楊寶根，黑廣杰，李俊霞

（天水鐵路電纜有限責(zé)任公司，甘肅天水741000）

鐵路綜合貫通地線的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

楊寶根，黑廣杰，李俊霞

（天水鐵路電纜有限責(zé)任公司，甘肅天水741000）

介紹了鐵路綜合貫通地線的結(jié)構(gòu)改進(jìn)過程，概述了不同護(hù)套結(jié)構(gòu)貫通地線的性能及優(yōu)缺點，并對其今后

貫通地線；改進(jìn)過程；性能；優(yōu)缺點

0 引 言

我國高速鐵路和普速鐵路上都安裝使用鐵路專用貫通地線，它能夠?qū)崿F(xiàn)線路上各類設(shè)備的等電位連接，消除不同設(shè)備之間由于電位差而引起的安全隱患，同時避免信號線路由于電位差而產(chǎn)生附加干擾電流。鐵路綜合貫通地線還有一個作用就是泄放較強(qiáng)的工頻牽引回流和雷電電流，防止設(shè)備和人員受到傷害。

隨著我國高鐵和客運(yùn)專線的快速發(fā)展和安全要求的提高，鐵路綜合貫通地線的用量越來越多，對其要求也越來越嚴(yán)格，因此，鐵路綜合貫通地線的技術(shù)要求和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也在不斷地進(jìn)行改進(jìn)，下面介紹鐵路貫通地線的結(jié)構(gòu)改進(jìn)過程。

1 鉛護(hù)套結(jié)構(gòu)鐵路綜合貫通地線

鉛護(hù)套結(jié)構(gòu)鐵路綜合貫通地線是我國早期使用的鐵路貫通地線，其導(dǎo)體為符合GB/T 3956規(guī)定的第一類或第二類多股絞合銅導(dǎo)體，導(dǎo)體截面為35 mm2，導(dǎo)體外擠包一層厚度為1 mm左右的無縫鉛護(hù)套，其結(jié)構(gòu)見圖1。鉛的熔點為327℃，密度為11.3 g/cm3，硬度為1.5，質(zhì)地柔軟，體積電阻率為0.22 Ω·mm2/m。由于鉛具有良好的導(dǎo)電性和耐腐蝕性能，符合貫通地線的接地要求，而且鉛護(hù)套加工工藝成熟，因而，鉛護(hù)套鐵路貫通地線早期在我國和其它國家都得到了廣泛應(yīng)用，而且應(yīng)用時間較長。但后來研究發(fā)現(xiàn)，鉛屬于有毒重金屬，長期埋在土壤中會對土壤和水造成嚴(yán)重的污染，2003年，歐盟率先制定了《關(guān)于在電子設(shè)備中限制使用某些有毒物質(zhì)指令》，該指令明確規(guī)定成員國將確保從2006年7月1日起，投放于市場的新電子和電氣設(shè)備不含鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯(lián)苯和多溴聯(lián)苯醚六種物質(zhì)。我國鐵道部工程管理中心也于2006年2月下發(fā)了工管［2006］18號文件《客運(yùn)專線綜合接地系統(tǒng)設(shè)計原則》（暫行），文中明確規(guī)定了鐵路綜合貫通地線應(yīng)耐腐蝕并符合環(huán)保要求（鉛≤1 000 mg/kg，鎘≤100 mg/kg，汞≤1000 mg/kg，六價鉻≤1 000 mg/kg）。自此以后，該產(chǎn)品被禁止使用和生產(chǎn)。

圖1 鉛護(hù)套鐵路貫通地線示意圖

2 鋁合金護(hù)套結(jié)構(gòu)鐵路綜合貫通地線

隨著國家對鉛護(hù)套鐵路綜合貫通地線的禁用，我公司率先研制了一種新型無縫“鋁鎂鋅-稀土”合金（以下簡稱鋁合金）護(hù)套鐵路綜合貫通地線［1］，該產(chǎn)品是在原鉛護(hù)套鐵路綜合貫通地線的基礎(chǔ)上，采用“鋁鎂鋅-稀土”合金護(hù)套代替鉛護(hù)套。

產(chǎn)品在設(shè)計時，導(dǎo)體仍采用符合GB/T 3956規(guī)定的一類純銅絞合導(dǎo)體，為增大導(dǎo)體與鋁合金護(hù)套的接觸面積，導(dǎo)體采用緊壓型，通過一道緊壓模具和一道拉拔模具，使導(dǎo)體結(jié)構(gòu)更加緊湊，外層導(dǎo)體與鋁合金護(hù)套的有效接觸面積增大，從而減小接地電阻，增加泄流速度。護(hù)套選用“鋁鎂鋅-稀土”合金材料，因為這種鋁合金材料具有良好的防腐蝕性能和良好的導(dǎo)電性，其電氣性能和機(jī)械物理性能指標(biāo)與純鋁基本相同，其熔點為660℃，密度為2.7 g/cm3，硬度較小，具有良好的延展性，其體積電阻率約為0.03Ω·mm2/m，遠(yuǎn)小于鉛的體積電阻率，因而導(dǎo)電性比鉛更佳，而且耐溫等級也比鉛高。這說明鋁合金護(hù)套更能滿足鐵路貫通地線的使用要求。

由于當(dāng)時的鐵路綜合貫通地線沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，公司設(shè)計了兩種規(guī)格的鐵路綜合貫通地線，分別是DHS 35 mm2和DHS 70 mm2。其中，DHS表示貫通地線的型號，35 mm2和70 mm2表示貫通地線的標(biāo)稱截面。設(shè)計貫通地線時，按等效截面來設(shè)計銅導(dǎo)體和鋁合金護(hù)套的截面，例如，對于DHS 35 mm2的貫通地線，其對應(yīng)的導(dǎo)體直流電阻應(yīng)等于截面為35 mm2當(dāng)量銅導(dǎo)體的直流電阻，要求≤0.524Ω/km。據(jù)此，當(dāng)護(hù)套厚度規(guī)定為1.0 mm時，可計算出貫通地線的銅導(dǎo)體截面為25 mm2，鋁合金護(hù)套的截面為10 mm2。其計算公式如下：

式中：R、R1、R2分別為貫通地線的總電阻、內(nèi)導(dǎo)體電阻和護(hù)套電阻（Ω）；S1、S2分別為貫通地線的內(nèi)導(dǎo)體和護(hù)套的截面（mm2）；ρ1、ρ2分別為貫通地線的內(nèi)導(dǎo)體和護(hù)套的體積電阻率（Ω·mm2/m）；L為貫通地線的長度（m）。

因為鋁合金的熔點溫度高，很難采用擠包鉛護(hù)套的加工工藝來生產(chǎn)鋁合金護(hù)套，我們采用了連續(xù)擠壓包覆的加工工藝來生產(chǎn)鋁合金護(hù)套［2］。通過改進(jìn)擠壓輪、模具等工裝，經(jīng)過近半年的反復(fù)摸索和試制，最終生產(chǎn)出無縫鋁合金護(hù)套鐵路綜合貫通地線，首次的生產(chǎn)長度為5 km。產(chǎn)品生產(chǎn)出來后，還要對該產(chǎn)品的耐腐蝕性能和環(huán)保性能進(jìn)行測試，因為鋁合金在連接擠壓過程中，要經(jīng)過600℃的高溫區(qū)，測試目的是檢驗鋁合金經(jīng)過加工以后的各項性能指標(biāo)是否會降低。于是，我們委托中科院上海冶金研究所對鋁合金護(hù)套貫通地線進(jìn)行了耐酸性土壤、耐堿性土壤和模擬土壤介質(zhì)的NS4溶液腐蝕性測試，并與鉛護(hù)套鐵路貫通地線進(jìn)行了對比試驗，試驗結(jié)果見圖2～圖4。

圖2 試樣在格爾木鹽漬土壤中的腐蝕圖

圖3 試樣在鷹潭酸性土壤中的腐蝕圖

根據(jù)測試結(jié)果，中科院給出了如下結(jié)論：

（1）在格爾木鹽漬土壤中，鉛護(hù)套鐵路貫通地線的平均腐蝕速率約為0.490 mm/a，而鋁合金護(hù)套鐵路貫通地線的腐蝕速率小于3×10-3mm/a；

圖4 試樣在NS4水溶液中的腐蝕圖

（2）在鷹潭酸性土壤中，鉛護(hù)套鐵路貫通地線的平均腐蝕速率約為0.062 mm/a，而鋁合金護(hù)套鐵路貫通地線的腐蝕速率小于5×10-3mm/a；

（3）在模擬土壤介質(zhì)的NS4溶液中，鉛護(hù)套鐵路貫通地線的平均腐蝕速率約為5×10-3mm/a，而鋁合金護(hù)套鐵路貫通地線的腐蝕速率小于5×10-4mm/a；

（4）在兩種土壤中和在NS4水溶液中，鋁合金護(hù)套鐵路貫通地線的腐蝕速率比鉛護(hù)套鐵路貫通地線的腐蝕速率要小得多。

另外，我們還委托通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司化學(xué)試驗室對鋁合金護(hù)套的重金屬含量進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見表1。

表1 鋁合金護(hù)套有害物質(zhì)測試結(jié)果

從表1可以看出，鋁合金護(hù)套鐵路貫通地線的環(huán)保性能符合國家規(guī)定。

鋁合金護(hù)套鐵路貫通地線研制成功后，很快在鐵路上得以推廣和使用，但鋁合金護(hù)套因其獨特的加工工藝和特殊的加工設(shè)備而難以在其它廠家得到生產(chǎn)推廣，但以導(dǎo)電塑料護(hù)套為代表的鐵路貫通地線卻很快在大多數(shù)生產(chǎn)廠家得到推廣生產(chǎn)。

其實上述現(xiàn)象我們認(rèn)為這是人的心理認(rèn)知機(jī)制決定的。我們生活中，會無時無處都處在各種各樣的活動之中，日久天長，我們形成了各種各樣的意象圖式，說話時，我們組織語言就應(yīng)按照“主謂賓”這順序來組織語言，定義“手指”時我們會提及“手”。“A了(嘞)個B”式網(wǎng)絡(luò)語我們根據(jù)舊有的語法經(jīng)驗和語言知識的積累可以明白其準(zhǔn)確的含義，排除了不規(guī)則的邏輯和語法帶給我們的干擾性。

3 導(dǎo)電塑料護(hù)套鐵路綜合貫通地線

該產(chǎn)品也是在鐵道部禁用鉛護(hù)套鐵路貫通地線以后研發(fā)的一種產(chǎn)品。導(dǎo)電塑料貫通地線的結(jié)構(gòu)是在內(nèi)導(dǎo)體上擠包一層防腐蝕導(dǎo)電塑料護(hù)套，其導(dǎo)體結(jié)構(gòu)與鋁合金護(hù)套貫通地線的結(jié)構(gòu)相同，導(dǎo)電塑料的熔點為180℃，密度為1.2 g/cm3，體積電阻率為0.6Ω·mm2/m。對目前使用的導(dǎo)電塑料護(hù)套的環(huán)保性能指標(biāo)進(jìn)行測試，測試結(jié)果見表2。

表2 導(dǎo)電塑料護(hù)套環(huán)保性能測試結(jié)果

從表2可以看出，導(dǎo)電塑料的環(huán)保性能符合要求。

導(dǎo)電塑料護(hù)套貫通地線的型號為DH，規(guī)格為35和70，表示貫通地線的內(nèi)導(dǎo)體截面分別為35 mm2和70 mm2。技術(shù)條件對內(nèi)導(dǎo)體的直流電阻值進(jìn)行了規(guī)定。

導(dǎo)電塑料護(hù)套鐵路貫通地線的導(dǎo)體設(shè)計相對簡單，內(nèi)導(dǎo)體的直流電阻只需符合要求即可，護(hù)套只考慮厚度滿足要求便可。

導(dǎo)電塑料護(hù)套鐵路貫通地線的加工工藝相對簡單，導(dǎo)體為普通的絞合導(dǎo)體，護(hù)套可采用塑料擠出機(jī)擠出加工。由于導(dǎo)電塑料黏度大，硬度高，采用一般的螺桿生產(chǎn)比較困難，經(jīng)反復(fù)試制，采用長徑比為20∶1的低壓螺桿。與鋁合金護(hù)套鐵路貫通地線相比，導(dǎo)電塑料貫通地線具有如下特點：電纜較柔軟，施工方便；具有良好的耐土壤腐蝕性；加工工藝簡單，容易被生產(chǎn)廠家采用并推廣。

導(dǎo)電塑料護(hù)套鐵路貫通地線研制成功后，很快在國內(nèi)的鐵路上得到使用推廣，而且被鐵道部質(zhì)檢中心列為CRCC認(rèn)證產(chǎn)品，因此，該產(chǎn)品在鐵路上的使用量遠(yuǎn)大于鋁合金護(hù)套貫通地線。但其有以下缺點：

（2）耐溫等級低，在100℃時就開始變軟，而且導(dǎo)電性也急劇下降，因此不能承受較大的短路電流和雷擊電流。

正是由于上述缺點，導(dǎo)電塑料護(hù)套貫通地線在使用不久就接連出現(xiàn)失火事故。專家們對失火原因進(jìn)行了調(diào)查和分析，并得出如下結(jié)論：一是導(dǎo)電塑料護(hù)套貫通地線瞬間泄流不夠，在遇大電流通過時易出現(xiàn)護(hù)套燃燒現(xiàn)象；二是長時間使用，高分子材料護(hù)套存在不同程度的老化和劣化情況，導(dǎo)電率下降；三是高分子材料護(hù)套的電阻率遠(yuǎn)高于金屬護(hù)套的電阻率，不利于地線的泄流。鑒于這種原因，鐵道部運(yùn)輸局出臺了［2012］359號文件《鐵路部運(yùn)輸局關(guān)于規(guī)范貫通地線運(yùn)用的通知》，通知中明確規(guī)定：“為規(guī)范貫通地線材質(zhì)，確保高鐵運(yùn)行安全，從即日起，普速鐵路和客專線路的綜合貫通地線，必須使用外護(hù)套為金屬護(hù)套或合金護(hù)套制造、并具有耐腐蝕性能的貫通地線，尚未招標(biāo)采購的工程項目一律不得使用導(dǎo)電塑料護(hù)套貫通地線”。自此以后，導(dǎo)電塑料護(hù)套貫通地線退出了歷史舞臺。

4 銅合金護(hù)套鐵路貫通地線

鐵道部禁止使用導(dǎo)電塑料護(hù)套貫通地線以后，于2012年出臺了TJ/DW 142—2012《鐵路貫通地線暫行技術(shù)條件》，該技術(shù)條件對鐵路貫通地線的導(dǎo)體和護(hù)套的技術(shù)要求作了詳細(xì)的規(guī)定。其中，導(dǎo)體的截面為35 mm2和70 mm2，合金護(hù)套為無縫護(hù)套，其厚度為1.0 mm，20℃體積電阻率≤0.09 Ω·mm2/m，其他技術(shù)指標(biāo)要求見表3。

表3 銅合金護(hù)套技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)暫行技術(shù)條件的要求，我們對貫通地線的護(hù)套材料進(jìn)行了篩選，能夠同時滿足抗拉強(qiáng)度≥260 MPa和20℃體積電阻率≤0.09Ω·mm2/m的材質(zhì)很有限，鋁及鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度達(dá)不到要求，紫銅的抗拉強(qiáng)度和耐腐蝕性不能滿足要求，而銅合金材料中，黃銅和鈹青銅的體積電阻率、抗拉強(qiáng)度和耐腐蝕性可滿足要求。

鈹青銅是一種含鈹銅基合金，具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性好，能夠抵抗各種酸堿的腐蝕，同時易于加工，是制作鐵路貫通地線的理想材料。但鈹青銅在檢測中發(fā)現(xiàn)含有氰化物，有可能對人體或環(huán)境產(chǎn)生二次傷害，因此，采用鈹青銅的方案暫被擱置。

另一種材料是黃銅，從黃銅合金材料中，我們選取了H65黃銅（M），H65黃銅具有良好的導(dǎo)電性能，電阻率≤0.075Ω·mm2/m；良好的機(jī)械物理性能，抗拉強(qiáng)度≥290 N/mm2，斷裂伸長率≥40%；具有良好的耐土壤腐蝕性，可滿足鐵路貫通地線的使用要求。H65黃銅的化學(xué)成份見表4。

表4 H 65黃銅的化學(xué)成分表 （單位：g·kg-1）

從表4中可以看出，H65型黃銅的環(huán)保性能符合表3的要求。

由于黃銅比較硬，強(qiáng)度大，熔化溫度高，因此，采用連續(xù)擠壓包覆的方式生產(chǎn)難度很大，目前國內(nèi)還沒有見到采用此方法生產(chǎn)黃銅護(hù)套或黃銅管的文獻(xiàn)報道；另一種方案是采用連續(xù)縱包焊接工藝，由于銅合金護(hù)套的厚度為1.0 mm，且硬度大，變形困難，采用傳統(tǒng)的縱包焊接工藝很難實現(xiàn)，因此，須對成型裝置進(jìn)行改進(jìn)。通過對成型裝置、拉拔模具和焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)，最終實現(xiàn)了黃銅合金護(hù)套鐵路貫通地線的生產(chǎn)。但采用這種工藝生產(chǎn)鐵路貫通地線還存在一些問題：一是生產(chǎn)速度慢，生產(chǎn)效率低；二是生產(chǎn)出的產(chǎn)品，合金護(hù)套與內(nèi)導(dǎo)體之間難免會存在間隙，這種間隙會使鐵路貫通地線在使用過程中，內(nèi)導(dǎo)體與護(hù)套之間出現(xiàn)打火現(xiàn)象，長期打火會損傷鐵路貫通地線，因此，在生產(chǎn)過程中必須對護(hù)套進(jìn)行拉拔處理，消除地線與護(hù)套之間的間隙。由于采用了拉拔工藝，鐵路貫通地線就會出現(xiàn)加工硬化，變得很硬，給施工帶來很大不便，因此，在生產(chǎn)過程中還須增加退火和酸洗。退火的目的是讓鐵路貫通地線變軟，酸洗的目的是清洗鐵路貫通地線表面的氧化膜和雜質(zhì)，使其表面變得光亮，增加產(chǎn)品的使用壽命。

銅合金護(hù)套鐵路貫通地線研制成功后，經(jīng)鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心進(jìn)行各項性能指標(biāo)測試，全部符合鐵路貫通地線的使用要求，該產(chǎn)品很快在鐵路上得到推廣應(yīng)用。目前，我國鐵路上使用的鐵路貫通地線都是采用連續(xù)縱包焊接工藝生產(chǎn)的。

5 結(jié)束語

鐵路貫通地線從早期的鉛護(hù)套結(jié)構(gòu)發(fā)展到目前的銅合金護(hù)套結(jié)構(gòu)，已經(jīng)過了幾次結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進(jìn)，使得鐵路貫通地線的結(jié)構(gòu)和性能更加符合要求。但目前采用連續(xù)縱包焊接工藝生產(chǎn)出的鐵路貫通地線，護(hù)套上存在一條焊縫，這與TJ/DW 142—2012《鐵路貫通地線暫行技術(shù)條件》中規(guī)定的無縫合金護(hù)套相矛盾。另外，由于焊縫的存在，難免會出現(xiàn)焊縫不牢、漏焊、氣孔等缺陷，潮氣或水可能滲到內(nèi)導(dǎo)體中，導(dǎo)致內(nèi)導(dǎo)體被氧化或腐蝕，影響產(chǎn)品的性能甚至出現(xiàn)事故。因此，應(yīng)尋找一種新的生產(chǎn)方法來生產(chǎn)無縫護(hù)套的鐵路貫通地線，從而進(jìn)一步提高鐵路貫通地線的產(chǎn)品質(zhì)量，以滿足快速發(fā)展的鐵路運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

［1］ 魏大章，曹琦.環(huán)保型鐵路貫通地線的設(shè)計和研究［J］.電氣化鐵道，2007（2）：43-45.

［2］ 丁賢軍.鋁連續(xù)擠包機(jī)在鋁合金護(hù)套貫通地線生產(chǎn)中的應(yīng)用［J］.電線電纜，2007（4）：19-20.

The Structure Im provement for Railway Composite Through-Line Ground W ire

YANG Bao-gen，HEIGuang-jie，LIJun-xia
（Tainshui Railway Cable Co.，Ltd.，Tianshui741000，China）

Introduced the improvement process of the composite through-line ground wire used in railway.summarized the properties and the advantages and the shorts of each sheathed-structure through-line ground wire.Proposed improvemethods for future development about through-line ground wire.

through-line ground wire；improvement process；properties；advantages and shorts

TM246.9

：A

：1672-6901（2016）06-0008-05

2016-08-19

楊寶根（1975-），男，高級工程師.

作者地址：甘肅天水市秦州區(qū)堅家河4號［741000］.

的發(fā)展提出了改進(jìn)意見。