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电气化铁路系统中… |
随着铁路电气化的不断发展，控制自动化程度越来越高，因此铁路系统的安全性、可靠性对全路运输的影响越来越大。保证其安全可靠的一个重要因素是有安全可靠的接地系统和可靠连接的控制系统。
铁路系统可以分为大铁路、地铁和轻轨，无论哪种轨道交通，牵引变电所、自动化控制、通信信号等都需要良好的接地。接地可分为保护性和功能性两大类，目的是保护设备和人员的安全，为系统和设备正常稳定运行提供根本保障。对变电所和车站，通常采用共用接地系统，轨道沿线上通信、信号及控制设备、线缆的接地往往是独立接地系统。
牵引变电所的接地要求按电力变电站的一般规定，接地电阻小于0.5Ω；车站的共用接地可按设备要求的最小值决定，一般采用接地电阻小于1Ω；牵引变电所和车站共用接地应按变电所的接地要求，接地电阻小于0.5Ω；线路上设备的各种接地一般小于1Ω、5Ω或10Ω。
以往大铁路的接地一般采用钢材，接地装置容易被腐蚀，接地电阻不断攀升，接地系统寿命短，不稳定。随着铁路电气化的发展，特别是地铁、城市轻轨的普及，机车都采用电力牵引，杂散直流电流会加快对接地装置的腐蚀，因此现代铁路接地基本都要求采用导电性好，耐腐性强的铜材做接地材料。
在接地要求较高的场所，或地质条件复杂土壤电阻率高的场所，为满足接地电阻的要求，则需要安装IEA电解离子接地系统，IEA电解离子接地系统性能稳定，不受任何环境的影响(如季节、气候等):能活性的调节土壤，降低土壤电阻率，进而降低接地电阻。
东秦岭隧道通信、信号电缆屏蔽接地工程。东秦岭隧道全长12公里，隧道内都是岩石，电阻率达3000欧米以上，接地电阻要求小于4欧。传统的接地无法达到要求，而采用IEA电解离子接地就能解决以上难题。IEA电极周围敷设一种具有吸水性强，膨胀性高，离子渗透性好的特殊回填料，它保证了接地极与岩石间良好的电气性能，降低了接地体与岩石的接触电阻。IEA电极能吸收空气或土壤中的水分，释放出活性的电解离子到回填料中，并渗透到周围的岩缝中，降低其电阻率，从而达到降阻效果。通过分析和计算，东秦岭隧道等间距6处接地，每处设置一套IEA电解离子接地极，并配若干辅助电极，采用50mm2铜绞线相连，各电极和连接线均敷设IEA回填料。接地电阻降到3.5欧以下，达到了接地要求。
接地系统中存在大量的导体连接，并且在铁路系统中，直流的回流收集以及铁轨作通号、控制回路时，也有许多导体连接的，特别是铁轨和铜导体的连接难度非常大，它直接关系到电流的导通和信号的传递。导体连接的可靠性取决于导体连接方式的选择。
3.1 传统连接
常用的连接方式有压接、栓接和焊接等，压接和栓接接触电阻较大，且性能不稳，一般不允许用于埋设体的连接。焊接也只是表面的搭接，接头不致密，它们的接头性能都较差，需要定期维护。在国外电气化铁路早已普遍采用放热式熔接。
3.2 火泥熔接
火泥熔接是放热熔接的一种，是利用化学反应时产生的超高热来完成的熔接法。放热熔接法因为化学反应速度非常快，产生的热量极高，且集中，可以有效的传导至熔接部位，更无需外加任何热源，所以被广泛应用于金属体的连接。其原理图如图二所示。
3.2.1 火泥熔接接头的特性：
（1）外形美观一致。
（2）连接点为分子结合，没有接触面，更没有机械压力，因此，不会松弛或腐蚀。
（3）具有较大散热面积，通电流能力与导体相同。
（4）熔点与导体相同，能承受故障大电流冲击，不至熔断。
3.2.2 火泥熔接在作业上有以下优点：
（1）无需外加热源，设备轻便，适合于任何现场熔接作业。
（2）熔接速度快捷，节省人工，（每一点熔接时间仅需数秒钟）。
（3）作业方法简易，无需技术性焊接工。
（4）接头形状划一，品质管制容易（视检即可）。
（5）所加总热量少，对绝缘物的破坏影响甚少。
3.3 火泥熔接的应用
火泥熔接可连接钢铁、镀铜钢、铜包钢、铜材等。可以熔接各种不同形状的导体， 如电缆、接地棒、管、板、扁铜、螺纹钢、连接片、钢轨等等，图三是一些比较常见的连接形式。
3.3.1 接地体的连接
放热式熔接被美国国家标准ANSI/IEEE认定为拥有如同导体本身一样的电气性能，并被指定为接地体地下装置连接方式。在国内，火泥熔接技术已通过了国家电力公司武汉高压研究所，浙江试验研究所和铁道部产品质量监督检验中心的检验。并已广范应用，如：广州台山电厂，内蒙托克托电厂，福州华能电厂，北京朝阳门变电站，深圳经贸变电站，昆明供电局岗头村、安宁和海口变电站地网改造工程，武汉长报变，武汉轻轨，广州新白云机场，成都机场，哈尔滨电信机房基准网建设，华北电力集团大北山微波站接地工程等等。
在国内外的铁路系统中，火泥熔接也已广泛应用。如武汉轻轨主变、车站降压所接地工程，其水平接地体用5mm x 50mm的铜排，垂直接地极采用7.5mm x Φ65mm x 3000mm的铜管，引上线采用BV120mm2的铠装铜缆，其连接全部采用火泥熔接。如图四为Φ65的铜管与5mm x 50mm的铜排熔接头。
3.3.2 跳线的连接
轻轨、地铁电力机车的牵引回流、信号控制要利用钢轨做为回路，这样就存在大量的钢缆、铜缆或铜排等导体和钢轨的连接，这类导体通俗被称为跳线。（见图四、图五）
图四铜缆跳线实物图
图五铜排跳线实物图
跳线的连接要可靠，即要保证良好电气导通性能，又要有抗疲劳耐振动的机械性能，而且不能对钢轨的结构产生任何的副作用。目前钢轨跳线的连接常见的方式是采用放热式熔接，特别是采用铜导体做跳线，这种连接方式常见的选择。
放热式熔接用在铁路跳线连接上已有几十年的历史，可以说是一项十分成熟的技术。ATI Tectoniks的TECTOWELD(火泥熔接)是放热式熔接的一种，其品质通过了铁道部产品质量监督中心的严格检验，并广泛用于城市轨道交通的钢轨跳线连接工程中，如：北京城铁、上海地铁、天津地铁、武汉轻轨等工程。特别是铜排和钢轨的连接，由于铜排截面积大，其技术含量高、难度大
综上所述，对于铁路系统要有一个长期、可靠、稳定的接地系统，导体的连接是接地和控制系统回路的重要环节，为保证设备、人身的安全以及设备、系统的正常运行，在设计和施工时，合理的选择接地材料和连接方法，是提高接地系统和导体连接品质的根本。
