胡 傳,畢 林
(成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司,四川成都 610058)
成都地鐵部分線路正線及停車(chē)場(chǎng)多次出現(xiàn)軌電位異常導(dǎo)致保護(hù)裝置頻繁動(dòng)作。當(dāng)鋼軌電位限制裝置(OVPD)長(zhǎng)期合閘時(shí),泄露的回流經(jīng)鋼軌電位限制裝置直接進(jìn)入綜合接地網(wǎng),綜合接地網(wǎng)中雜散電流的量級(jí)遠(yuǎn)大于道床排流網(wǎng)的量級(jí),導(dǎo)致車(chē)輛段運(yùn)用庫(kù)掛、拆地線時(shí)發(fā)生“打火”,以及車(chē)站屏蔽門(mén)、車(chē)輛段棘輪補(bǔ)償裝置和檢修平臺(tái)金屬護(hù)欄發(fā)生“打火”(燒灼)等現(xiàn)象,嚴(yán)重時(shí)可能造成設(shè)備損傷及人員傷亡(圖?1)。同時(shí),雜散電流還對(duì)接地網(wǎng)與車(chē)站等金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生電腐蝕。
由于雜散電流對(duì)結(jié)構(gòu)主體、管線及設(shè)備本身均具有較強(qiáng)的不可逆的腐蝕性和破壞性,為有效防護(hù)地鐵雜散電流,歐洲鐵路頒布了?EN?50122-2-2010《鐵路應(yīng)用—固定設(shè)備—電氣安全,接地和回路—第?2?部分:克服直流牽引系統(tǒng)雜散電流影響的規(guī)定》;中國(guó)頒布了?GJJ?49-92《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》,規(guī)定:兼用作回流的地鐵鋼軌與隧洞主體結(jié)構(gòu)之間的過(guò)渡電阻值(按閉塞區(qū)間分段進(jìn)行測(cè)量并換算為?1??km?長(zhǎng)度的電阻值),對(duì)于新建線路不應(yīng)小于?15?Ω·?km,運(yùn)行線路不應(yīng)小于?3?Ω·?km。2014?年實(shí)施的?GB/T?30013-2013《城市軌道交通試運(yùn)營(yíng)基本條件》再次明確要求,新線開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)前,軌道專(zhuān)業(yè)需提供鋼軌對(duì)地電阻測(cè)試合格報(bào)告。
圖1 雜散電流造成的設(shè)備損傷及人員傷害
軌道系統(tǒng)作為雜散電流防護(hù)的重要一環(huán),其設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理及施工質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響雜散電流的收集及回收是否順暢。在城市軌道交通行業(yè)中,軌道專(zhuān)業(yè)一般負(fù)責(zé)整體道床鋼筋網(wǎng)(兼作雜散電流收集排流網(wǎng))的焊接,排流網(wǎng)連接端子、測(cè)試端子、排流端子的預(yù)埋和參比電極安裝孔的設(shè)置、鋼軌無(wú)縫焊接等。成都地鐵針對(duì)軌道系統(tǒng)的鋼軌電阻、排流網(wǎng)電阻、扣件絕緣電阻、鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻?4?個(gè)參數(shù)開(kāi)展了系統(tǒng)測(cè)試及研究工作。
鋼軌是雜散電流的回流通道,成都地鐵開(kāi)展了鋼軌無(wú)焊縫及帶焊縫?2?種工況的鋼軌電阻測(cè)試,驗(yàn)證鋼軌本身理論電阻、鋼軌無(wú)縫焊接對(duì)鋼軌電阻值的影響。
采用?4?點(diǎn)法測(cè)試鋼軌電阻,在?1?根鋼軌兩端通過(guò)扣軌器注入?50~150??A?電流,由毫伏表記錄?1??min?電壓噪聲信號(hào)Uoff和?1??min?鋼軌加入電流后的激勵(lì)電壓Uon(圖?2)。
L長(zhǎng)度鋼軌電阻RL的計(jì)算方法如下:
圖2 獨(dú)立 1 km 鋼軌電阻檢測(cè)
鋼軌電阻測(cè)試采用?EN?50122-2?的測(cè)試方法,分別對(duì)鋼軌焊接前后的電阻值進(jìn)行測(cè)試,鋼軌電阻RR10m計(jì)算如下:
式(2)中:UAoff、UBoff分別為記錄的?A、B?測(cè)試點(diǎn)1??min、10??m?鋼軌電壓噪聲的平均值;UAon、UBon分別為鋼軌注入電流后的?A、B?測(cè)試點(diǎn)電壓?1??min?平均值。
成都地鐵正線鋼軌均采用攀鋼?60??kg/m?的?U75V?鋼軌,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為?TB/T?2344-2012《43??kg/m~75??kg/m?鋼軌訂貨技術(shù)條件》,該標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)電阻率進(jìn)行規(guī)定。經(jīng)咨詢(xún)鋼軌生產(chǎn)單位,其生產(chǎn)的?60??kg/m?的?U75V?鋼軌電阻率為?29.50×10-8Ω·?m(21?℃),可計(jì)算出該鋼軌不含焊縫的理論電阻為?38.09??mΩ/?km。
對(duì)于鋼軌接頭焊接阻值要求,參照?CJJ?49-92《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》,并進(jìn)一步參照歐標(biāo)?EN?50121-2?規(guī)定:無(wú)縫線路中鋼軌接頭電阻應(yīng)小于?5??m?長(zhǎng)完整鋼軌的電阻值。單根鋼軌每公里接頭數(shù)量一般為?40個(gè),根據(jù)導(dǎo)體電阻?=(導(dǎo)體的電阻率×導(dǎo)體的長(zhǎng)度)/?導(dǎo)體橫截面積,計(jì)算出每公里鋼軌焊接后含焊縫允許的理論最大電阻值:
依托成都地鐵?4?號(hào)線,選取的鋼軌樣本測(cè)試結(jié)果如下。
(1)鋼軌未焊接前(已探傷),共測(cè)試?20?組,測(cè)試環(huán)境平均溫度?21.6??℃,鋼軌最大電阻?38.03??mΩ/?km,最小電阻36.04??mΩ/?km,平均值?36.58??mΩ/?km。
(2)鋼軌閃光焊接后(已探傷),共測(cè)試?20?組,測(cè)試環(huán)境平均溫度?19.7?℃,鋼軌最大電阻?38.43??mΩ/?km,最小電阻36.12??mΩ/?km,平均值?36.75??mΩ/?km。
(3)鋼軌電阻(不含焊縫)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)平均值?36.58??mΩ/?km,與鋼軌理論阻值存在約?3.96%?的差異,可能的影響因素有樣本數(shù)量較小、不同批次鋼軌化學(xué)成分細(xì)微差別、測(cè)試環(huán)境細(xì)微差別、測(cè)試誤差等,但實(shí)測(cè)值與理論值差別在?5%?以?xún)?nèi),暫且認(rèn)為測(cè)試結(jié)果可被接受。
(4)鋼軌電阻(含焊縫)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)平均值?36.75??mΩ/?km?小于鋼軌焊接后(含焊縫)理論的最大電阻值?45.71??mΩ/?km,證明現(xiàn)場(chǎng)無(wú)縫線路中鋼軌接頭電阻小于?5??m?長(zhǎng)完整鋼軌的電阻值,焊接質(zhì)量滿(mǎn)足歐標(biāo)?EN?50121-2及《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》對(duì)焊接接頭阻值的規(guī)定。
(5)鋼軌閃光焊接為大電流融化鋼軌材質(zhì),再通過(guò)加壓結(jié)晶、冷卻推瘤后的一種全自動(dòng)焊接方式,焊接處化學(xué)成分基本與母材一致。本試驗(yàn)中,鋼軌焊接成無(wú)縫線路后,鋼軌電阻值較焊接前僅增加?0.47%,鋼軌焊接前后電阻值增加并不明顯,初步驗(yàn)證合格的鋼軌無(wú)縫焊接接頭對(duì)雜散電流影響較小。由于焊縫傷損樣本較少,未能將傷損焊縫與正常焊縫的電阻值進(jìn)行對(duì)比。但基于既有線及新線探傷數(shù)理統(tǒng)計(jì),地鐵焊縫傷損出現(xiàn)概率較低,可忽略其對(duì)雜散電流的影響。
地鐵整體道床內(nèi)的縱橫向結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)需按一定要求焊接,形成雜散電流主收集排流網(wǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)“排流網(wǎng)”),以降低整體道床內(nèi)鋼筋所受雜散電流腐蝕并減少雜散電流繼續(xù)擴(kuò)散。地鐵各供電分區(qū)整體道床鋼筋截面一般在?2??000~3??000??mm2之間。由于國(guó)內(nèi)外鮮有對(duì)排流網(wǎng)的相關(guān)測(cè)試及研究,成都地鐵對(duì)排流網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)機(jī)選取在道床混凝土澆筑前,在?12.5??m?長(zhǎng)的排流網(wǎng)上已焊接完成的連接端子之間注入直流電流源組成回路,檢測(cè)并記錄排流網(wǎng)的電壓降和注入電流,計(jì)算被測(cè)排流網(wǎng)的電阻?,F(xiàn)場(chǎng)排流網(wǎng)的電阻檢測(cè)分?3?種方式組成電氣回路,如圖?3?所示。
按圖?3?所示?3?種電氣回路,首先記錄在零激勵(lì)狀態(tài)下的電氣噪聲信號(hào)。記錄每種電氣回路情況下、不同電流激勵(lì)下的?12.5??m?長(zhǎng)的排流網(wǎng)電阻,可得到不同電壓等級(jí)下的排流網(wǎng)電阻,根據(jù)得出的數(shù)據(jù)評(píng)估排流網(wǎng)的導(dǎo)通性。
圖3 12.5 m 排流網(wǎng)電阻測(cè)試 3 種回路示意
(1)理論情況下,由純凈金屬鐵構(gòu)成的?2??000~3??000??mm2排流網(wǎng)的電阻為?32.30~48.50??mΩ/?km,但由于施工用鋼筋摻雜有其他雜質(zhì)及元素,加之排流網(wǎng)電阻測(cè)試時(shí),電流是從測(cè)試端子注入,從另外的測(cè)試端子引出,電流并非均勻在排流網(wǎng)中分布、流動(dòng),故實(shí)測(cè)值將大于理論值?,F(xiàn)場(chǎng)對(duì)相同施工工藝下?12.5??m?道床排流網(wǎng)共測(cè)試160組,測(cè)試環(huán)境平均溫度恒定在?22.5~22.9?℃之間,排流網(wǎng)最大電阻值?101.16??mΩ/?km,最小電阻值86.05??mΩ/?km,平均值?92.77??mΩ/?km。
(2)測(cè)試過(guò)程中,針對(duì)排流網(wǎng)焊接質(zhì)量對(duì)排流網(wǎng)電阻影響也做了初步探索。測(cè)試結(jié)果表明:若鋼筋排流網(wǎng)焊接達(dá)到設(shè)計(jì)要求?25%?及以上焊接量時(shí),排流網(wǎng)電阻值測(cè)試結(jié)果與達(dá)到?100%?設(shè)計(jì)焊接要求時(shí)相差無(wú)幾,但排流網(wǎng)的焊接點(diǎn)數(shù)量、焊接質(zhì)量對(duì)雜散電流的收集及引排有直接關(guān)聯(lián)。
(3)由于雜散電流收集與排流網(wǎng)鋼筋截面積有關(guān),而與道床鋼筋電阻值大小無(wú)直接關(guān)系,并不能通過(guò)測(cè)試道床排流網(wǎng)電阻值大小來(lái)反映道床鋼筋網(wǎng)綁扎及焊接水平。
綜上所述,鑒于道床鋼筋排流網(wǎng)電阻值對(duì)雜散電流、過(guò)渡電阻及軌電位沒(méi)有直接關(guān)系,但為形成良好的雜散電流通道,建議在施工過(guò)程及運(yùn)營(yíng)線測(cè)試時(shí),對(duì)其導(dǎo)通進(jìn)行測(cè)試。
地鐵軌道施工要求鋼軌對(duì)地絕緣安裝,典型的地鐵整體道床扣件(圖?4)系統(tǒng)中的軌下膠墊、板下膠墊、螺紋套管、軌距塊等部件在干燥條件下的絕緣電阻值應(yīng)達(dá)到?108Ω以上(潮濕條件下應(yīng)達(dá)到?106Ω以上)。試驗(yàn)時(shí)選取具有代表性的不同批次扣件共?6?套,參照科技基[2007]207?號(hào)《客運(yùn)專(zhuān)線扣件系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》及歐標(biāo)EN?13146-5-2012《鐵路應(yīng)用—軌道—緊固系統(tǒng)的試驗(yàn)方法—第?5?部分:電阻測(cè)定》進(jìn)行試驗(yàn)。
(1)試驗(yàn)室環(huán)境下(室溫19.8?℃,相對(duì)濕度58%),對(duì)軌下膠墊、板下膠墊、軌距塊、螺紋套管?4?個(gè)部件分別進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試。6?組試件中各部件最大電阻值?7.5×109Ω,最小電阻值1.05×108Ω,均大于設(shè)計(jì)值108Ω。但該測(cè)試結(jié)果僅代表單套扣件的單個(gè)部件測(cè)試結(jié)果,并不能完全反映整套扣件及?1??km?線路的絕緣情況,單套扣件的絕緣電阻是軌道系統(tǒng)絕緣、鋼軌對(duì)地絕緣的基礎(chǔ)。
(2)扣件系統(tǒng)隧道內(nèi)電阻驗(yàn)證性試驗(yàn):在隧道較為干燥情況下(隧道溫度20.1?℃,相對(duì)濕度小于90%),采用兆歐表測(cè)試扣件系統(tǒng)絕緣電阻滿(mǎn)足≥108Ω的設(shè)計(jì)要求;但在潮濕(相對(duì)濕度≥97%~100%)或明水工況下(如板下、軌下膠墊潮濕或有積水、大量鐵屑及塵土?xí)r),扣件系統(tǒng)電阻直接降低至?102~106Ω;個(gè)別單套扣件在有明水且膠墊表面雜質(zhì)較多的情況下,直接出現(xiàn)扣件絕緣失效現(xiàn)象。
鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻反映軌道道床排流網(wǎng)排流狀態(tài),也是扣件及鋼軌系統(tǒng)絕緣安裝的最直接的指標(biāo)。鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻測(cè)試目前國(guó)內(nèi)普遍參照歐標(biāo)?EN?50122-2?附錄?A,其測(cè)試原理如圖?5?所示。成都地鐵采取的測(cè)試方案為:測(cè)試區(qū)段長(zhǎng)度以?3??km?為宜,可選擇在無(wú)縫線路道岔緩沖區(qū)斷開(kāi),軌縫加塞絕緣膠墊或者臨時(shí)絕緣節(jié),確保測(cè)試區(qū)段電氣獨(dú)立。測(cè)試范圍要求左、右股鋼軌均流電纜、道床連接端子全部可靠電氣連接。新線原則上可分上、下行單獨(dú)測(cè)試,運(yùn)營(yíng)線路由于上、下行均已安裝均流電纜,故需將上、下行統(tǒng)籌為?1?個(gè)測(cè)試單元。
通過(guò)測(cè)試?A?點(diǎn)附近(距離注入電源點(diǎn)?500??m)、B?點(diǎn)附近(距離注入電源點(diǎn)?500??m)的過(guò)渡電阻以及?AC、BD?兩段的電壓UAC、UBD,計(jì)算被測(cè)量區(qū)段的末端電流IRA、IRB:
圖4 典型地鐵整體道床扣件示意圖(DZⅢ型)
圖5 鋼軌過(guò)渡電阻測(cè)試方法
式(3)、式(4)中:RA、RB分別為?A?點(diǎn)及?B?點(diǎn)附近10??m?鋼軌本身電阻,即以?A?或?B?點(diǎn)為中心兩端各?5??m?范圍的鋼軌本身電阻。
測(cè)量電壓時(shí),分別測(cè)量電路斷開(kāi)和閉合時(shí)的電壓值。通過(guò)U=Uon-Uoff消除噪聲信號(hào)的干擾。鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻表達(dá)式為:
式(5)中:RRT為單位長(zhǎng)度的過(guò)渡電阻,Ω·?km;L為被測(cè)量區(qū)段的長(zhǎng)度,km;I為電流源注入電流,A;IRA、IRB為被測(cè)量區(qū)段的末端電流,A;URT為電流注入點(diǎn)鋼軌對(duì)排流網(wǎng)的電壓,V;URTA、URTB為被測(cè)量區(qū)段的末端鋼軌對(duì)排流網(wǎng)的電壓,V。
成都地鐵鋼軌過(guò)渡電阻測(cè)試所需設(shè)備如表?1?所示。
(1)選擇測(cè)試所需的測(cè)量工器具、連接電纜等,以及可實(shí)時(shí)、精確記錄電流數(shù)值的電流測(cè)試軟件、數(shù)據(jù)分析軟件等。
(2)選取長(zhǎng)度L不大于?3??km?測(cè)量區(qū)段,并確保測(cè)試范圍道床排流網(wǎng)連接端子全部連接且回流通暢,鋼軌左、右股均流電流及回流電纜可靠連接,無(wú)短接、接地等異常情況。若上、下行已連接均流線纜,需將上、下行作為1個(gè)測(cè)試單位進(jìn)行測(cè)試(測(cè)試長(zhǎng)度仍保持?3??km)。
表1 鋼軌過(guò)渡電阻測(cè)試主要設(shè)備及工器具
(3)對(duì)鋼軌除銹打磨,連接線纜及并充分緊固無(wú)虛接,檢查電路是否正確,試注入電流。
(4)調(diào)試測(cè)量?jī)x表,保證其測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)。多次測(cè)試并記錄原始數(shù)據(jù),計(jì)算取平均值。
(5)測(cè)試前應(yīng)完成測(cè)試區(qū)間人員及其他雜物出清,尤其要確認(rèn)鋼軌無(wú)異物或無(wú)關(guān)線纜連接。測(cè)試期間應(yīng)保持電壓、電流穩(wěn)定。
(1)成都地鐵?4?號(hào)線試運(yùn)營(yíng)前現(xiàn)場(chǎng)多組過(guò)渡電阻測(cè)試數(shù)據(jù)表明,測(cè)試環(huán)境(特別是相對(duì)濕度)對(duì)過(guò)渡電阻測(cè)試結(jié)果影響較大:從?2016?年?8?月開(kāi)始測(cè)試,至?2016年?10?月測(cè)試完成,過(guò)渡電阻最大值?252.98?Ω·?km,最小值?15.09?Ω·?km,平均值?53.69?Ω·?km。其中,鳳凰大街站—馬廠壩站區(qū)間上、下行在初期測(cè)試時(shí)因隧道內(nèi)過(guò)于潮濕(相對(duì)濕度?98%,溫度?24?℃),過(guò)渡電阻值分別僅為?12.77?Ω·?km、11.26?Ω·?km,均不滿(mǎn)足規(guī)范要求;隧道干燥后(相對(duì)濕度?52%,溫度?20.5?℃)進(jìn)行第?2?次測(cè)試,過(guò)渡電阻值達(dá)到?15.09?Ω·?km,滿(mǎn)足《雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》中“兼用作回流的地鐵走行軌與隧洞主體結(jié)構(gòu)(或大地)之間的過(guò)渡電阻值新建線路不應(yīng)小于15?Ω·?km”的要求。
(2)成都地鐵?4?號(hào)線及近期開(kāi)通的多條線路鋼軌過(guò)渡電阻測(cè)試均表明其符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求規(guī)定,不是造成鋼軌電位異常升高及雜散電流增大的主要原因。
軌道系統(tǒng)與軌電位及雜散電流息息相關(guān)。針對(duì)軌道專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)環(huán)節(jié),減少雜散電流、增大過(guò)渡電阻的措施建議如下。
(1)保證軌道系統(tǒng)對(duì)地有效絕緣,特別是扣件系統(tǒng)絕緣性能,螺紋套管、軌下膠墊、板下膠墊、軌距塊、調(diào)高墊板等電阻值應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
(2)軌道設(shè)計(jì)應(yīng)在以下地點(diǎn)設(shè)置鋼軌絕緣軌縫:停車(chē)場(chǎng)線路與正線線路的鋼軌之間、停車(chē)場(chǎng)電化股道與非電化股道的鋼軌間、停車(chē)場(chǎng)各電化庫(kù)線入口處的鋼軌、地鐵的運(yùn)行線路與正在建設(shè)的線路區(qū)段之間、盡頭線每條軌道的車(chē)擋裝置與電化股道的鋼軌間。
(3)道床鋼筋網(wǎng)兼作雜散電流排流網(wǎng)時(shí),被選作主排流網(wǎng)的結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)均勻分布,以增加雜散電流收集效果。在穿越江河或其他富水區(qū)域時(shí),排流網(wǎng)鋼筋截面積應(yīng)進(jìn)行合理加強(qiáng);縱向結(jié)構(gòu)鋼筋如有搭接,必須進(jìn)行可靠搭接焊,沿整體道床縱向不大于?5??m?用?1?根橫向結(jié)構(gòu)鋼筋與所有的收集監(jiān)測(cè)網(wǎng)縱向結(jié)構(gòu)鋼筋焊接;整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋與車(chē)站、隧道主體結(jié)構(gòu)鋼筋不得有電氣連接。
(4)降低軌道系統(tǒng)本身阻抗,如盡量減少鋼軌有縫接頭并焊接成無(wú)縫線路,有條件盡可能采用跨區(qū)間無(wú)縫線路。鋼軌接頭處應(yīng)進(jìn)行可靠電氣連接,道岔區(qū)域采用有縫線路魚(yú)尾板連接時(shí),2?根鋼軌之間、道岔與轍岔的連接部位應(yīng)設(shè)置?2?根截面不小于?120??mm2(可加強(qiáng)至?150??mm2)的直流銅芯電纜。電纜與鋼軌之間應(yīng)可靠連接,接頭電阻不應(yīng)大于?1??m?長(zhǎng)完整鋼軌的電阻值。
(5)鋼軌應(yīng)采用絕緣法安裝,加強(qiáng)鋼軌對(duì)道床的絕緣以減少鋼軌泄漏電流。整體道床澆筑時(shí),應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土道床面結(jié)構(gòu)高度,確保鋼軌底部與整體道床頂面的間隙不小于?70??mm。過(guò)軌管線過(guò)軌時(shí),必須加強(qiáng)過(guò)軌管絕緣處理。
(6)加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)檢修維護(hù)及保養(yǎng),保證雜散電流防護(hù)長(zhǎng)期有效。確保隧道環(huán)境干燥,定期對(duì)隧道進(jìn)行清掃及沖洗,減少鋼軌軌下膠墊及板下膠墊灰塵及鐵屑積累。定期更換軌下膠墊、板下膠墊,保證軌道系統(tǒng)絕緣性能。
為確保地鐵安全可靠運(yùn)行,針對(duì)降低雜散電流、增加鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻等關(guān)鍵問(wèn)題,建議列入地鐵建設(shè)及運(yùn)營(yíng)重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行專(zhuān)題研究,采取預(yù)防性措施,積極改善運(yùn)營(yíng)環(huán)境,確保乘客人身安全及設(shè)備正常運(yùn)行。