一種新型軌道交通供電回流電纜與鋼軌連接方式

劉勝林

摘要：介紹國(guó)內(nèi)軌道交通供電電纜與鋼軌的主要連接方式，并進(jìn)行比選。在總結(jié)焊接和栓接方案的基礎(chǔ)上，引入介紹一種新型連接方式，低溫釬焊銅排。

關(guān)鍵詞：電纜與鋼軌連接；低溫釬焊；銅排

0.引言

目前，國(guó)內(nèi)的連接方式有焊接和栓接兩種基本型式，應(yīng)用的城市和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)也都比較豐富?？傮w而言，只要施工工藝控制得當(dāng)，兩種基本連接方式都能滿足供電系統(tǒng)的運(yùn)行要求。具體結(jié)合不同的地區(qū)環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)操作難易程度、施工質(zhì)量控制、運(yùn)營(yíng)使用習(xí)慣等情況，不同的地鐵項(xiàng)目也反映存在一些問題。

1.國(guó)內(nèi)軌道交通電纜與鋼軌連接方式

1.1放熱焊

放熱焊是從國(guó)外引進(jìn)直接應(yīng)用的焊接方法，其原理是通過鋁與氧化銅的化學(xué)反應(yīng)（放熱反應(yīng)）產(chǎn)生液態(tài)高溫銅液和氧化鋁的殘?jiān)?，并利用放熱反?yīng)所產(chǎn)生的高溫來實(shí)現(xiàn)高性能電氣熔接的現(xiàn)代焊接工藝。武漢輕軌、北京地鐵、上海地鐵、南京地鐵等均采用。

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)地鐵的做法，均回流電纜與鋼軌的焊接連接方式分為兩種，一種為電纜銅芯與鋼軌的放熱焊接，一種為銅排直接與鋼軌的放熱焊接，線纜再與銅排上的螺栓孔連接。

銅排與鋼軌直接焊接的方式，由于多根電纜連接到銅排后，受力較大，且處于頻繁的鋼軌低頻振動(dòng)下，容易造成焊接處發(fā)生脫落甚至是斷裂，目前已經(jīng)基本淘汰。單根電纜焊接方式連接穩(wěn)定可靠，過渡電阻小，且結(jié)合面無(wú)腐蝕。經(jīng)過長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)后，過渡電阻變化很小。但是從國(guó)內(nèi)實(shí)施的情況來看，放熱焊工藝容易對(duì)鋼軌產(chǎn)生馬氏體組織，導(dǎo)致鋼軌局部區(qū)域脆化，造成鋼軌損傷。

1.2電弧焊

電弧焊是利用電弧放電所產(chǎn)生的熱量將焊條與工件互相熔化并在冷凝后形成焊縫，從而獲得牢固接頭。此種連接方式在廣州地鐵、北京地鐵有采用。

由于單根電纜外徑較大，先將單根的軟電纜分成三股，每股電纜都進(jìn)行編扎，編扎后的末端使用終端頭固定，再將終端頭焊接至鋼軌腰部。采用電弧焊工藝的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需對(duì)鋼軌溫度預(yù)熱，低溫下可操作。由于是點(diǎn)焊，回流電纜還需分成幾股分別與鋼軌焊接。這樣造成了電纜與鋼軌的連接點(diǎn)多，占用鋼軌長(zhǎng)度長(zhǎng)，個(gè)別點(diǎn)如果松脫不易發(fā)現(xiàn)，且連接強(qiáng)度不高，容易造成回路電阻增大，回流不暢。該連接方案目前僅在廣州地鐵有少量采用。

1.3脹釘栓接法

脹釘式栓接的主要原理：壓接。將脹釘裝入鉆好的孔中，利用液壓拉鉚機(jī)將銅脹套全表面密壓于鋼軌的孔壁上，再用防松螺母將電纜線鼻子通過螺桿與銅脹套壓接上緊。這樣一來，脹釘與電纜線鼻和鋼軌通過機(jī)械方式緊密連接，以達(dá)到電纜線鼻、脹釘及鋼軌之間的低阻值的電流傳輸。這三者之間的貼合面即為電流傳輸?shù)慕佑|面，如圖1-4脹釘法栓接工藝照片所示。

栓接方式需要在鋼軌上打孔，對(duì)鉆孔直徑和打孔間距都有嚴(yán)格的要求。栓接方式近期可以滿足過渡電阻不大于1米長(zhǎng)（標(biāo)準(zhǔn)60kg鋼軌）鋼軌電阻值的要求，但是由于栓接方式存在松動(dòng)、銹蝕等問題，所以在列車頻繁振動(dòng)的情況下，可能會(huì)造成螺栓接頭處電阻增大，進(jìn)而抬高鋼軌電位。參考國(guó)外試驗(yàn)報(bào)告表明，運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，采用栓接方式的連接處在長(zhǎng)期低頻振動(dòng)條件下或連接件銹蝕等原因會(huì)導(dǎo)致過渡電阻略微增大。該連接方案在北京地鐵、天津地鐵、青島地鐵、沈陽(yáng)地鐵及長(zhǎng)沙地鐵均有應(yīng)用。

1.4塞釘法

塞釘法原理：擠壓。通過外力將錐形塞釘強(qiáng)行釘入到鋼軌鉆孔中。在電氣化鐵路供電系統(tǒng)回流中使用較多。地鐵里的使用條件較特殊，電壓等級(jí)低，回流電流大。鋼軌作為回流軌使用，為了降低鋼軌電位，減少雜散電流腐蝕以及旅客觸電事故的發(fā)生，要求鋼軌回路的電阻應(yīng)盡量小。若采用塞釘方式，由于鉆孔與塞釘是錐形接觸，接觸電阻值不易達(dá)標(biāo)，容易造成連接處發(fā)熱燒損，影響回流路徑的暢通。

2.連接方式的比選

從上述分析可以看出，焊接與螺栓連接方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。從滿足供電系統(tǒng)功能以及便于運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面而言，焊接較好，但是存在施工工藝復(fù)雜，對(duì)鋼軌材質(zhì)具有一定要求的缺點(diǎn)。

3.新型連接方式-低溫釬焊銅排

天津地鐵、深圳地鐵早期嘗試過將銅排與鋼軌直接進(jìn)行螺栓連接，連接時(shí)先將鋼軌表面進(jìn)行打磨光滑，并在二者接觸面涂上導(dǎo)電膏，然后再用螺栓緊固。由于鋼軌軌腰表面并非規(guī)則的平整面，傳統(tǒng)螺栓連接銅排與鋼軌機(jī)械結(jié)合存在間隙，隨著溫度升高和運(yùn)行時(shí)間推移，導(dǎo)電膏失效，鋼軌振動(dòng)和氧化加劇，導(dǎo)致接觸電阻加大，從而出現(xiàn)發(fā)熱和放電現(xiàn)象，給鋼軌帶來一定的損傷。

在上述問題基礎(chǔ)上，經(jīng)過研究改進(jìn)，近幾年個(gè)別城市地鐵出現(xiàn)了采用通過大面積低溫（≯350℃）釬焊工藝和電氣連接脹釘栓接工藝結(jié)合的連接方式。

首先根據(jù)載流量要求，選用規(guī)格合適的“L”型銅排，通過兩個(gè)電氣脹釘栓接固定在鋼軌上。安裝前，同樣先對(duì)鋼軌的接觸面進(jìn)行打磨除銹。銅排與鋼軌間設(shè)置了密封條，釬焊時(shí)，釬劑在加熱熔化后流入焊件的間隙，同時(shí)熔化的釬劑與母材表面發(fā)生物化作用，從而清凈母材表面，為釬料填縫創(chuàng)造條件。隨著加熱溫度的繼續(xù)升高，釬料開始熔化并填縫，釬料在排除釬劑殘?jiān)⑻钊牒讣g隙的同時(shí)，熔化的釬料與固態(tài)母材之間發(fā)生物化作用。當(dāng)釬料填滿間隙，經(jīng)過一定時(shí)間保溫后就開始冷卻、凝固，完成整個(gè)釬焊過程，從而達(dá)到銅排與鋼軌無(wú)間隙連接。

4.結(jié)束語(yǔ)

低溫釬焊銅排相比放熱焊接，降低了施工工藝要求，對(duì)鋼軌本體的影響也大大減少，同時(shí)又保留了焊接的特性，通過釬劑填補(bǔ)了鋼軌與銅排之間的空隙，并增加了導(dǎo)流截面，使得電氣回流通路上的接觸電阻值能夠滿足供電系統(tǒng)的要求。除了電氣性能滿足要求外，在疲勞振動(dòng)性能要求上也能夠滿足地鐵里持續(xù)的低頻振動(dòng)的運(yùn)行工況要求。它作為一種新型電纜與鋼軌的連接方式，值得關(guān)注和研究。

【參考文獻(xiàn)】

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