城市轨道交通轨道与供电杂散电流接口设计研究

张立国，丁静波

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055;2.中铁工程设计咨询集团有限公司轨道工程设计研究院，北京 100055)

1 杂散电流及轨道电位产生原因

城市轨道交通常用DC1500V/DC750V直流供电，牵引电流经接触网/钢轨送给车辆(组)，然后经轨道(钢轨)流回牵引变电所。三轨供电时，轨道钢轨不可能完全绝缘，必然会产生杂散电流。影响钢轨对地绝缘主要有2个方面:(1)轨道设计绝缘值可达108Ω以上，但随运营时间的延长，环境逐步恶化，电阻值会逐步减小;(2)从轨道安全和稳定考虑，钢轨距道床面高度无法达到300 mm以上完全隔离的要求，因此回流磁场影响道床钢筋结构［1-4]。在运营期间，定期清扫线路，清除粉尘、油污等，保持道床清洁干燥，有利于杂散电流防护。城市轨道交通接触网/钢轨回路及腐蚀见图1。

图1 城市轨道交通接触网/钢轨回路及腐蚀

杂散电流对轨道及周围钢筋混凝土结构产生腐蚀破坏，设计时不容忽视，应采取防护措施。轨道钢轨是供电回路的一部分，回流时产生电流I，钢轨有一定的电阻R值，就产生电位差V，使得钢轨对大地有电压(又称轨道电位)［5]。轨道电位异常波动，轨道结构受到破坏无法正常工作，威胁列车安全，问题尤为突出。

2 杂散电流接口设计的重要性

钢轨是供电回流轨的一部分，供电应结合沿线轨道部件布置情况，做好电连接设计，确保回流顺畅，防止回流不均匀造成的轨电位异常波动而电灼伤钢轨。特别在道岔区，结构设计复杂，应加强道岔区电连接设计。图2为分期开通的终点车站，列车站前折返，道岔只开通侧向，并在同侧站台出站。运营初期，未考虑道岔结构的特殊性，回流走行轨①、②、③、④均在道岔尖轨与基本轨位置断开，左右股钢轨不能同时回流，引起列车出站时回流走行轨⑤轨道电位异常大，导致钢轨⑤被反复放电灼伤。车辆在即将通过和刚刚通过不远时电击钢轨，车辆离远后则不放电，而却经常是同侧同股钢轨的反复灼伤，有一定的规律性和周期性，后增补道岔尖轨与基本轨电线，轨道电位基本平稳。

图2 道岔区电连接跳线设计

轨道设计应加强绝缘，实施过程中也应有绝缘意识，有效保护绝缘不被破坏，避免似接非接现象，更应杜绝钢轨直接接地问题。如绝缘破坏，易导致过量杂散电流接地，长期以往，腐蚀道床内钢筋，严重时也造成电击伤轨道及其他设备，影响运营安全，与回流问题不同，大多为突发事件。目前北京、上海、广州和南京等地铁均发生类似问题，多在减振地段、人防门、道岔转辙机、屏蔽门等区域发生。

另外，供电电连接有焊接和胀钉栓接2种方式。焊接时由于局部高温造成焊接热影响区金相组织发生变化，在气温骤降时，北方冬季易导致钢轨断裂，影响安全。因此，北京地铁管理部门要求钢轨与电缆采用胀钉栓接，但若栓接局部腐蚀或松脱时，也会导致回流不畅问题，发生电击伤钢轨问题［2]。

通过对此类问题分析，逐步意识到轨道与供电接口设计的重要性，本文重点从轨道设计这方面进行阐述，并提出建议和优化措施。

3 轨道杂散电流防护技术要求

3.1 钢轨对地绝缘性要求

《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》(CJJ49)［1]要求:(1)新建线路钢轨对地绝缘电阻不应小于15 Ω·km，运营线路不应小于3 Ω·km;(2)回流走行轨应焊接成长钢轨，若采用短钢轨，应使用绝缘铜芯电缆联结。

钢轨通过扣件与混凝土轨下基础联结在一起，并为钢轨提供绝缘性能。扣件按绝缘数量不同，分单层绝缘和双层绝缘2种。如北京轨道交通房山线ZX-3型扣件，采用双层绝缘，见图3。其中绝缘层(一)由塑料套管和板下垫板组成，属于钢轨基础绝缘层;绝缘层(二)是由轨下垫板和绝缘轨距块组成，属于双保险绝缘层。目前城市轨道交通绝大部分扣件如ZX-2、ZX-3、DTⅢ2、DTⅥ2型及国铁 WJ-7、WJ-8型扣件均采用双层绝缘，优点是调整量大，适用于整体道床上铺设。单层绝缘扣件结构简单，造价较低，便于运营维修更换，在国铁和地铁应用也非常普遍，大部分应用于碎石道床，如弹条Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ型扣件、石龙桥小阻力扣件、WJ-2型扣件均为弹条直接扣压钢轨，只有基础的绝缘层，属于单层绝缘扣件。

国内外设计经验表明，通过控制扣件单个绝缘部件性能，能保证钢轨对地绝缘的要求。扣件绝缘电阻可采用500 V兆欧表，其中正极接钢轨，负极接螺栓进行简单测量，见图3［2]。但铺设无缝线路后，由于钢轨电气联通，可参照CJJ49技术规程，在停电并断开电气连接后测量。

图3 北京轨道交通房山线ZX-3型扣件绝缘设计及实测方法

3.2 道床结构钢筋杂散电流防护

道床结构配筋即应满足强度要求，又应作为杂散电流收集网一部分，配筋量及钢筋联接满足杂散电流防护要求。各地的城市轨道交通要求基本相同，如北京轨道交通房山线对道床结构钢筋要求:(1)上、下行轨道下的收集网钢筋截面总和不小于3 600 mm2，每股道收集网钢筋截面不小于1 800 mm2;(2)每个道床结构段内，在伸缩缝两端和每隔5 m选一根横向结构钢筋与所交叉的所有纵向钢筋焊接，形成一个横向钢筋圈;(3)在伸缩缝两侧分别设置排流网连接端子，再用2根横截面面积为150 mm2电缆与收集网钢筋可靠焊接，使收集网纵向贯通，见图4。

图4 房山线道床结构杂散电流收集网钢筋焊接及电缆连接(单位:m)

4 轨道杂散电流防护优化建议

4.1 扣件绝缘优化设计

扣件绝缘对杂散电流防护有十分重要作用，应加强设计。扣件绝缘材料按材质分橡胶(天然橡胶、氯丁橡胶等)、塑料(聚乙烯、聚酰胺等)、纤维材料(聚氨酯TPU、聚醚脂TPEE等)三大类型。房山线ZX-3型扣件用垫板均采用氯丁胶(CR)，体积电阻率可达到106Ω，塑料套管体积电阻率可达到1014Ω，其绝缘值可达到108Ω。若采用热塑聚酯类弹性体(TPE)，其体积电阻率可达到108Ω，可增加10倍及以上绝缘性能［3]。

由于钢轨回流不畅时，电位异常升高可达到60 V，甚至超过120 V，电击钢轨缓慢灼热绝缘材料，进而导致燃烧。房山线采用的ZX-3型扣件［8]，其塑料套管采用玻纤增加聚酰胺66(PA66)属于热塑性材料，其熔点达到260～290℃，按《机车车辆阻燃材料技术条件》(TB/T3138)［7]方法检测45℃燃烧达到极难燃;参照文献［6]，一般橡胶都是属于易燃，只有氯丁胶氧指数(IO)可达到38～41，属于难燃类橡胶，建议加强材料阻燃性要求。

热塑聚酯类弹性体(TPE)由于加工简单、性能优越，有逐步取代传统橡胶的趋势。在不损失各项力学性能前提下，热塑聚酯弹性体(TPE)一般氧指数(IO)仅16～20，最大氧指数(IO)可提高至22，属于可燃类高分子材料，因此建议开展高绝缘性、耐阻燃性的热塑聚酯弹性体材料(TPEE)研究，增强安全防护储备。

4.2 轨道减振优化设计

随着城市轨道交通建设规模增大，沿线通过许多振动敏感点，轨道必须采取减振降噪措施。厂家设计的减振产品往往强调减振性能，忽视绝缘等接口设计，当轨电位异常升高时，易导致钢轨对地产生很大的泄漏电流电击伤轨道部件，如钢弹簧浮置板轨道。

钢弹簧浮置板轨道最早常采用直埋式结构，有利于配筋设计，且方便施工。但也存在一些问题:由于结构设计钢筋多，不便于施工振捣，易造成扣件套管歪斜及损坏，局部绝缘破坏;直埋式结构轨底净空高度不足，易导致浮置板钢套筒与钢轨发生电击伤问题。针对这些问题，钢弹簧浮置板轨道进行了优化，采用短枕式结构，并在浮置板钢套筒上加装了绝缘盖板，见图5。通过优化，提高轨道绝缘性，有利于杂散电路防护，但也增加施工难度，应加强施工后养护，防止短轨枕出现裂纹。

图5 钢弹簧浮置板优化设计对比

5 结论

轨道应有足够的强度和稳定性，作为供电回流的一部分，应重视与供电设计接口，加强绝缘设计及施工过程控制，以提高杂散电流防护等级。供电也应结合沿线轨道部件布置情况，加强电连接设计，确保回流顺畅，电压均匀。只有通过轨道和供电专业密切配合，才能有效防护杂散电流，避免轨电位异常波动，破坏轨道及相关设备，确保地铁安全、平稳、快速、舒适的运营。

［1]北京市地下铁道科学技术研究所.CJJ49—1992 地铁杂散电流腐蚀防护技术规程［S].北京:中国计划出版社，1993.

［2]苏光辉.钢轨电位过高的原因分析及解决措施［J].电气化铁道，2007(1):38-39.

［3]尹鹏.热塑性聚酯弹性体TPEE性能与应用［J].化工新型材料，2006，34(3):76-77.

［4]付连著，范季陶.城市轨道交通中杂散电流的危害及防护［J].铁道通信信号，2012，48(1):50-52.

［5]朱孝信.地铁的杂散电流腐蚀与防止［J].材料开发与应用，1997，12(5):40-47.

［6]何道纲.高聚物的燃烧性与阻燃性［J].塑料加工与应用，1989(6):22-36.

［7]铁道科学研究院金属及化学研究所.TB/T 3138机车车辆阻燃材料技术条件［S].北京:中国铁道出版社，2007.

［8]丁静波，王菁，任树文.北京市轨道交通房山线轨道结构设计研究［J].铁道标准设计，2011(1):33-34.