城市軌道交通鋼軌電阻測(cè)量及電耗研究

摘　要　討論了鋼軌電阻室內(nèi)、外測(cè)量的儀器、方法及內(nèi)容。通過(guò)室內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)建立了電阻測(cè)值與鋼軌的測(cè)點(diǎn)位置、測(cè)段長(zhǎng)度、支撐條件、溫度、使用程度等的變化關(guān)系模型;通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量得到了PD3 型60 kg/m 軌、U71MnSi 型50 kg/ m 軌的大樣本電阻實(shí)測(cè)值的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。最后,對(duì)上海莘閔線兩種鋼軌軌道結(jié)構(gòu)下的電能消耗差進(jìn)行了估算, 對(duì)我國(guó)城市輕軌交通的鋼軌選型有借鑒意義。
關(guān)鍵詞　城市軌道交通,鋼軌選型,電阻測(cè)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(wú)縫線路的大修周期內(nèi)的通過(guò)總重為550 ×106 t·km/ km , 對(duì)于軸重及客運(yùn)量均較小的輕軌系統(tǒng),已經(jīng)足以維持20 年鋼軌壽命期內(nèi)的強(qiáng)度等要求,因而采用60 kg/m 軌會(huì)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(yùn)營(yíng)以后的電能消耗減少,其電能節(jié)約成本超過(guò)因采用60 kg/ m 軌而增加的初期投資值。根據(jù)理論計(jì)算,對(duì)于長(zhǎng)度10 km 的線路,采用60 kg/m 軌比50 kg/m 軌在20 年中可節(jié)省的電能達(dá)到1 000 萬(wàn)kW·h 以上,相應(yīng)的價(jià)值遠(yuǎn)大于其增加的初期投資,因而選擇60 kg/ m 軌是較經(jīng)濟(jì)合理的。這里,實(shí)際節(jié)省的電能是否能夠達(dá)到理論計(jì)算的數(shù)值,是進(jìn)行正確決策的關(guān)鍵。而實(shí)際電能節(jié)省問(wèn)題又歸結(jié)為鋼軌電阻實(shí)測(cè)的問(wèn)題。為此,我們對(duì)現(xiàn)階段50 kg/m 軌、60 kg/m 軌的主型鋼軌進(jìn)行大樣本的電阻測(cè)量,為輕軌交通的鋼軌選型決策提供依據(jù)。
2 　鋼軌電阻的測(cè)量
2. 1 　實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測(cè)量
1. 測(cè)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(guó)內(nèi)可測(cè)低值電阻的儀器有:武漢水利電力大學(xué)的智能高精度微電阻測(cè)試儀、天津大學(xué)的恒定直流功率負(fù)荷下晶硅微電阻測(cè)量?jī)x、北方交通大學(xué)的電力變壓器直流電阻測(cè)試儀、同濟(jì)大學(xué)的微歐級(jí)TZ-11T 型數(shù)字式接觸電阻檢測(cè)儀,等等。由于TZ-11T 型數(shù)字式測(cè)量?jī)x能夠適應(yīng)數(shù)十米、數(shù)百米的長(zhǎng)鋼軌電阻測(cè)量,故選用同濟(jì)大學(xué)的TZ-11T 型數(shù)字式接觸電阻檢測(cè)儀,其測(cè)量誤差為1 % 。
2. 測(cè)試對(duì)象及測(cè)試目的
我國(guó)目前50 kg/m 軌、60 kg/m 軌的主型產(chǎn)品為U71MnSi 、PD3 , 故我們主要測(cè)試這兩種鋼軌的電阻值及差異程度。
現(xiàn)場(chǎng)鋼軌電阻的測(cè)試受空間、時(shí)間等條件的限制。試驗(yàn)室鋼軌電阻測(cè)試研究能保證現(xiàn)場(chǎng)電阻測(cè)試工作順利而有效,同時(shí),還要研究測(cè)試鋼軌電阻與鋼軌測(cè)段長(zhǎng)度、鋼軌支承條件、測(cè)試溫度的關(guān)系。
3. 測(cè)點(diǎn)位置對(duì)鋼軌電阻測(cè)值的影響
鋼軌是橫斷面為“工字形”的導(dǎo)體,在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí),由于不能測(cè)量鋼軌兩斷面形心之間的電阻,因而需要研究表面測(cè)點(diǎn)的測(cè)值誤差問(wèn)題。測(cè)點(diǎn)位置如圖1 所示,測(cè)量分析結(jié)果如表1 所示。

　表1 　斷面測(cè)點(diǎn)測(cè)值與表面測(cè)點(diǎn)測(cè)值之間的關(guān)系
表面測(cè)點(diǎn)測(cè)值比斷面D2 測(cè)點(diǎn)測(cè)值增大的百分率/ (%)
測(cè)段長(zhǎng)度(米)

圖1 　鋼軌電阻測(cè)點(diǎn)位置示意圖由表1 得到下述結(jié)論:
(1) 測(cè)筆放在B4 位置得到的測(cè)量結(jié)果最準(zhǔn)確;
(2) 測(cè)筆在不同位置的測(cè)量誤差與測(cè)段長(zhǎng)度成反比。當(dāng)測(cè)段長(zhǎng)度大于20 m 時(shí), 測(cè)量誤差在0. 1 % 以下。
4. 測(cè)段長(zhǎng)度對(duì)鋼軌電阻測(cè)值的影響
電阻測(cè)值精度與測(cè)段長(zhǎng)度有一定的關(guān)系,測(cè)段越長(zhǎng),測(cè)得的電阻值精度越高。測(cè)量分析結(jié)果如圖2 所示。長(zhǎng)度測(cè)值系數(shù)=(平均測(cè)值/ 本測(cè)段長(zhǎng)度)/ (100 m 測(cè)段平均測(cè)值/ 100)
5. 鋼軌支承條件對(duì)鋼軌電阻測(cè)值的影響
根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到:整體道床結(jié)構(gòu)與有碴道床結(jié)構(gòu)在有無(wú)扣件狀態(tài)下的鋼軌電阻測(cè)值基本相同。
6. 溫度對(duì)鋼軌電阻測(cè)值的影響
鋼軌電阻隨溫度正比例變化[1 ] 。據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得:以20 ℃ 時(shí)的電阻為標(biāo)準(zhǔn),溫度升高或降低10 ℃, 相應(yīng)的電阻測(cè)值增高或降低0. 6 %～ 0. 7 % 。
7. 鋼軌使用程度對(duì)鋼軌電阻測(cè)值的影響
鋼軌使用程度對(duì)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(dǎo)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(zhì)對(duì)鋼軌電阻測(cè)值的影響
(1) 對(duì)同一段鋼軌,其測(cè)值波動(dòng)范圍很小,誤差在0. 5 % 以下。電阻測(cè)值波動(dòng)范圍為0. 2～ 0. 3 μΩ/m。
(2) 無(wú)論是50 kg/m 軌還是60 kg/m 軌,不同的樣本取材對(duì)鋼軌電阻影響較大,其誤差范圍達(dá)到5 %～8 % , 電阻測(cè)值的波動(dòng)范圍在2～3μΩ/m。這說(shuō)明鋼軌材質(zhì)對(duì)電阻測(cè)值有較明顯的影響。

2. 2 　現(xiàn)場(chǎng)鋼軌電阻實(shí)測(cè)
現(xiàn)場(chǎng)鋼軌測(cè)試儀器仍然采用TZ-11T 型數(shù)字式測(cè)量?jī)x,測(cè)段長(zhǎng)度取50 m 。1. 60 kg/m 軌現(xiàn)場(chǎng)電阻實(shí)測(cè)60 kg/m 軌現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)象是上海市軌道交通明珠一期線路的無(wú)縫線路實(shí)測(cè)范圍選擇了4 個(gè)區(qū)段:龍漕路站～ 漕溪路站、中潭路站～ 上?；疖囌菊尽⑸虾；疖囌菊尽?寶山路站、寶山路站～ 寶興路站,有效測(cè)量范圍為5 000 m 。在這些區(qū)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到:當(dāng)溫度在20 ℃ 左右時(shí),60 kg/ m 軌(PD3) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的平均電阻為34. 36μΩ/m , 均方差0.58μΩ/m。2. 50 kg/m 軌現(xiàn)場(chǎng)電阻實(shí)測(cè)50 kg/m 軌現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)象是上?？图颊镜木€路,有效測(cè)量范圍為2 000 m 。由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到: 當(dāng)溫度在20 ℃ 左40. 76μΩ/m , 均方差0. 67μΩ/m。右時(shí), 實(shí)測(cè)50 kg/m 軌(U71MnSi) 的平均電阻為

圖2 　測(cè)段長(zhǎng)度與其電阻測(cè)值平均值之間的關(guān)系萬(wàn)人次/h , 遠(yuǎn)期2. 86 萬(wàn)人次/ h) 下,我們進(jìn)行了電3 　鋼軌電能消耗比較分析力牽引模擬計(jì)算,得到各牽引變電所區(qū)段間的接觸網(wǎng)的有效電流, 詳見(jiàn)文獻(xiàn)[ 4 ] 。按目前電價(jià)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(xiàn)率8 % 計(jì)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(jié)省的ΔA g=( Rg2 -Rg1) ·I2kyx t (1) 電能消耗為339 萬(wàn)元。而采用60 kg/m 軌(PD3) 比其中, t 為時(shí)間; Ikyx 為接觸網(wǎng)饋線有效電流,可通50 kg/m 軌(U71MnSi) 所增加的初期投資為338 萬(wàn)過(guò)電力牽引模擬計(jì)算得到。元。在上海莘閔輕軌交通線的客流條件(高峰小時(shí)因此,在類似于莘閔輕軌客流條件或更大運(yùn)量單向最大斷面流量:初期1. 17 萬(wàn)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(jīng)濟(jì)上是合理的。
參　考　文　獻(xiàn)
1 　董志洪. 世界H 型鋼與鋼軌生產(chǎn)技術(shù). 北京:冶金工業(yè)出版社,1999

2 　劉芳田,王冕、鄭瞳熾等. 剛體接觸導(dǎo)線的介紹. 見(jiàn):上海城市快速軌道交通供電系統(tǒng)可行性研究專題報(bào)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(bào)告. 2001