铁路综合贯通地线的结构改进

杨宝根，黑广杰，李俊霞

（天水铁路电缆有限责任公司，甘肃天水741000）

铁路综合贯通地线的结构改进

杨宝根，黑广杰，李俊霞

（天水铁路电缆有限责任公司，甘肃天水741000）

介绍了铁路综合贯通地线的结构改进过程，概述了不同护套结构贯通地线的性能及优缺点，并对其今后

贯通地线；改进过程；性能；优缺点

0 引 言

我国高速铁路和普速铁路上都安装使用铁路专用贯通地线，它能够实现线路上各类设备的等电位连接，消除不同设备之间由于电位差而引起的安全隐患，同时避免信号线路由于电位差而产生附加干扰电流。铁路综合贯通地线还有一个作用就是泄放较强的工频牵引回流和雷电电流，防止设备和人员受到伤害。

随着我国高铁和客运专线的快速发展和安全要求的提高，铁路综合贯通地线的用量越来越多，对其要求也越来越严格，因此，铁路综合贯通地线的技术要求和产品结构也在不断地进行改进，下面介绍铁路贯通地线的结构改进过程。

1 铅护套结构铁路综合贯通地线

铅护套结构铁路综合贯通地线是我国早期使用的铁路贯通地线，其导体为符合GB/T 3956规定的第一类或第二类多股绞合铜导体，导体截面为35 mm2，导体外挤包一层厚度为1 mm左右的无缝铅护套，其结构见图1。铅的熔点为327℃，密度为11.3 g/cm3，硬度为1.5，质地柔软，体积电阻率为0.22 Ω·mm2/m。由于铅具有良好的导电性和耐腐蚀性能，符合贯通地线的接地要求，而且铅护套加工工艺成熟，因而，铅护套铁路贯通地线早期在我国和其它国家都得到了广泛应用，而且应用时间较长。但后来研究发现，铅属于有毒重金属，长期埋在土壤中会对土壤和水造成严重的污染，2003年，欧盟率先制定了《关于在电子设备中限制使用某些有毒物质指令》，该指令明确规定成员国将确保从2006年7月1日起，投放于市场的新电子和电气设备不含铅、汞、镉、六价铬、多溴联苯和多溴联苯醚六种物质。我国铁道部工程管理中心也于2006年2月下发了工管［2006］18号文件《客运专线综合接地系统设计原则》（暂行），文中明确规定了铁路综合贯通地线应耐腐蚀并符合环保要求（铅≤1 000 mg/kg，镉≤100 mg/kg，汞≤1000 mg/kg，六价铬≤1 000 mg/kg）。自此以后，该产品被禁止使用和生产。

图1 铅护套铁路贯通地线示意图

2 铝合金护套结构铁路综合贯通地线

随着国家对铅护套铁路综合贯通地线的禁用，我公司率先研制了一种新型无缝“铝镁锌-稀土”合金（以下简称铝合金）护套铁路综合贯通地线［1］，该产品是在原铅护套铁路综合贯通地线的基础上，采用“铝镁锌-稀土”合金护套代替铅护套。

产品在设计时，导体仍采用符合GB/T 3956规定的一类纯铜绞合导体，为增大导体与铝合金护套的接触面积，导体采用紧压型，通过一道紧压模具和一道拉拔模具，使导体结构更加紧凑，外层导体与铝合金护套的有效接触面积增大，从而减小接地电阻，增加泄流速度。护套选用“铝镁锌-稀土”合金材料，因为这种铝合金材料具有良好的防腐蚀性能和良好的导电性，其电气性能和机械物理性能指标与纯铝基本相同，其熔点为660℃，密度为2.7 g/cm3，硬度较小，具有良好的延展性，其体积电阻率约为0.03Ω·mm2/m，远小于铅的体积电阻率，因而导电性比铅更佳，而且耐温等级也比铅高。这说明铝合金护套更能满足铁路贯通地线的使用要求。

由于当时的铁路综合贯通地线没有统一的标准，公司设计了两种规格的铁路综合贯通地线，分别是DHS 35 mm2和DHS 70 mm2。其中，DHS表示贯通地线的型号，35 mm2和70 mm2表示贯通地线的标称截面。设计贯通地线时，按等效截面来设计铜导体和铝合金护套的截面，例如，对于DHS 35 mm2的贯通地线，其对应的导体直流电阻应等于截面为35 mm2当量铜导体的直流电阻，要求≤0.524Ω/km。据此，当护套厚度规定为1.0 mm时，可计算出贯通地线的铜导体截面为25 mm2，铝合金护套的截面为10 mm2。其计算公式如下：

式中：R、R1、R2分别为贯通地线的总电阻、内导体电阻和护套电阻（Ω）；S1、S2分别为贯通地线的内导体和护套的截面（mm2）；ρ1、ρ2分别为贯通地线的内导体和护套的体积电阻率（Ω·mm2/m）；L为贯通地线的长度（m）。

因为铝合金的熔点温度高，很难采用挤包铅护套的加工工艺来生产铝合金护套，我们采用了连续挤压包覆的加工工艺来生产铝合金护套［2］。通过改进挤压轮、模具等工装，经过近半年的反复摸索和试制，最终生产出无缝铝合金护套铁路综合贯通地线，首次的生产长度为5 km。产品生产出来后，还要对该产品的耐腐蚀性能和环保性能进行测试，因为铝合金在连接挤压过程中，要经过600℃的高温区，测试目的是检验铝合金经过加工以后的各项性能指标是否会降低。于是，我们委托中科院上海冶金研究所对铝合金护套贯通地线进行了耐酸性土壤、耐碱性土壤和模拟土壤介质的NS4溶液腐蚀性测试，并与铅护套铁路贯通地线进行了对比试验，试验结果见图2～图4。

图2 试样在格尔木盐渍土壤中的腐蚀图

图3 试样在鹰潭酸性土壤中的腐蚀图

根据测试结果，中科院给出了如下结论：

（1）在格尔木盐渍土壤中，铅护套铁路贯通地线的平均腐蚀速率约为0.490 mm/a，而铝合金护套铁路贯通地线的腐蚀速率小于3×10-3mm/a；

图4 试样在NS4水溶液中的腐蚀图

（2）在鹰潭酸性土壤中，铅护套铁路贯通地线的平均腐蚀速率约为0.062 mm/a，而铝合金护套铁路贯通地线的腐蚀速率小于5×10-3mm/a；

（3）在模拟土壤介质的NS4溶液中，铅护套铁路贯通地线的平均腐蚀速率约为5×10-3mm/a，而铝合金护套铁路贯通地线的腐蚀速率小于5×10-4mm/a；

（4）在两种土壤中和在NS4水溶液中，铝合金护套铁路贯通地线的腐蚀速率比铅护套铁路贯通地线的腐蚀速率要小得多。

另外，我们还委托通标标准技术服务（上海）有限公司化学试验室对铝合金护套的重金属含量进行了测试，测试结果见表1。

表1 铝合金护套有害物质测试结果

从表1可以看出，铝合金护套铁路贯通地线的环保性能符合国家规定。

铝合金护套铁路贯通地线研制成功后，很快在铁路上得以推广和使用，但铝合金护套因其独特的加工工艺和特殊的加工设备而难以在其它厂家得到生产推广，但以导电塑料护套为代表的铁路贯通地线却很快在大多数生产厂家得到推广生产。

其实上述现象我们认为这是人的心理认知机制决定的。我们生活中，会无时无处都处在各种各样的活动之中，日久天长，我们形成了各种各样的意象图式，说话时，我们组织语言就应按照“主谓宾”这顺序来组织语言，定义“手指”时我们会提及“手”。“A了(嘞)个B”式网络语我们根据旧有的语法经验和语言知识的积累可以明白其准确的含义，排除了不规则的逻辑和语法带给我们的干扰性。

3 导电塑料护套铁路综合贯通地线

该产品也是在铁道部禁用铅护套铁路贯通地线以后研发的一种产品。导电塑料贯通地线的结构是在内导体上挤包一层防腐蚀导电塑料护套，其导体结构与铝合金护套贯通地线的结构相同，导电塑料的熔点为180℃，密度为1.2 g/cm3，体积电阻率为0.6Ω·mm2/m。对目前使用的导电塑料护套的环保性能指标进行测试，测试结果见表2。

表2 导电塑料护套环保性能测试结果

从表2可以看出，导电塑料的环保性能符合要求。

导电塑料护套贯通地线的型号为DH，规格为35和70，表示贯通地线的内导体截面分别为35 mm2和70 mm2。技术条件对内导体的直流电阻值进行了规定。

导电塑料护套铁路贯通地线的导体设计相对简单，内导体的直流电阻只需符合要求即可，护套只考虑厚度满足要求便可。

导电塑料护套铁路贯通地线的加工工艺相对简单，导体为普通的绞合导体，护套可采用塑料挤出机挤出加工。由于导电塑料黏度大，硬度高，采用一般的螺杆生产比较困难，经反复试制，采用长径比为20∶1的低压螺杆。与铝合金护套铁路贯通地线相比，导电塑料贯通地线具有如下特点：电缆较柔软，施工方便；具有良好的耐土壤腐蚀性；加工工艺简单，容易被生产厂家采用并推广。

导电塑料护套铁路贯通地线研制成功后，很快在国内的铁路上得到使用推广，而且被铁道部质检中心列为CRCC认证产品，因此，该产品在铁路上的使用量远大于铝合金护套贯通地线。但其有以下缺点：

（2）耐温等级低，在100℃时就开始变软，而且导电性也急剧下降，因此不能承受较大的短路电流和雷击电流。

正是由于上述缺点，导电塑料护套贯通地线在使用不久就接连出现失火事故。专家们对失火原因进行了调查和分析，并得出如下结论：一是导电塑料护套贯通地线瞬间泄流不够，在遇大电流通过时易出现护套燃烧现象；二是长时间使用，高分子材料护套存在不同程度的老化和劣化情况，导电率下降；三是高分子材料护套的电阻率远高于金属护套的电阻率，不利于地线的泄流。鉴于这种原因，铁道部运输局出台了［2012］359号文件《铁路部运输局关于规范贯通地线运用的通知》，通知中明确规定：“为规范贯通地线材质，确保高铁运行安全，从即日起，普速铁路和客专线路的综合贯通地线，必须使用外护套为金属护套或合金护套制造、并具有耐腐蚀性能的贯通地线，尚未招标采购的工程项目一律不得使用导电塑料护套贯通地线”。自此以后，导电塑料护套贯通地线退出了历史舞台。

4 铜合金护套铁路贯通地线

铁道部禁止使用导电塑料护套贯通地线以后，于2012年出台了TJ/DW 142—2012《铁路贯通地线暂行技术条件》，该技术条件对铁路贯通地线的导体和护套的技术要求作了详细的规定。其中，导体的截面为35 mm2和70 mm2，合金护套为无缝护套，其厚度为1.0 mm，20℃体积电阻率≤0.09 Ω·mm2/m，其他技术指标要求见表3。

表3 铜合金护套技术指标

根据暂行技术条件的要求，我们对贯通地线的护套材料进行了筛选，能够同时满足抗拉强度≥260 MPa和20℃体积电阻率≤0.09Ω·mm2/m的材质很有限，铝及铝合金材料的抗拉强度达不到要求，紫铜的抗拉强度和耐腐蚀性不能满足要求，而铜合金材料中，黄铜和铍青铜的体积电阻率、抗拉强度和耐腐蚀性可满足要求。

铍青铜是一种含铍铜基合金，具有很高的机械强度和耐磨性，导电性和导热性好，能够抵抗各种酸碱的腐蚀，同时易于加工，是制作铁路贯通地线的理想材料。但铍青铜在检测中发现含有氰化物，有可能对人体或环境产生二次伤害，因此，采用铍青铜的方案暂被搁置。

另一种材料是黄铜，从黄铜合金材料中，我们选取了H65黄铜（M），H65黄铜具有良好的导电性能，电阻率≤0.075Ω·mm2/m；良好的机械物理性能，抗拉强度≥290 N/mm2，断裂伸长率≥40%；具有良好的耐土壤腐蚀性，可满足铁路贯通地线的使用要求。H65黄铜的化学成份见表4。

表4 H 65黄铜的化学成分表 （单位：g·kg-1）

从表4中可以看出，H65型黄铜的环保性能符合表3的要求。

由于黄铜比较硬，强度大，熔化温度高，因此，采用连续挤压包覆的方式生产难度很大，目前国内还没有见到采用此方法生产黄铜护套或黄铜管的文献报道；另一种方案是采用连续纵包焊接工艺，由于铜合金护套的厚度为1.0 mm，且硬度大，变形困难，采用传统的纵包焊接工艺很难实现，因此，须对成型装置进行改进。通过对成型装置、拉拔模具和焊接工艺进行改进，最终实现了黄铜合金护套铁路贯通地线的生产。但采用这种工艺生产铁路贯通地线还存在一些问题：一是生产速度慢，生产效率低；二是生产出的产品，合金护套与内导体之间难免会存在间隙，这种间隙会使铁路贯通地线在使用过程中，内导体与护套之间出现打火现象，长期打火会损伤铁路贯通地线，因此，在生产过程中必须对护套进行拉拔处理，消除地线与护套之间的间隙。由于采用了拉拔工艺，铁路贯通地线就会出现加工硬化，变得很硬，给施工带来很大不便，因此，在生产过程中还须增加退火和酸洗。退火的目的是让铁路贯通地线变软，酸洗的目的是清洗铁路贯通地线表面的氧化膜和杂质，使其表面变得光亮，增加产品的使用寿命。

铜合金护套铁路贯通地线研制成功后，经铁道部产品质量监督检验中心进行各项性能指标测试，全部符合铁路贯通地线的使用要求，该产品很快在铁路上得到推广应用。目前，我国铁路上使用的铁路贯通地线都是采用连续纵包焊接工艺生产的。

5 结束语

铁路贯通地线从早期的铅护套结构发展到目前的铜合金护套结构，已经过了几次结构设计的改进，使得铁路贯通地线的结构和性能更加符合要求。但目前采用连续纵包焊接工艺生产出的铁路贯通地线，护套上存在一条焊缝，这与TJ/DW 142—2012《铁路贯通地线暂行技术条件》中规定的无缝合金护套相矛盾。另外，由于焊缝的存在，难免会出现焊缝不牢、漏焊、气孔等缺陷，潮气或水可能渗到内导体中，导致内导体被氧化或腐蚀，影响产品的性能甚至出现事故。因此，应寻找一种新的生产方法来生产无缝护套的铁路贯通地线，从而进一步提高铁路贯通地线的产品质量，以满足快速发展的铁路运输的要求。

［1］ 魏大章，曹琦.环保型铁路贯通地线的设计和研究［J］.电气化铁道，2007（2）：43-45.

［2］ 丁贤军.铝连续挤包机在铝合金护套贯通地线生产中的应用［J］.电线电缆，2007（4）：19-20.

The Structure Im provement for Railway Composite Through-Line Ground W ire

YANG Bao-gen，HEIGuang-jie，LIJun-xia
（Tainshui Railway Cable Co.，Ltd.，Tianshui741000，China）

Introduced the improvement process of the composite through-line ground wire used in railway.summarized the properties and the advantages and the shorts of each sheathed-structure through-line ground wire.Proposed improvemethods for future development about through-line ground wire.

through-line ground wire；improvement process；properties；advantages and shorts

TM246.9

：A

：1672-6901（2016）06-0008-05

2016-08-19

杨宝根（1975-），男，高级工程师.

作者地址：甘肃天水市秦州区坚家河4号［741000］.

的发展提出了改进意见。