地铁供电均、回流电缆与钢轨胀接方式的分析与探讨

摘要：目前国内地铁供电回流电缆与钢轨连接方式普遍采用放热焊、铜板螺栓连接方式。由于这些连接方式均对施工安装工艺、材料制造及环境要求较高，现场施工人员很难控制，因而在国内多个城市地铁运行中出现不少均回流连接问题造成钢轨烧伤和钢轨重伤事件，给地铁运营带来较大的安全隐患。文章结合国内城市地铁放热焊接和铜板螺栓连接方式导致多处钢轨重伤换轨的实例进行深入的分析和探讨，指出不足之处，提出整改建议，为轨道交通地铁行业供电维修技术人员及新线设计、建设人员提供了参考经验。

关键词：地铁供电；回流电缆；钢轨胀接；胀接分析

中图分类号：U231 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）23-0096-03

1 概述

随着我国城市轨道交通的迅猛发展，国内对地铁高压供电系统的安全、优质、可靠、连续性供电要求越来越高。牵引均回流电缆与钢轨连接质量，不但直接影响地铁牵引供电回流不畅、打火，甚至造成钢轨严重损伤和断轨。目前，国内绝大部分城市地铁供电回流与钢轨连接方式采用放热焊和螺栓连接方式，少量城市地铁线也开始采用光焊接方式。但随着放热焊和螺栓连接方式相继在各城市地铁线路出现重伤钢轨，严重影响运营安全后。如在北京地铁八通线和13号线运营中出现电缆与钢轨焊接部位断轨和重伤数10起，而在深圳地铁采用螺栓连接在开通运行短短两年时间中烧伤钢轨23起和换轨超过13起。近年来，国外及南方地铁城市开始使用胀接方式替代其他连接方式，文中对该连接方式的优缺点和应用前景进行分析探讨。

2 深圳地铁均回流电缆烧损原因分析

2.1 高架段铜排焊接连接方式及烧损原因

深圳地铁三号线高架段地铁牵引回流与钢轨连接方式采用如图1所示放热焊方式，先将铜板与钢轨左右轨采用放热焊方式相焊接，再将7根牵引回流电缆与焊接铜排采用螺栓方式相连。此线路2010年投入运行，到2012年年底，在两年的运行时间里，80%焊接点出现不同程度的脱焊放电拉弧现象，并重伤钢轨2起，轻伤2起。仅剩5处未脱焊。烧伤脱焊主要原因是放热焊焊接口在长期列车振动和钢轨热胀冷缩作用下，出现脱焊和断裂。

2.2 地下段螺栓加特制铜排连接方式及烧伤原因

深圳地铁三号线地下段地铁牵引回流与钢轨连接方式采用如下图所示铜板螺栓连接方式，先加工两块钢轨轨腰面相吻合的铜板，再将两块铜板夹到同一钢轨轨腰两侧，用4颗12高强度螺栓连接好后，再将7根牵引回流电缆与过渡铜排采用钢制螺栓方式相连。此种运行方式，在投运不到两年中，先后出现大量钢轨与回流铜排连接处、均流普通螺栓连接处大面积烧伤或重伤钢轨10多起。其主要原因是接触面及螺栓与螺孔有空隙，不可能密闭连接，加上钢轨易氧化，导致通流面越来越少，先由面到线再到点接触而出现打火烧伤，导致全线均回流连接方式彻底整改。

3 均、回流电缆与钢轨连接方式分析

3.1 放热焊接

放热焊接是国内既有地铁运营线路中应用最广的方式，主要利用铜的氧化物，在一定高温的条件下，发生还原反应，将铜置出来，变成高温金属铜熔液，在特制模具的包裹下，将需要焊接的两种金属熔接在一起，形成稳固分子结合，相比传统的金属连接工艺具有更强的耐腐蚀能力、过载能力以及热稳定性，同时还具有焊接速度快、焊接牢固、维修工作量少、不易腐蚀、接触电阻小、无需外加能源等优点。但此种焊接方式经对国内数家地铁了解，发现地铁均、回流电缆与钢轨连接采用放热焊时，主要在北方冬季，由于天气寒冷、焊前钢轨预热和焊后保温难、焊药质量差、焊上加焊、重复焊、焊点过密及施工除锈不彻底等多重原因造成焊点脱焊、重伤钢轨和断轨。但其根原主要是由于铜及其合金的导热系数、线胀系数和收缩率大，焊后冷却速度快，使之易出现气孔和未熔合缺陷，导致熔合区过热产生较多马氏体，使钢轨含碳量过高、变硬、变脆，在焊接处内应力和长期疲劳的作用下，出现如北京地铁八通线和13号线回流电缆与钢轨焊接部位脱焊、重伤钢轨和断轨现象。

3.2 螺栓连接

螺栓连接方式主要采用预先加工与钢轨相吻合的过渡回流铜夹板，在钢轨中和轴上打孔，再用防松螺栓使过渡回流铜板与钢轨连接，最后将回流电缆与过渡铜排用防松螺栓连接。如上图所示，深圳地铁三号线回流铜排采用螺栓连接方式，回流铜排螺栓孔数为3个，孔距为180mm，孔洞直径为13、连接螺栓采用高强度12的不锈钢螺栓。钢轨两面夹回流铜板，电缆直接连接在连接铜板上。但此种连接方式其优点是施工方便、工艺简单、成本低、更换维修方便。其缺点是螺栓与孔洞之间及回流铜板与钢轨轨腰面很难紧密结合，存在一定间隙，随着雨淋日晒和运行时间推移，导电膏失效、钢轨振动和氧化加剧，导致接触电阻过大，从而在螺栓、铜板连接处及钢轨中间的螺杆出现发热和放电烧伤现象。深圳地铁三号线螺栓连接普遍存在轻伤和重伤钢轨数10起。

3.3 光焊连接

光焊接采用了硬钎焊的基本原理，利用直流电压、大电流经起弧提供光热能，熔化焊料焊剂，然后将其压到焊接面上，使之渗透到焊体表面，让分子之间形成坚实紧密的焊接层，达到焊接目的。如广州地铁五号线采用的回流光焊，实际上是一种低温冷焊技术，它需要产生的温度较低，一般控制在600℃～700℃，焊接时间控制在1秒左右，较放热焊1100℃及以上的温度要低得多，故在南方基本无需预热和保温，且对钢轨伤害较放热焊少，产生马氏体量较少。但其缺点是不同焊接件截面、体积、大小和环境温度都对焊接拉弧时间及焊接温度不好控制。易出现焊料溢出、焊点凹陷、拉弧时间过短焊料未能完全熔化、焊点凸出、焊点松动等缺陷。导致焊接成功率较其他方式低，返工率高，因而在国内地铁系统中也未得到推广使用。

3.4 胀钉连接

胀接方式是用轨道交通专用胀钉将地铁供电均、回流电缆与钢轨连接。单面胀钉基本组成包括不锈钢垫圈、镀锡铜套、不锈钢螺栓、不锈钢扁平垫圈及不锈钢自锁螺母。安装方式是先用高精度专用配套

装夹式钢轨钻孔机对钢轨钻孔、去毛刺、再用专用胀接液压工具将圆柱体铜套安装在钢轨孔内锁紧，最后用螺栓将转接铜线鼻子进行连接即可。胀接方式主要优点是胀钉铜套能与钢轨孔内面紧密压接不留气隙、抗氧化、接触面大、接触电阻小、通流能力强等优点。由于胀钉导流主要是通过铜套与铜线鼻子形成通路，不经连接螺杆导流，从而避免了螺栓连接方式导流不畅烧伤钢轨的隐患。其缺点是质量好的胀钉价格较高、需配置专用钢轨高精度空心钻头，胀钉插入液压工具等，如图5所示：

4 均、回流电缆与钢轨连接缺陷的整改

经过国（含港铁）内多家地铁连接方式调研结论，针对深圳地铁三号线均、回流电缆焊接及螺栓连接出现的问题进行全线整改，对回流电缆改用直径为19mm或22mm的进口单面全胀式胀钉连接，尽量利用原有螺孔进行扩孔，相邻孔边到孔边的净距离必须大于60mm，并对标准胀钉胀接方式进行更优化改进如下图，采用过渡回流板和绝缘板与钢轨隔离，使回流铜板一面直接与胀钉铜套相连，另一面与回流电缆线鼻子相连，从而更有效提高导电性能，防止连接处放电拉弧烧伤钢轨的隐患。而对均流电缆、OV电缆改用13.5mm的单面全胀式胀钉连接，原螺栓孔的孔径由Φ12mm扩至Φ13.5mm，扩孔后两个相邻孔边到孔边的净距离必须大于50mm。用此种方式进行整改，施工方便、作业工器具简单、利用夜间休车作业，对运营线路没有影响。整改后运行至今未发现任何钢轨烧损痕迹。

5 结语

胀接方式克服了放热焊易产生马氏体的缺点和光焊工艺难控制、焊接成功率低及螺栓连接不紧密、易氧化而烧伤钢轨的缺陷。具有施工及运营维修方便，在轨道交通实际应用中，尤其是既有地铁线路改造中，胀接方式更具优势，值得推广和使用，但地铁设计、建设、施工和运营供电人员需注意如下事项：

（1）钢轨钻孔一定要采用专用装夹式钻孔机，并配置专用高精度钻头，严格控制钻孔精度，防止孔洞偏斜和直径偏差过大。

（2）选用胀钉厂提供配套的专用胀钉插入工具，并正确选择压力值。

（3）钻孔和除去孔毛刺后，立即进行胀钉与钢轨胀接，否则孔内表面易产生氧化生锈，从而影响导电性能。

（4）钢轨两孔距之间要保持足够的安全距离，否则，可能引起钢轨硬伤过密和断轨。

（5）选用合适胀钉尺寸，满足载流量要求；同时，应采取防止线端子与钢轨直接接触而打火烧损。

参考文献

[1] 姚伟伟，等.地铁电缆与钢轨快速铜热焊接方法的分析与研究[J].城市轨道交通，2006，（1）.

[2] 赵惊华，等.供电均回流电缆在钢轨上的连接方式

[J].都市快轨交通，2013，（4）.