談鋼軌系統電阻值（上）

中央大學學士班 張云榕、亞新工程正工程師 張穆奎

一、鋼軌直流電阻測試之目的

在許多都市鐵路和捷運等軌道交通運輸系統中，為提供列車運行之電力，常裝設導電軌，作為輸送電力之途徑，而由於電力系統，需同時具備送電與回流，才能完成迴路，因此利用本身鋼軌系統，作為負電流回流的導體，形成一完整供電迴路。例如:列車行駛時，由牽引動力變電站正極端，輸出電流至導電軌(第三軌)，再由列車透過集電靴(圖1)，獲取導電軌上之牽引電流，產生列車所需之動力；接著，電流通過車行鋼軌，返回變電站之負極端(參考圖2)。

另外，鋼軌系統亦利用鋼軌作為導體，形成軌道電路傳遞訊號，以確認列車的位置，達到自動控制或號誌顯示之目的(參考圖3)。例如:將整個軌道系統路網，依適當距離分成許多閉塞區間，各閉塞區間以鋼軌絕緣接頭(註一)區隔，當區間內無列車行駛時，電流便會經由鋼軌流至繼電器使其激磁，令電路接點被吸向上方，接通綠燈之電路。而當有列車行進區間內時，電流便改為行經列車車軸，繼電器失去電流而斷磁，此時，電路接點落下，接通紅燈電路，顯示本區間已有列車通行，禁止其他列車進入的訊息。

圖1 集電靴

圖2 軌道供電系統示意圖

圖3 軌道電路示意圖(上:閉塞區間內無列車，下:閉塞區間內有列車)

由上述可知，鋼軌必須具備良好的導體功能，才能避免電力及訊號，在導體鋼軌內產生過多傳遞損耗，以提升傳遞效率，確保軌道運輸的安全性及穩定性。故軌道工程規範中規定，鋼軌需進行電阻之量測，確認測試結果符合規範標準。而鋼軌系統，係經多項施作項目，由各個單一零件組成，於施工階段應各別執行電氣測試，且在施工完成後，也必須進行整體性質檢驗，透過「鋼軌直流電阻測試」，確認鋼軌整體電氣連續性。

註一：鋼軌絕緣接頭(Insolated Rail Joint)(圖4)為一絕緣材料，在連續長焊鋼軌中，基於軌道電路需求，用以隔斷兩連接鋼材，使軌道電路不連續，提供列車行駛之安全空間。

圖4 鋼軌絕緣接頭

二、鋼軌直流電阻測試方法

鋼軌電阻測試(圖5)為軌道電氣連續性測試項目之一，在軌道完成一區段之安裝後，對該區段之鋼軌系統進行測試，以驗證該區段鋼軌之安裝鋪設品質可符合契約規範，並滿足機電系統標之需求，進而成功地擔當起動力系統、及自動控制系統的一環。執行上，並非以全線區域進行一次測試，而是將現場已施工完成之工區，配合連續長焊鋼軌間之不連續點（例如：軌條未連接處、鋼軌絕緣接頭安裝處）為測試範圍，逐段進行量測，且通常每一測試區段長度不超過1km。其量測方式依圖6所示，連接各儀器(圖7至圖9)至運行鋼軌，記錄所測得之電壓及電流；依據受測運行軌之長度與溫度，即可計算運行軌單位長度之電阻值。再將契約規範要求之運行軌電阻值，換算為所測溫度下之電阻值，確認此時之運行軌電阻量測值，低於換算後之規範要求電阻值。

圖5 鋼軌直流電阻測試(左:道碴道床 右:無道碴道床)

圖6　鋼軌直流電阻測試量測方式

圖7 電流鉤表

圖8三用電表

圖9 電阻器

在進行鋼軌直流電阻測試時，應確實依核定之電氣測試規劃進行量測，並注意以下幾點：

(一)測試區是否潮濕：待測試區乾燥後進行量測。

(二)軌道附屬設施：軌道附屬設施(如跨軌連接線等)連接，可能會造成錯誤測試電路，測試前應暫時移除或拆卸附屬設施。

(三)測試區間保持淨空並做好防護措施：非軌道物品應予清除，避免造成短路影響測試結果；非經允許之人員及設備不得進入，並做好通電時之防護措施。

(四)積水及灰塵：測試區間之積水及灰塵會妨礙測試結果，測試前應予清除。

(五)鋼軌扣間系統是否不正確安裝或損壞：測試區間之鋼軌扣件(墊鈑、扣夾或鋼軌包覆材)，如有不正確安裝或損壞，應予以改正或更新。

(六)確實隔絕或絕緣測試區間外之設備與材料：欲測試區段內之鋼軌、與測試區段外之鋼軌間應確實絕緣，並與發電機、磁性材料避開3m以上。

(七) 儀器校正：量測儀器於使用前需經校正，且在執行測試前，應先歸零。

三、鋼軌直流電阻測試之必要性

鋼軌作為一優良導體，能運用於列車之供電系統，亦當作軌道電路傳遞訊號，控制列車行駛。而為改善軌道電路系統的某些缺點，例如:易受天氣潮濕影響，或因鐵屑飄至軌道上而造成短路等等，在某些軌道系統中，則以計軸器(圖10)，取代軌道電路的使用。計軸器與軌道電路有相同功能，均為偵測列車在軌道上的占用狀況，進而控制列車安全行駛，但其運作方式與軌道電路不盡相同，因此不易受天候及外在異物之影響。計軸器設置在區段之起點與終點，當車輪通過時，令計軸器上之磁性探針磁通量增加，離開時減少，透過磁通量之變化，位於起點之計軸器即可計算駛入該區間列車之車輪總數。當終點之計軸器所計得之輪軸數與起點相同時，表示該區間內之列車已完全駛出，得以確認該區段無列車占用 (參考圖11)。故根據計軸器之軸數信息，即可引導號制系統之顯示，而不須仰賴軌道電路。

圖10 計軸器

圖11 計軸器運作示意圖

近年來隨著通訊科技快速發展，鐵路號誌及行車控制系統，亦漸漸演變到今日最先進之通訊式列車控制系統CBTC(Communications
Based Train Control)系統。CBTC可以實現車與地之間的雙向通信，能更準確追蹤列車位置，此項嶄新的技術已逐漸為世界各國捷運系統所採用，而我國捷運系統繼台北捷運內湖線、台灣桃園國際機場聯外捷運，至即將完工之台北環狀線，也都已經或將採用CBTC系統。依據電機電子工程師學會1474號對CBTC之定義，CBTC為列車的位置、速度及行駛方向訊息，藉由車輛與道旁電腦間連續的雙向通訊連結相互傳遞，且不需使用軌道電路作為列車偵測。透過列車上之車載控制器，讀取信標之位置座標，以無線通訊的方式，將列車之位置傳送至軌旁之CBTC設備，CBTC設備再即時傳遞位置訊息給相鄰列車。各列車得依此資訊決定行車速度，從而保證列車間的安全距離 (參考圖12)。

圖12 CBTC運作示意圖

既然某些軌道工程在計軸器與CBTC的使用下，列車之自動控制已獨立於軌道電路，那麼，規範中對於鋼軌電阻值之量測，是否已並無太大意義?

其實，在軌道供電系統中，鋼軌仍占有重要角色，其作為負電流回流的路徑，將電流導引回供電電源，鋼軌本身之電阻大小，將影響傳輸電力之耗損。而在號誌系統方面，就CBTC而言，所有的列車調度控制資訊，都是以無線方式在列車和地面設備之間傳遞，由於無線網路的開放性，易對於CBTC帶來干擾問題，使無線資訊的傳輸成為CBTC系統的最大安全隱患，降低其可靠性，甚至危及列車運行安全。為了提高列車運行的穩定性和安全性，應對CBTC易受干擾之部分提出預防對策，其中之一手段即為，當CBTC無線通信系統受到干擾嚴重，不能正常工作時，以傳統的軌道電路作為備用方案，即時代替CBTC系統完成軌道重要訊息的傳輸，確保通信不中斷。因此，必需要確定軌道電路在CBTC無法發揮效能時，鋼軌仍具備其傳遞訊號(電流)之功能，才能提高整體之安全性及可靠性。由此可知，若以軌道電路作為備用方案時，則可避免當CBTC系統失常時，軌道電路不能正常運作的狀況，故此時對於鋼軌電阻值之檢驗尚有其重要性。（待續）

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