地铁防杂散电流的钢轨绝缘涂层研究

何广飞 罗旭光 卢玉龙

摘 要：地铁工程在设计和施工方面需对杂散电流采取有效的限制措施，降低其不利影响。杂散电流常规解决方案为通过连接道床钢筋和杂散电流端子收集杂散电流到变电所。近年来出现更佳的杂散电流解决方案，具体为采用新型纳米瓷绝缘涂层对钢轨全包覆，该方法在厦门地铁 3 号线双十中学站—五缘湾站区间进行实地试验，试验结果表明：常规措施下钢轨对排流网的过渡电阻为 15.3Ω · km，而涂层处理地段钢轨对排流网过渡电阻达到 25.6Ω · km，表明纳米瓷涂层绝缘效果显著。

关键词：地铁;杂散电流;钢轨涂层;绝缘性

中图分类号：U228.2

目前，地铁的供电系统通常采用直流牵引供电，地铁列车运行所需电流来自牵引变电所，变电所通过接触网为列车供电，列车车轮与钢轨接触，牵引电流经由钢轨回流至变电所。但在地铁实际运行中，如果钢轨与大地之间的绝缘不满足要求、杂散电流漏泄电流密度超过规范允许值，则漏泄电流会从钢轨流入大地，对附近的电气设备、设施造成不同程度的影响，还会对钢筋混凝土结构和附近的金属管线造成危害。对于地铁附近重要管道等较为密集或距离近、馈电距离过长的地段，需要增强轨道对地绝缘电阻，以此更大限度减少杂散电流漏泄，不断探索更佳的绝缘措施。

地铁杂散电流防护一般采取2种防护方式：①被动防护，即在地铁附近的金属管道、钢筋混凝土结构上采取防腐处理;②主动防护，即在地铁工程的轨道绝缘、杂散电流收集等方面采取措施。本文研究的就是主动防护措施之一，钢轨绝缘涂层，拟在工程现场进行钢轨绝缘涂层试验分析，研究轨道绝缘效果。

对厦门地铁3号线双十中学站—五缘湾站区间右线300 m长轨道进行涂层绝缘处理，通过对比测量普通地段和涂层处理地段钢轨对排流网的过渡电阻，评估纳米瓷绝缘涂层的实际应用效果。

1 纳米瓷涂层及其性能

纳米瓷涂层是纳米级颗粒对微米级颗粒及铁基表面包覆、渗透，紧密堆积，与基材结合更加紧密（图1），能有效提高涂层的附着力与耐磨性。另外，碳纳米管纤维的穿插交错，可有效分散涂层内各类应力，进一步提高涂层的综合性能。

表1测试结果表明，纳米瓷涂层的各项性能良好，满足轨道的应用条件，可达到高效绝缘、良好防腐、长期阻断杂散电流的作用。

纳米瓷涂层材料可实现在钢轨全长范围内无间断包裹，产生质的改进，获得良好的杂散电流防治效果。

2 纳米瓷涂层施工

利用绝缘、防腐及耐磨性能优异的纳米瓷涂层材料，涂敷钢轨的侧面与底面，实现钢轨全长范围内无缝包裹。具体钢轨涂覆位置见图2，图中标蓝色部位是涂覆的位置。

（1）对钢轨所有需要涂刷区域进行表面清理。首先采用除锈设备对钢轨所有需要涂敷表面进行清理，达到表面清洁度St3级的要求。除锈完成后，在涂覆之前用稀释剂对钢轨表面进行擦拭，除去表面的灰尘等。

（2）涂料的配置。涂料甲、乙两组分按照一定的比例配置，搅拌均匀后，即可涂装。涂装工作应在气温5～40 ℃、相对湿度85%的环境下进行，基体表面温度应高于露点3 ℃。可采用刷涂、辊涂、有气和高压无气喷涂。

（3）钢轨3遍涂布施工。采用刷辊涂、喷涂等，单道涂覆干膜厚度为50～60μm，3遍涂覆后涂层厚度不低于120μm。在完成3遍涂覆并干燥后对漆膜厚度进行检测，不满足要求的进行补涂，整体补涂工序不应超过2遍，避免涂层过厚导致附着性能下降。

（4）吊装及焊接后的补涂。在钢轨吊装及焊轨完成后，需对焊接部位进行表面除油、除锈处理，达到表面要求后进行涂覆，同时对钢轨吊装过程中产生的局部破坏部位进行补涂。

（5）钢轨涂覆涂层整体厚度的检测及验收。

具体的涂层施工流程见图3。

3 绝缘涂层测试

3.1 评价测试方法

对纳米瓷涂层的地段与普通路段钢轨过渡电阻进行对比测试，评估纳米瓷涂层的实际应用效果。钢轨对排流网过渡电阻遵循GB/T 28026.2-2018《轨道交通地面装置电气安全、接地和回流 第2部分：直流牵引供电系统杂散电流的防护措施》，隧道内钢轨对排流网的过渡电阻测量原理如图4所示。

3.2 测试结果与分析

对普通地段钢轨对排流网过渡电阻进行检测，计算得出钢轨对排流网过渡电阻为15.3 Ω · km。而对纳米瓷涂层处理地段钢轨对排流网过渡电阻进行检测，计算得出钢轨对排流网过渡电阻达到25.6 Ω · km。

根据CJJ/T 49-2020《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》要求，新建地铁线路钢轨对排流网的过渡电阻不应小于15 Ω · km，运行线路不应小于3 Ω · km，而纳米瓷涂层处理地段的钢轨过渡电阻值比标准要求增加了10.6Ω · km，表明纳米瓷涂层对钢轨的绝缘效果好，可有效解决地铁运营过程中的杂散电流问题。

4 结论

（1）纳米瓷涂料采用了先进的纳米技术，其综合性能与普通高性能涂料相比有本质性提高，无论其电气性能、机械性能、耐老化性能，均表现优异，可作为解决轨道杂散电流的绝缘涂料。

（2）納米瓷涂料施工安全性高，涂覆工艺简单，施工过程易控制，可满足地铁钢轨涂覆质量的要求。

（3）通过对纳米瓷涂层的地段及普通地段进行对比测试，纳米瓷涂层处理地段的钢轨过渡电阻值比普通地段增加了10.3 Ω · km，表明纳米瓷涂层地段绝缘值冗余度更高，在限制杂散电流方面更可靠，适宜后续推广。

参考文献

[1]中华人民共和国住房与城乡建设部. CJJ/T 49-2020地铁杂散电流腐蚀防护技术标准[S]. 2020.

[2]庞原冰. 城市轨道交通杂散电流研究[D]. 四川成都：西南交通大学，2008.

[3]李建华. 地铁杂散电流动态概率分布及其腐蚀防护的研究[D]. 四川成都：西南交通大学，2016.

[4]赵杰. 地铁盾构管片钢筋混凝土保护层开裂预测模型研究[D]. 江西南昌：华东交通大学，2016.

[5]干伟忠，高明赞. 杂散电流对钢筋混凝土结构耐久性的影响[J]. 混凝土，2009（6）：21-24，45.

[6]谢宗桀. 地铁独立轨回流技术应用研究[J]. 铁路技术创新，2018（2）：113-116.

[7]秦志国. 地铁杂散电流分布与监测防护系统的研究[D]. 湖南长沙：湖南大学，2011.

[8]赵煜，李威. 广州地铁杂散电流实时监测系统设计及应用[J]. 城市轨道交通研究，2001（1）：63-65.

[9]TB/T 3395.1-2015 高速铁路扣件 第1部分：通用技术条件[S]. 2015.

[10] TB/T 3396.1-2015 高速铁路扣件系统试验方法 第1部分：钢轨纵向阻力的测定[S]. 2015.

[11] TB/T 3396.2-2015 高速铁路扣件系统试验方法 第2部分：组装扣压力的测定[S]. 2015.

[12] TB/T 3396.3-2015 高速铁路扣件系统试验方法 第3部分：组装静刚度的测定[S]. 2015.

[13] TB/T 3396.4-2015 高速铁路扣件系统试验方法 第4部分：组装疲劳性能试验[S]. 2015.

[14] TB/T 3396.5-2015 高速铁路扣件系统试验方法 第5部分：绝缘电阻的测定[S]. 2015.

[15] GB/T 28026.2-2018 轨道交通 地面装置 电气安全、接地和回流 第2部分：直流牵引供电系统杂散电流的防护措施[S]. 2018.

收稿日期 2020-09-08

责任编辑 冒一平