韓妮樂,于 勉

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，西安 710016)

地鐵牽引回流系統(tǒng)的核心為回流電纜與鋼軌，兩者的連接是整個牽引回流系統(tǒng)的薄弱點，也是地鐵牽引回流系統(tǒng)維護保養(yǎng)的重中之重?；亓麟娎|與鋼軌連接不良將導(dǎo)致連接處打火、燒傷，甚至造成鋼軌重傷或斷軌而中斷行車。保證回流電纜載流性能，也是減少雜散電流，防止軌電位升高的有效途徑。經(jīng)了解，因回流電纜連接不好，北京、深圳地鐵發(fā)生十余起回流電纜與鋼軌焊接部位脫焊、燒傷，導(dǎo)致鋼軌重傷、斷軌事故。對于回流電纜與鋼軌間的連接，要求機械性能及載流性能良好，保障回流可靠通過[1]。

國內(nèi)地鐵行業(yè)電客車牽引電源均采用直流牽引供電系統(tǒng)。直流牽引系統(tǒng)可簡單分為牽引電源、電客車和牽引回流三個子系統(tǒng)。牽引電源大部分為DC1500V供電制式，包括整流變壓器、整流器、正極直流母排和負極直流母排。牽引回流系統(tǒng)是由回流鋼軌、回流電纜、軌電位限制裝置、單向?qū)ㄑb置、排流柜以及隧道結(jié)構(gòu)鋼筋等組成的，各部分相輔相成，共同構(gòu)成了牽引電流的回流通路，保證牽引電流常規(guī)情況和故障情況下都能順利回流到電源負極。因此，牽引回流系統(tǒng)作為牽引供電主回路的關(guān)鍵系統(tǒng)具有非常重要的作用，一旦發(fā)生故障將直接影響行車，造成地鐵運營中斷?；亓麟娎|是地鐵牽引回流系統(tǒng)中直流電回到變電所負極的重要一環(huán)，其與鋼軌的連接方式，將直接影響回流通路性能。本文調(diào)研、分析了國內(nèi)外其他地鐵回流電纜與鋼軌的特殊安裝形式，總結(jié)了西安地鐵運營經(jīng)驗，通過對比各種安裝方式的優(yōu)缺點，對各種安裝方式的設(shè)計使用、運營維護提出了建議。

1 國內(nèi)地鐵行業(yè)回流電纜特殊連接方式的分析

1.1 閃光焊

閃光焊是采用硬釬焊工藝，蓄能放電產(chǎn)生的電弧使釬料熔化，將導(dǎo)線與鋼軌焊接。此種連接方式在廣州地鐵、北京地鐵有應(yīng)用實例。它是將軟電纜分為三股，每股電纜都進行綁扎，綁扎后的末端使用終端頭固定，再將終端頭焊接至鋼軌腰部，如圖1所示。由于閃光焊工藝要求較高，往往會造成焊接接頭側(cè)鋼軌受高溫影響出現(xiàn)馬氏體組織，導(dǎo)致鋼軌變脆變硬，而現(xiàn)場改進焊接工藝較復(fù)雜，目前廣州地鐵已對此連接方式進行全面替換改造，后續(xù)新建線路不推薦設(shè)計使用[2]。

圖1 閃光焊式回流電纜

1.2 魚尾板式銅排連接

魚尾板式銅排連接采用壓接或放熱焊接的工藝，將魚尾板式銅排與鋼軌的接觸面通過精密制造，形成密貼結(jié)構(gòu)。此種形式在深圳地鐵、國外部分地鐵有應(yīng)用。銅排與鋼軌壓接或放熱焊接，再用螺栓固定，回流電纜與銅排栓接，在多根回流電纜處應(yīng)用較好，對鋼軌損傷小，操作工藝簡單。

銅排壓接優(yōu)點是對鋼軌損傷小，操作工藝簡單，故障搶修容易，缺點是載流性能差，銅排、螺栓與螺孔有空隙，加上鋼軌易氧化，導(dǎo)流面越來越小，出現(xiàn)燒傷。接觸電阻受環(huán)境影響較大，難控制。

銅排放熱焊接優(yōu)點是焊接點少，在多根回流電纜處應(yīng)用較好，但是缺點也非常明顯，如在鋼軌上單點焊接面較大，容易對鋼軌造成損傷。放熱焊溫度高，連接部位膨脹變形明顯，在列車震動和鋼軌熱脹冷縮作用下容易出現(xiàn)脫焊。

這兩種形式的共同問題是銅排和鋼軌間容易出現(xiàn)脫焊或者間隙，隨著列車震動，鋼軌易氧化，導(dǎo)流面越來越小，接觸電阻受環(huán)境影響較大，容易出現(xiàn)腐蝕問題，導(dǎo)致過渡電阻增大[3]，最終導(dǎo)致銅排處燒傷、重傷鋼軌。深圳地鐵三號線高架段，在開通的兩年內(nèi)，80%的銅排出現(xiàn)不同程度的脫焊、放電、拉弧現(xiàn)象，并重傷鋼軌2起，不推薦在后續(xù)地鐵線路設(shè)計使用。

1.3 銅排軟釬焊

隨著國內(nèi)技術(shù)的不斷改進，近年出現(xiàn)了銅排軟釬焊形式。銅排與鋼軌間軟釬焊連接，并用螺栓加固，回流電纜與銅排連接，如圖2所示。目前，銅排軟釬焊式連接在杭州地鐵、北京地鐵、武漢地鐵、哈爾濱地鐵、無錫地鐵都有應(yīng)用。

圖2 銅排軟釬焊

釬焊與其他焊接方式的區(qū)別是母材沒有熔化，只是釬料熔化。釬焊過程為：釬料熔化為液態(tài)，而母材保持為固態(tài)，液態(tài)釬料在與母材的間隙中或表面毛細處填充、鋪展，與母材相互作用，冷卻凝固形成牢固的接頭，從而與母材連接在一起。其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 銅排軟釬焊技術(shù)參數(shù)

軟釬焊有以下優(yōu)點：

(1) 焊接溫度低，施工容易。焊接溫度只有240 ℃，在實際應(yīng)用中，鋼軌溫升小，不會產(chǎn)生馬氏體而損傷鋼軌。鋼軌預(yù)熱和保溫要求低，不受寒冷天氣影響，不會出現(xiàn)虛焊。

(2) 焊接點電氣、機械性能良好。軟釬焊可用噴燈等普通熱源進行釬焊，操作容易；加熱溫度低，鋼軌不會損傷，焊接面的的膨脹、強度變化和變形都較小；釬焊后對保溫?zé)o要求，可多個點同時焊接，提高焊接效率；釬料膨脹變形小，不會因為鋼軌受溫度的收縮而導(dǎo)致焊接部位脫落；焊接點不易銹蝕，接觸電阻性能穩(wěn)定；接觸面積、接觸電阻均能滿足地鐵回流系統(tǒng)載流需求。

銅排軟釬焊在北京等5家地鐵已總計使用1 500 余塊，使用時間超過3年，目前運行性能穩(wěn)定，尚未發(fā)生任何故障。尤其在哈爾濱零下20度氣溫條件下仍能正常安裝，解決了北方寒冷天氣下的施工問題，推薦在地鐵中設(shè)計使用。

2 西安地鐵回流電纜運行分析和維護經(jīng)驗

2.1 回流電纜情況

西安地鐵的回流電纜與國內(nèi)大多數(shù)地下段地鐵的設(shè)計方式基本一致，因此，本文以西安地鐵的設(shè)計、使用情況為對象進行研究?；亓麟娎|與鋼軌間常見安裝形式為放熱焊接、膨脹式電氣連接塞釘連接，西安地鐵均采用以上兩種形式，但在實際運營中出現(xiàn)了回流電纜脫焊、回流塞釘脫落等影響行車的故障發(fā)生，且更換困難。目前，國內(nèi)地鐵行業(yè)牽引回流電纜采用截面積為150 mm2的銅電纜[4]。其在西安地鐵牽引回流系統(tǒng)的分布主要為：正線回流箱與鋼軌間有16根、兩軌間有2根，場段回流箱與鋼軌間有8根、各股道間有6根，一般為單根放熱焊接。正線道岔區(qū)段、場段軌縫間2根及道岔區(qū)段一般為膨脹式電氣連接塞釘連接。

2.2 放熱焊接式回流電纜的運行情況及存在問題

圖3 放熱焊接式回流電纜

放熱焊具有耐腐蝕性強、熱穩(wěn)定性高、接觸電阻小等優(yōu)點。放熱焊回流電纜在西安地鐵載流性能良好，但是機械性能一般，在建設(shè)安裝、運營維護中存在諸多問題。

(1) 施工質(zhì)量不易把控，易出現(xiàn)脫焊。放熱焊施工過程中溫度可達1 100 ℃，焊前鋼軌預(yù)熱和焊后保溫難，銅及其合金的導(dǎo)熱、線脹系數(shù)和收縮率大，焊后如冷卻過快易形成氣孔和未熔合缺陷，運營中長時間受鋼軌震動影響，容易使焊點脫焊。

(2) 焊接處相對薄弱，地鐵正線、車輛段軌旁作業(yè)人員較多，受作業(yè)人員踩踏回流電纜影響，西安地鐵單條線路每年都會出現(xiàn)十余起因人員踩踏造成的回流電纜脫落故障。

(3) 安裝過程易損傷鋼軌，回流電纜焊點過密，熔合區(qū)過熱會產(chǎn)生高碳馬氏體使鋼軌變脆，易引起鋼軌損傷。西安地鐵在建線路在施工期間就多次出現(xiàn)因放熱焊造成鋼軌重傷而換軌。

(4) 更換鋼軌后，回流軌與匯流箱連接處按照載流量計算，一般會安裝8～16根150 mm2回流電纜，在對鋼軌更換時需對此處電纜全部更換。重新焊接回流電纜工藝復(fù)雜，焊接、冷卻時間較長，在地鐵運營間隙無法更換。更換需對回流軌所在供電分區(qū)進行長時間停電，造成受影響區(qū)段列車無法通過。

(5) 回流電纜重新焊接，需對回流電纜原接頭部位進行裁剪、剝皮，預(yù)留新接頭安裝位置。但由于設(shè)計建設(shè)階段，未預(yù)留回流電纜重新安裝的長度，造成現(xiàn)場部分回流電纜因無預(yù)留長度，無法滿足重新焊接要求。如圖4中橢圓圈內(nèi)所標示的回流電纜，在需要重新安裝時長度不足，只能更換整根電纜，增加工程量。

圖4 場段回流箱與鋼軌間回流電纜

對于單根放熱焊回流電纜，如在重新焊接時出現(xiàn)長度不足的問題，可以更換為膨脹式電氣連接塞釘連接，在原電纜頭處安裝接線端子、增加長度，但該種方法對于整組更換電纜效果不佳，需要采用銅排式連接方式(見下文3.1)。同時，建議設(shè)計階段對放熱焊接式回流電纜預(yù)留長度不少于1 m。

2.3 膨脹式電氣連接塞釘式回流電纜的運行情況及存在問題

膨脹式電氣連接塞釘式回流電纜是在鋼軌軌腰處鉆孔，并安裝膨脹式電氣連接塞釘。塞釘直徑略大于孔徑，通過拉式液壓鉗將塞釘拉脹，使塞釘與鋼軌密貼，產(chǎn)生拉脹力，并將回流電纜通過電纜接線端子固定于塞釘端部，回流通過塞釘、電纜接線端子流向回流電纜，如圖5所示。

塞釘安裝簡單，不會對鋼軌造成損傷，安裝效率高，熟練工人一天可安裝數(shù)百根回流電纜，但對打孔精度、塞釘拉脹力要求嚴格，對施工人員的技術(shù)水平要求較高，因此，如施工質(zhì)量不佳容易為后期運營增加隱患點。

圖5 塞釘式回流電纜

(1) 鋼軌鉆孔超標。鉆孔的孔徑過大、塞釘拉脹力不符合標準，導(dǎo)致回流電纜連接的機械強度不夠，經(jīng)列車震動等原因從孔中脫出。鋼軌鉆孔時，鉆頭質(zhì)量差、鉆孔機安裝不穩(wěn)等會導(dǎo)致孔徑超過標準，甚至超過塞釘直徑，導(dǎo)致塞釘在安裝后與鋼軌未完全密貼，出現(xiàn)松動情況。安裝塞釘時，如果拉脹力不夠，同樣會出現(xiàn)塞釘與鋼軌未完全密貼的情況[6]。經(jīng)列車運行時鋼軌的長時間震動，導(dǎo)致塞釘從鋼軌孔中脫出，西安地鐵在運營初期出現(xiàn)大量此類故障。

(2) 電纜接線端子處相對薄弱，回流電纜被軌旁作業(yè)人員多次踩踏后會出現(xiàn)電纜頭斷裂。

(3) 電纜處緊固螺絲容易因鋼軌震動而脫落，導(dǎo)致回流電纜從塞釘上松脫。

針對以上問題除了按照標準施工外，可以采用帶45°角的電纜接線端子，改善接線端子處受力，減小因人為踩踏造成接線端子斷裂的故障。另外，使用放松螺母和墊片，安裝接線端子，保證回流電纜不會從塞釘松脫。

3 銅排軟釬焊在地鐵既有線路改造中的應(yīng)用分析

3.1 在回流軌更換中的應(yīng)用

問題的提出：與回流箱或單導(dǎo)裝置通過電纜連接的回流軌因重傷需要更換，有以下困難：

(1) 更換回流軌后，需要對上面的6～16根回流電纜重新焊接，整個作業(yè)至少需要8小時，地鐵行業(yè)天窗點時間一般不超過5小時，因此常規(guī)作業(yè)時間內(nèi)無法完成回流軌更換。

(2) 重新焊接前，需要截斷電纜端頭，原回流電纜長度可能不足。由于在作業(yè)期間回流系統(tǒng)中斷，放熱焊施工將導(dǎo)致該供電分區(qū)電客車無法通過、回庫，影響正常運營。

解決措施為：可以采用軟釬焊工藝，先將銅排預(yù)裝在新鋼軌上，更換鋼軌后只需要將電纜栓接在匯流線排上，在常規(guī)作業(yè)時間能完成回流軌更換。原電纜安裝電連接線夾后，長度能滿足安裝需要。

3.2 后期維護

鋼軌與銅排軟釬焊連接后，回流電纜通過接線端子，防松螺栓再同銅排的連接。一旦安裝好后，能滿足通過大電流的需求。由于電纜線與線排連接是通過防松螺栓連接的，可有效防止因行車震動，導(dǎo)致銅排松動。在后期僅需定期巡檢即可。

3.3 銅排軟釬焊應(yīng)用的建議

銅排軟釬焊機械性能、電氣性能可以滿足地鐵使用環(huán)境的要求，且施工簡單、維護方便，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。推薦以回流系統(tǒng)中大修、重傷鋼軌更換、整組回流電纜更換等形式在運營線路使用，并在后續(xù)新建線路設(shè)計使用。

4 結(jié)束語

回流電纜是地鐵牽引回流系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，而地鐵行業(yè)回流電纜連接方式多種多樣，且新技術(shù)層出不窮。因此，在工作中應(yīng)該加強關(guān)注、深入研究分析回流電纜出現(xiàn)的故障，不斷更新知識，總結(jié)對比各種連接方式的優(yōu)缺點和應(yīng)用前景。只有通過不斷的研究、探討，才能找到最優(yōu)的回流電纜安裝形式。