城市軌道交通鋼軌電阻測量及電耗研究

摘　要　討論了鋼軌電阻室內、外測量的儀器、方法及內容。通過室內測量數據建立了電阻測值與鋼軌的測點位置、測段長度、支撐條件、溫度、使用程度等的變化關系模型;通過現場測量得到了PD3 型60 kg/m 軌、U71MnSi 型50 kg/ m 軌的大樣本電阻實測值的統計分析結果。最后,對上海莘閔線兩種鋼軌軌道結構下的電能消耗差進行了估算, 對我國城市輕軌交通的鋼軌選型有借鑒意義。
關鍵詞　城市軌道交通,鋼軌選型,電阻測量,電能消耗
1 　引言
目前,在城市輕軌交通的鋼軌類型選擇上,專家們的看法尚不一致,有的主張采用50 kg/m 軌, 有的主張采用60 kg/m 軌。前者的主要理由是: 50 kg/m 軌無縫線路的大修周期內的通過總重為550 ×106 t·km/ km , 對于軸重及客運量均較小的輕軌系統,已經足以維持20 年鋼軌壽命期內的強度等要求,因而采用60 kg/m 軌會不必要地增加初期投資。后者的主要理由是:60 kg/ m 軌因具有較大的截面積而減小了其電阻值,從而使得運營以后的電能消耗減少,其電能節約成本超過因采用60 kg/ m 軌而增加的初期投資值。根據理論計算,對于長度10 km 的線路,采用60 kg/m 軌比50 kg/m 軌在20 年中可節省的電能達到1 000 萬kW·h 以上,相應的價值遠大于其增加的初期投資,因而選擇60 kg/ m 軌是較經濟合理的。這里,實際節省的電能是否能夠達到理論計算的數值,是進行正確決策的關鍵。而實際電能節省問題又歸結為鋼軌電阻實測的問題。為此,我們對現階段50 kg/m 軌、60 kg/m 軌的主型鋼軌進行大樣本的電阻測量,為輕軌交通的鋼軌選型決策提供依據。
2 　鋼軌電阻的測量
2. 1 　實驗室內測量
1. 測試儀器選擇
鋼軌電阻屬于低值電阻,每米鋼軌的阻值只有幾十微歐。目前,國內可測低值電阻的儀器有:武漢水利電力大學的智能高精度微電阻測試儀、天津大學的恒定直流功率負荷下晶硅微電阻測量儀、北方交通大學的電力變壓器直流電阻測試儀、同濟大學的微歐級TZ-11T 型數字式接觸電阻檢測儀,等等。由于TZ-11T 型數字式測量儀能夠適應數十米、數百米的長鋼軌電阻測量,故選用同濟大學的TZ-11T 型數字式接觸電阻檢測儀,其測量誤差為1 % 。
2. 測試對象及測試目的
我國目前50 kg/m 軌、60 kg/m 軌的主型產品為U71MnSi 、PD3 , 故我們主要測試這兩種鋼軌的電阻值及差異程度。
現場鋼軌電阻的測試受空間、時間等條件的限制。試驗室鋼軌電阻測試研究能保證現場電阻測試工作順利而有效,同時,還要研究測試鋼軌電阻與鋼軌測段長度、鋼軌支承條件、測試溫度的關系。
3. 測點位置對鋼軌電阻測值的影響
鋼軌是橫斷面為“工字形”的導體,在現場實測時,由于不能測量鋼軌兩斷面形心之間的電阻,因而需要研究表面測點的測值誤差問題。測點位置如圖1 所示,測量分析結果如表1 所示。

　表1 　斷面測點測值與表面測點測值之間的關系
表面測點測值比斷面D2 測點測值增大的百分率/ (%)
測段長度(米)

圖1 　鋼軌電阻測點位置示意圖由表1 得到下述結論:
(1) 測筆放在B4 位置得到的測量結果最準確;
(2) 測筆在不同位置的測量誤差與測段長度成反比。當測段長度大于20 m 時, 測量誤差在0. 1 % 以下。
4. 測段長度對鋼軌電阻測值的影響
電阻測值精度與測段長度有一定的關系,測段越長,測得的電阻值精度越高。測量分析結果如圖2 所示。長度測值系數=(平均測值/ 本測段長度)/ (100 m 測段平均測值/ 100)
5. 鋼軌支承條件對鋼軌電阻測值的影響
根據測量數據統計分析得到:整體道床結構與有碴道床結構在有無扣件狀態下的鋼軌電阻測值基本相同。
6. 溫度對鋼軌電阻測值的影響
鋼軌電阻隨溫度正比例變化[1 ] 。據測量數據統計分析得:以20 ℃ 時的電阻為標準,溫度升高或降低10 ℃, 相應的電阻測值增高或降低0. 6 %～ 0. 7 % 。
7. 鋼軌使用程度對鋼軌電阻測值的影響
鋼軌使用程度對其電阻有較明顯的影響[3 ] 。在鋼軌壽命期末,由于鋼軌軌頭磨耗較大,截面縮小,導致鋼軌電阻增大,增大幅度約5 %～6 % 。鋼軌使用中期的電阻比新鋼軌增大的阻值可取3 % 。
8. 鋼軌材質對鋼軌電阻測值的影響
(1) 對同一段鋼軌,其測值波動范圍很小,誤差在0. 5 % 以下。電阻測值波動范圍為0. 2～ 0. 3 μΩ/m。
(2) 無論是50 kg/m 軌還是60 kg/m 軌,不同的樣本取材對鋼軌電阻影響較大,其誤差范圍達到5 %～8 % , 電阻測值的波動范圍在2～3μΩ/m。這說明鋼軌材質對電阻測值有較明顯的影響。

2. 2 　現場鋼軌電阻實測
現場鋼軌測試儀器仍然采用TZ-11T 型數字式測量儀,測段長度取50 m 。1. 60 kg/m 軌現場電阻實測60 kg/m 軌現場實測對象是上海市軌道交通明珠一期線路的無縫線路實測范圍選擇了4 個區段:龍漕路站～ 漕溪路站、中潭路站～ 上海火車站站、上海火車站站～ 寶山路站、寶山路站～ 寶興路站,有效測量范圍為5 000 m 。在這些區段中,包括各種大小坡道(坡度最大值為28. 5 ‰,最小為平坡) 、大小曲線(最小曲線半徑為390 m) 、高架線路和地面線路,線路平縱斷面情況較具代表性。由實測數據統計分析得到:當溫度在20 ℃ 左右時,60 kg/ m 軌(PD3) 現場實測的平均電阻為34. 36μΩ/m , 均方差0.58μΩ/m。2. 50 kg/m 軌現場電阻實測50 kg/m 軌現場實測對象是上海客技站的線路,有效測量范圍為2 000 m 。由實測數據統計分析得到: 當溫度在20 ℃ 左40. 76μΩ/m , 均方差0. 67μΩ/m。右時, 實測50 kg/m 軌(U71MnSi) 的平均電阻為

圖2 　測段長度與其電阻測值平均值之間的關系萬人次/h , 遠期2. 86 萬人次/ h) 下,我們進行了電3 　鋼軌電能消耗比較分析力牽引模擬計算,得到各牽引變電所區段間的接觸網的有效電流, 詳見文獻[ 4 ] 。按目前電價兩種類型的鋼軌能耗差ΔAg 與鋼軌的電阻差0. 80 元/ (kW·h) 、貼現率8 % 計算,采用60 kg/m 軌( Rg2 -Rg1) 成正比[ 3 ] ,即: (PD3) 比50 kg/m 軌(U71MnSi) 在20 年中所節省的ΔA g=( Rg2 -Rg1) ·I2kyx t (1) 電能消耗為339 萬元。而采用60 kg/m 軌(PD3) 比其中, t 為時間; Ikyx 為接觸網饋線有效電流,可通50 kg/m 軌(U71MnSi) 所增加的初期投資為338 萬過電力牽引模擬計算得到。元。在上海莘閔輕軌交通線的客流條件(高峰小時因此,在類似于莘閔輕軌客流條件或更大運量單向最大斷面流量:初期1. 17 萬人次/h , 近期2. 13的軌道交通線路中,采用60 kg/m 軌替代50 kg/m 軌在經濟上是合理的。
參　考　文　獻
1 　董志洪. 世界H 型鋼與鋼軌生產技術. 北京:冶金工業出版社,1999

2 　劉芳田,王冕、鄭瞳熾等. 剛體接觸導線的介紹. 見:上海城市快速軌道交通供電系統可行性研究專題報告,1984

3 　瓦洛寧A B 著. 電力鐵道的供電. 曹建猷、李警路等譯. 北京:人民鐵道出版社,1958

4 　顧保南,葉霞飛,董文敏等. 城市輕軌交通鋼軌選型研究課題報告. 2001