地鐵供電均回流電纜與鋼軌脹接方式的分析與探討

張亞軍

（中鐵十二局集團電氣化工程有限公司，天津300308）

隨著我國地鐵交通的迅猛發(fā)展，對地鐵高壓供電系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)、可靠、連續(xù)性供電要求越來越高。在軌道交通系統(tǒng)中，鋼軌不僅要直接承擔(dān)車輛的荷重，還要作為牽引供電系統(tǒng)的電流回流軌，同時也是信號系統(tǒng)中諧振軌道電路的載體。地鐵供電系統(tǒng)利用鋼軌進(jìn)行回流,由于電流大,均回流電纜數(shù)量多,合理的連接方式是回流通暢的關(guān)鍵，是供電系統(tǒng)質(zhì)量的重要保障。如何有效地對鋼軌回流連接方式進(jìn)行定量和定性分析，降低因回流電纜連接方式不當(dāng)給行車安全帶來的風(fēng)險，繼而指導(dǎo)后續(xù)軌道交通的施工建設(shè)變得十分必要。本文通過調(diào)研，分析國內(nèi)地鐵回流電纜與鋼軌特殊安裝的形式，總結(jié)各地鐵施工運營的經(jīng)驗，對比各種安裝方式的優(yōu)點與缺點，對銅排低溫釬焊連接方式的優(yōu)缺點和應(yīng)用前景進(jìn)行分析探對各種安裝方式的設(shè)計施工使用、運營維保維護(hù)提出了建議。

1 國內(nèi)地鐵常用均回流安裝方式技術(shù)分析

1.1 放熱焊接

放熱焊接是從國外引進(jìn)直接應(yīng)用的焊接方法，其原理是通過鋁與氧化銅的化學(xué)反應(yīng)（放熱反應(yīng)）產(chǎn)生液態(tài)高溫銅液和氧化鋁的殘渣，并利用放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的高溫來實現(xiàn)高性能電氣熔接的現(xiàn)代焊接工藝。武漢輕軌、北京地鐵四號線、十五號線、大興線、十三號線、上海地鐵、南京地鐵等均采用該焊接方法。根據(jù)目前國內(nèi)地鐵的做法，放熱焊接分為兩種形式，一種為電纜銅芯與鋼軌直接焊接；另一種利用銅排與鋼軌的焊接，銅排再接電纜。單根電纜焊接技術(shù)在城市軌道交通中應(yīng)用較為廣泛，歐美以及香港等地的軌道交通中多采用此種方式。單根電纜直接焊接方式銅排焊接目前在北京已建的工程中應(yīng)用較多。此種連接方式占用鋼軌長度最小，在鋼軌上的單點焊接面積最大，銅排與鋼軌連接后要承受頻繁的動載荷，容易在集中應(yīng)力處損壞，如果斷裂，載流面積大幅度降低，影響回流回路通暢。

圖1 單根電纜放熱焊接

1.2 板式銅排連接

利用銅排與鋼軌焊接方式此種連接方式目前在北京地鐵工程中使用較為廣泛，此種連接方式缺點是在鋼軌上的單點焊接面積較大，且在現(xiàn)場操作時受天氣、施工單位工藝水平的影響，可控性稍差，優(yōu)點是在鋼軌上焊接點少，焊接一塊銅排可連接多根電纜。栓接栓接方式分為：單根電纜栓接、銅排栓接。一種為在鋼軌中軸打孔安裝脹釘；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(yán)格的要求。根據(jù)調(diào)查的試驗結(jié)果表明，栓接方式近期可以滿足過渡電阻不大于1 米長（標(biāo)準(zhǔn)60kg 鋼軌）鋼軌電阻值的要求，單根電纜栓接往往用在電流較小的地段中。在軌道交通中，在長時間的鋼軌運行中受震動影響較大，需要經(jīng)常檢修，測量連接電阻，如檢修不及時容易造成連接松動、銹蝕等問題引起接觸電阻增大，接觸面溫度升高，進(jìn)而再次導(dǎo)致電阻升高的后果，影響回路回流效果，同時也容易引起軌電位的升高。具體連接方式為在軌腰中部打19mm 或22mm 的孔，用液壓拉鉚機使銅套膨脹后緊帖在軌腰的孔內(nèi)，然后用螺栓將電纜連接在銅套上。單根電纜栓接方式另一種連接方式為定制加工特殊鋼軌魚尾板，魚尾板與鋼軌栓接，魚尾板再接電纜。北京地鐵昌平線有采用。鋼軌魚尾板栓接方式,連接方式比選連接方式比較。回流連接方案建議目前國內(nèi)外城市軌道工程中，特別是大電流的供電系統(tǒng)中，普遍采用的連接方式為單根軟電纜直接焊接至鋼軌腰部的連接方式，如香港地鐵、上海地鐵等軌道交通，經(jīng)過已開通工程的檢驗，此種連接方式安全可靠。此方式的特點是焊接時在鋼軌上的焊接面積較小，現(xiàn)場施工精度要求較低，對鋼軌的影響較小，現(xiàn)場實施質(zhì)量較容易控制，實施后電纜與鋼軌連接牢靠，有利于鋼軌回流通暢，從而抑制鋼軌電位升高，保證地鐵正常、安全運行。建議優(yōu)先選擇放熱焊接方式，以滿足系統(tǒng)長期運行的要求。

1.3 脹釘栓接

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。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(jìn)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(nèi)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(dǎo)線焊接部位（包括鋼軌研磨面）及導(dǎo)線端子表面，進(jìn)行防銹處理，在連接的地方涂防銹黃油即可。

圖2 脹釘法栓接工藝

2 新型改進(jìn)安裝方式技術(shù)分析

2.1 銅排低溫釬焊

隨著國內(nèi)技術(shù)的不斷改進(jìn)，近年出現(xiàn)了銅排低溫釬焊技術(shù)。連接時先將鋼軌表面進(jìn)行打磨光滑，并在二者接觸面涂上導(dǎo)電膏，然后再用螺栓緊固。由于鋼軌軌腰表面并非規(guī)則的平整面，傳統(tǒng)螺栓連接銅排與鋼軌機械結(jié)合存在間隙，隨著溫度升高和運行時間推移，導(dǎo)電膏失效，鋼軌振動和氧化加劇，導(dǎo)致接觸電阻加大，從而出現(xiàn)發(fā)熱和放電現(xiàn)象，給鋼軌帶來一定的損傷。在上述問題基礎(chǔ)上，經(jīng)過研究改進(jìn)，近幾年個別城市地鐵出現(xiàn)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(jié)合的連接方式。將焊件和釬料一起加熱到高于釬料熔點但低于母材熔化的溫度（使母材仍保持為固態(tài)），使之附著于潔凈的母材金屬表面，利用液態(tài)釬料的潤濕作用填充接頭的間隙，與母材相互擴散實現(xiàn)被焊工件連接的一種方法（如圖3 所示）。

圖3 銅排低溫釬焊刨面圖

釬焊與其他焊接方式的區(qū)別是母材沒有熔化，只是釬料的熔化。其有效接觸面積9200～12000mm2接觸電阻＜30μΩ，載流能力＞4000A，接觸面積、接觸電阻均能滿足地鐵回流系統(tǒng)載流需求。成品如圖4 所示。

2.2 道岔區(qū)段栓接法

普通栓接方法和銅排低溫釬焊法只能在標(biāo)準(zhǔn)軌上安裝，無法在異形軌（尖軌及轍叉）上安裝，地鐵尖軌及轍叉處均回流普遍采用放熱焊的連接方式。在天津地鐵6 號線均回流施工中參與了一種特殊栓接法，此方法將傳統(tǒng)栓接法進(jìn)行改進(jìn)并應(yīng)用在尖軌及轍叉處。

圖4 銅排低溫釬焊成品圖

特殊栓接法首先通過普通鉆頭和加長鉆頭二次打孔將尖軌處的加厚鋼軌打穿，再通過雙脹釘對穿的方式將電纜線鼻和鋼軌通過機械方式緊密連接，達(dá)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?shù)慕佑|面，降低了施工難度，保證了電氣連接的可靠性和安全性。

3 常見問題分析及解決方案

3.1 放熱焊式連接

放熱焊接是國內(nèi)既有地鐵運營線路中應(yīng)用最廣的方式，但常常出現(xiàn)本文1.1 中所述的焊點脫焊、重傷鋼軌等現(xiàn)象，因此，焊接完成后應(yīng)對焊點處鋼軌進(jìn)行探傷檢測，常用的鋼軌探傷方法主要有超聲探測、渦流探測、磁粉探測、射線探測等方法。

3.2 脹釘栓接連接

均回流電纜安裝時，連接電纜為150mm2 單芯電纜，偏硬不易彎曲，一般設(shè)計提供銅線鼻子為普通平角線鼻，栓接后導(dǎo)致電纜彎曲半徑過小，有些更是形成直角彎。為后期缺陷處理帶來很大的工程量和材料損耗。為避免此種情況，如材料已訂貨，可在安裝前將銅接線端子預(yù)彎，但不可預(yù)彎過大以免影響端子與鋼軌接觸面積。如未訂貨可調(diào)整采用45 度直角銅線鼻子，電纜預(yù)制簡單，現(xiàn)場敷設(shè)整齊美觀，線鼻子與脹釘銅管密貼，栓接牢固，完全滿足工藝標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 對均回流施工方法使用的建議

傳統(tǒng)放熱焊接工藝較復(fù)雜，易導(dǎo)致鋼軌過燒、裂紋、斷軌以及回流不暢導(dǎo)致的燒軌事故，不推薦在后續(xù)地鐵線路設(shè)計使用。銅排軟釬焊機械性能、電氣性能可以滿足地鐵環(huán)境的使用要求，且施工快速簡單、維護(hù)方便便捷，可有效消除目前存在的回流電纜脫落故障，便捷完成回流軌更換施工。推薦在停車場、車站等均回流電纜與鋼軌集中連接處安裝使用，在隧道內(nèi)或打岔處建議使用單根脹釘栓接方法。

結(jié)束語

均回流系統(tǒng)是地鐵牽引供電的關(guān)鍵重要組成部分，而地鐵施工中均回流系統(tǒng)的安裝方式多種多樣，各有優(yōu)點與不足。因此，在工作中應(yīng)該加強關(guān)注、深入研究分析現(xiàn)有均回流安裝方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，技術(shù)重點及常見故障，總結(jié)優(yōu)化施工方案，同時積極研究開發(fā)更加優(yōu)質(zhì)的安裝技術(shù)，只有通過不斷的研究、探討，才能找到更加實用可靠的均回流系統(tǒng)安裝方法。