機將鍍錫銅套安裝在鋼軌孔內拉鉚鎖緊，再次用螺栓將均回流電纜銅接線端子連接緊固，最后在導線焊接部位（包括鋼軌研磨面）及導線端子表面，進行防銹處理，在連接的地方涂防銹黃油即可，詳細安裝步驟如下圖所示。

3.2 脹釘連接安裝注意事項

鉆孔前要做好準備工作，將鉆孔機固定在鋼軌已打磨處，鉆孔位置必須在鋼軌中軸線上，距離軌縫及孔間距離要滿足相關軌道技術要求，建議鉆孔位置距離軌縫不小于800mm，孔間距離不小于200mm；其次鉆孔過程中要注意一直加水進行冷卻，防止鉆頭溫度過高及卡滯；再次脹釘安裝過程中要注意銅套拉鉚方向，由線路外側向內進行，避免與接線端子接觸導流銅套管方向安裝錯誤；最后要注意使用配套的電纜接線端子，該接線端子要與鋼軌彎曲外表面配合，方便后續電纜安裝固定，避免接線端子與軌道導流燒傷鋼軌。

圖4 脹釘連接均回流電纜效果圖

4 脹釘連接可行性分析及優缺點對比

4.1 脹釘連接可行性分析

7號線均回流電纜通過在鋼軌軌腰處開孔（尺寸為Φ19）安裝，并使用配套的脹釘拉鉚后通過不銹鋼螺栓連接，緊固力矩要求為86N.m，并使用電纜卡子固定均回流電纜，安裝緊固后做抗拉抗震防松測試，試驗后電纜連接牢固，機械性能滿足設計要求。并通過過渡電阻阻值專項測試檢驗脹釘安裝電氣性能，通過現場實測脹釘與鋼軌連接處電阻阻值為22uΩ，未見有明顯的溫升發熱變色現象，能較好滿足導流要求。同等環境條件下實測1m完整鋼軌的電阻值為51uΩ，連接過渡電阻小于1m鋼軌電阻阻值，滿足雜散電流防腐蝕系統施工設計要求。

4.2脹釘連接優缺點對比

脹釘連接主要優點是脹釘銅套能與鋼軌孔內表面緊密壓接不留空隙，抗氧化、接觸面大、接觸電阻小、導流效果較好等。該連接方式主要通過電纜接線端子與銅套管形成電流通路，不通過螺栓導流，從而避免了螺桿導流不暢燒傷鋼軌的隱患；其次脹釘連接操作簡單，施工安裝及后續維護簡單便捷，耗時較短，連接穩定可靠，可定期進行連接緊固檢查維護，避免出現脫焊及脫落等情況；再次脹釘連接的均回流電纜連接端子可提前預制壓接，節省現場作業時間，且在后續既有線維護改造時接線端子可重復利用，節約維護成本。缺點主要是鋼軌岔心處無法打孔使用脹釘連接，線路均回流電纜脹釘連接無法全部覆蓋；其次是需要配置相關安裝工具，前期投資較大，且鋼軌鉆孔配置的高精度空心鉆頭及成套脹釘成本較高。

通過現場作業試驗，簡單統計對比目前常用的放熱焊接、光焊及脹釘連接作業消耗成本，放熱焊接一條電纜消耗2套焊藥，其成本約400元，光焊一條接續電纜至少需要消耗六套磁環和銅子彈，其材料成本約100元左右，但焊接成功率較低，脹釘連接消耗脹釘兩套其成本約300元。綜合維護成本、日常操作及可靠性等方面對比分析，脹釘連接方式要優于其他兩種，詳細的作業材料成本對比見下表1所示：

5 脹釘連接優化建議

5.1岔心處加設連接軌孔

受鋼軌岔心結構及材質影響，其一岔心處軌道厚度較正線鋼軌較厚，配置鋼軌鉆孔的空心鉆頭行進行程長度不足；其二岔心鋼軌外形成不規則形狀，無法與鉆孔機固定模具匹配固定，導致鉆孔機與軌道無法固定，鉆孔位置易出現錯位偏差；最后因岔心處鋼軌材質含錳成份較高，鋼軌強度較硬，鉆孔較難及耗時較長，導致脹釘連接方式在岔心處無法直接連接使用。根據以上分析，改進消除脹釘連接該缺陷，建議鋼軌岔心在廠家生產制造時，充分考慮相關專業接口，配置預留與均回流電纜脹釘連接的鋼軌孔洞，如下圖岔心位置所示，將該位置孔洞加大滿足均回流電纜連接尺寸即可。

5.2脹釘銅套管材質設計優化

考慮鋼軌材質與脹釘導流套管銅材質不一致，導流能力不同，且在熱脹系數及導熱等方面均存在差異，為避免不同材質直接連接導流產生的電化學腐蝕，導致導流性能下降，溫升變化加劇影響導流最終受熱脹冷縮及內部應力作用下造成連接部位出現縫隙及連接松動等，進而燒傷鋼軌內部造成軌道重傷。建議脹釘銅套管可參考電連接銅鋁過渡端子設計，設計改良成合金部件，內部材質與鋼軌相同，外部為銅材質，通過特殊工藝一次成型為一個有效可靠的導流過渡連接件。

5.3鋼軌預設脹釘連接軌孔

通過前期脹釘連接安裝施工及消耗成本分析，脹釘連接安裝主要分為兩大步，首當其沖即是鋼軌鉆孔，耗時較長，占整個脹釘連接均回流電纜施工作業時長的70%左右，且還需要耗費大量資金購置配套的鋼軌鉆孔機及空心鉆頭，并加重作業過程中工具器及材料的準備搬運，因此為縮短脹釘連接施工時間，節省前期鋼軌鉆孔及配套鉆口運營維護成本，提高作業效率，建議運營采購鋼軌備件時要求在軌道連接處原有基礎上預設均回流連接孔洞，使用防銹防污措施密封保護，在后續換軌作業時，可直接使用，方便快捷。

6 小結

脹釘連接方式避免了放熱焊接可能導致的脫焊及運營安全隱患，且施工運營維護方便，在軌道交通實際應用中，特別是在既有地鐵線路改造過程中，脹釘連接施工時間、效率及可靠性等方面更具優勢，但上述脹釘連接優越性及運用情況有待后續運營使用及時間驗證。若能將文中分析的缺陷及其他不足進行優化提升，總結相關施工經驗，高質量高標準全線全覆蓋安裝，可有效提升地鐵行業供電系統均回流電纜安裝工藝，更好為供電系統提供可靠保證。

參考文獻：

[1]詹先柏.地鐵供電均、回流電纜與鋼軌脹接方式的分析與探討.交通運輸.2013.（23）。

[2]趙驚華.供電均回流電纜在鋼軌上的連接方式.都市快軌交通.2013.（4）。