城市轨道交通钢轨电阻测量及电耗研究
摘 要 讨论了钢轨电阻室内、外测量的仪器、方法及内容。通过室内测量数据建立了电阻测值与钢轨的测点位置、测段长度、支撑条件、温度、使用程度等的变化关系模型;通过现场测量得到了PD3 型60 kg/m 轨、U71MnSi 型50 kg/ m 轨的大样本电阻实测值的统计分析结果。最后,对上海莘闵线两种钢轨轨道结构下的电能消耗差进行了估算, 对我国城市轻轨交通的钢轨选型有借鉴意义。
关键词 城市轨道交通,钢轨选型,电阻测量,电能消耗
1 引言
目前,在城市轻轨交通的钢轨类型选择上,专家们的看法尚不一致,有的主张采用50 kg/m 轨, 有的主张采用60 kg/m 轨。前者的主要理由是: 50 kg/m 轨无缝线路的大修周期内的通过总重为550 ×106 t·km/ km , 对于轴重及客运量均较小的轻轨系统,已经足以维持20 年钢轨寿命期内的强度等要求,因而采用60 kg/m 轨会不必要地增加初期投资。后者的主要理由是:60 kg/ m 轨因具有较大的截面积而减小了其电阻值,从而使得运营以后的电能消耗减少,其电能节约成本超过因采用60 kg/ m 轨而增加的初期投资值。根据理论计算,对于长度10 km 的线路,采用60 kg/m 轨比50 kg/m 轨在20 年中可节省的电能达到1 000 万kW·h 以上,相应的价值远大于其增加的初期投资,因而选择60 kg/ m 轨是较经济合理的。这里,实际节省的电能是否能够达到理论计算的数值,是进行正确决策的关键。而实际电能节省问题又归结为钢轨电阻实测的问题。为此,我们对现阶段50 kg/m 轨、60 kg/m 轨的主型钢轨进行大样本的电阻测量,为轻轨交通的钢轨选型决策提供依据。
2 钢轨电阻的测量
2. 1 实验室内测量
1. 测试仪器选择
钢轨电阻属于低值电阻,每米钢轨的阻值只有几十微欧。目前,国内可测低值电阻的仪器有:武汉水利电力大学的智能高精度微电阻测试仪、天津大学的恒定直流功率负荷下晶硅微电阻测量仪、北方交通大学的电力变压器直流电阻测试仪、同济大学的微欧级TZ-11T 型数字式接触电阻检测仪,等等。由于TZ-11T 型数字式测量仪能够适应数十米、数百米的长钢轨电阻测量,故选用同济大学的TZ-11T 型数字式接触电阻检测仪,其测量误差为1 % 。
2. 测试对象及测试目的
我国目前50 kg/m 轨、60 kg/m 轨的主型产品为U71MnSi 、PD3 , 故我们主要测试这两种钢轨的电阻值及差异程度。
现场钢轨电阻的测试受空间、时间等条件的限制。试验室钢轨电阻测试研究能保证现场电阻测试工作顺利而有效,同时,还要研究测试钢轨电阻与钢轨测段长度、钢轨支承条件、测试温度的关系。
3. 测点位置对钢轨电阻测值的影响
钢轨是横断面为“工字形”的导体,在现场实测时,由于不能测量钢轨两断面形心之间的电阻,因而需要研究表面测点的测值误差问题。测点位置如图1 所示,测量分析结果如表1 所示。
表1 断面测点测值与表面测点测值之间的关系
表面测点测值比断面D2 测点测值增大的百分率/ (%)
测段长度(米) 
图1 钢轨电阻测点位置示意图由表1 得到下述结论:
(1) 测笔放在B4 位置得到的测量结果最准确;
(2) 测笔在不同位置的测量误差与测段长度成反比。当测段长度大于20 m 时, 测量误差在0. 1 % 以下。
4. 测段长度对钢轨电阻测值的影响
电阻测值精度与测段长度有一定的关系,测段越长,测得的电阻值精度越高。测量分析结果如图2 所示。长度测值系数=(平均测值/ 本测段长度)/ (100 m 测段平均测值/ 100)
5. 钢轨支承条件对钢轨电阻测值的影响
根据测量数据统计分析得到:整体道床结构与有碴道床结构在有无扣件状态下的钢轨电阻测值基本相同。
6. 温度对钢轨电阻测值的影响
钢轨电阻随温度正比例变化[1 ] 。据测量数据统计分析得:以20 ℃ 时的电阻为标准,温度升高或降低10 ℃, 相应的电阻测值增高或降低0. 6 %～ 0. 7 % 。
7. 钢轨使用程度对钢轨电阻测值的影响
钢轨使用程度对其电阻有较明显的影响[3 ] 。在钢轨寿命期末,由于钢轨轨头磨耗较大,截面缩小,导致钢轨电阻增大,增大幅度约5 %～6 % 。钢轨使用中期的电阻比新钢轨增大的阻值可取3 % 。
8. 钢轨材质对钢轨电阻测值的影响
(1) 对同一段钢轨,其测值波动范围很小,误差在0. 5 % 以下。电阻测值波动范围为0. 2～ 0. 3 μΩ/m。
(2) 无论是50 kg/m 轨还是60 kg/m 轨,不同的样本取材对钢轨电阻影响较大,其误差范围达到5 %～8 % , 电阻测值的波动范围在2～3μΩ/m。这说明钢轨材质对电阻测值有较明显的影响。
2. 2 现场钢轨电阻实测
现场钢轨测试仪器仍然采用TZ-11T 型数字式测量仪,测段长度取50 m 。1. 60 kg/m 轨现场电阻实测60 kg/m 轨现场实测对象是上海市轨道交通明珠一期线路的无缝线路实测范围选择了4 个区段:龙漕路站～ 漕溪路站、中潭路站～ 上海火车站站、上海火车站站～ 宝山路站、宝山路站～ 宝兴路站,有效测量范围为5 000 m 。在这些区段中,包括各种大小坡道(坡度最大值为28. 5 ‰,最小为平坡) 、大小曲线(最小曲线半径为390 m) 、高架线路和地面线路,线路平纵断面情况较具代表性。由实测数据统计分析得到:当温度在20 ℃ 左右时,60 kg/ m 轨(PD3) 现场实测的平均电阻为34. 36μΩ/m , 均方差0.58μΩ/m。2. 50 kg/m 轨现场电阻实测50 kg/m 轨现场实测对象是上海客技站的线路,有效测量范围为2 000 m 。由实测数据统计分析得到: 当温度在20 ℃ 左40. 76μΩ/m , 均方差0. 67μΩ/m。右时, 实测50 kg/m 轨(U71MnSi) 的平均电阻为
图2 测段长度与其电阻测值平均值之间的关系万人次/h , 远期2. 86 万人次/ h) 下,我们进行了电3 钢轨电能消耗比较分析力牵引模拟计算,得到各牵引变电所区段间的接触网的有效电流, 详见文献[ 4 ] 。按目前电价两种类型的钢轨能耗差ΔAg 与钢轨的电阻差0. 80 元/ (kW·h) 、贴现率8 % 计算,采用60 kg/m 轨( Rg2 -Rg1) 成正比[ 3 ] ,即: (PD3) 比50 kg/m 轨(U71MnSi) 在20 年中所节省的ΔA g=( Rg2 -Rg1) ·I2kyx t (1) 电能消耗为339 万元。而采用60 kg/m 轨(PD3) 比其中, t 为时间; Ikyx 为接触网馈线有效电流,可通50 kg/m 轨(U71MnSi) 所增加的初期投资为338 万过电力牵引模拟计算得到。元。在上海莘闵轻轨交通线的客流条件(高峰小时因此,在类似于莘闵轻轨客流条件或更大运量单向最大断面流量:初期1. 17 万人次/h , 近期2. 13的轨道交通线路中,采用60 kg/m 轨替代50 kg/m 轨在经济上是合理的。
参 考 文 献
1 董志洪. 世界H 型钢与钢轨生产技术. 北京:冶金工业出版社,1999
2 刘芳田,王冕、郑瞳炽等. 刚体接触导线的介绍. 见:上海城市快速轨道交通供电系统可行性研究专题报告,1984
3 瓦洛宁A B 著. 电力铁道的供电. 曹建猷、李警路等译. 北京:人民铁道出版社,1958
4 顾保南,叶霞飞,董文敏等. 城市轻轨交通钢轨选型研究课题报告. 2001
