中央大學學士班 張云榕、亞新工程正工程師 張穆奎

四、鋼軌系統電阻值規範

我們透過鋼軌之電氣連續性測試,得到其電阻值後,需確認量測結果是否符合規範要求,以驗證鋼軌為優良導體。根據優良導體具備之特性,其電阻值必須要小,因此規範中對於鋼軌電阻值有上限之規定。例如:台北捷運系統軌道工程規範中,電阻及電氣連續性測試部分規定,運行軌之連續性包括負電回流之接頭:最大電阻值為每公里0.035歐姆。此規範係針對北捷使用之UIC60鋼軌所提出之鋼軌電阻值限制,但不論是對於其他型式之鋼軌,亦或引進計軸器、CBTC等設備取代軌道電路之工程,鋼軌電阻值之限制或可再做進一步的探討。

在國際標準期刊(參考資料9)中提到,對於鋼軌中電流之量測,係基於測量其中電壓壓降,並應用歐姆定律求得。使用此方式計算電流值時,必須確知鋼軌上直流電通過時之電阻(resistance),或交流電通過時之阻抗(impedance)(註二)。因此,其導入以下波動方程描述鋼軌之電導率:

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(R:鋼軌縱向每單位長度之電阻,L:每單位長度之電感,C:每單位長度之電容,G:洩漏電導。)

藉由(1)推估鋼軌之電導率,用以求得其電阻率(即電阻係數,或稱導電率,與電導率互為倒數),進而得到鋼軌電阻值。表1為參考該期刊中所記載常用之鋼軌型式、鋼軌斷面及其電阻值。

表1 常用軌道形式、斷面及其電阻

Type

Weight(kg/m)

Cross-section(cm2)

Resistance(μΩ/m)

UIC60

60

76.86

32.5

R65

65

82.95

30.1

T

50

63.33

39.5

S49

49

62.48

40.0

 

以簡易歐姆定律而言,電阻為阻礙電流流動的因素,其定義為
R=V/I(僅考量直流電下,無電抗與相位差問題,故阻抗值即為電阻值),其中V為電阻兩端電壓,I為通過電阻電流,而影響電阻之原因有本身之材質、長度、截面積及溫度。假設某電阻長度L,截面積A時,電阻值為R:

(1)當電阻長度與兩端電壓不變情況下:將兩根原來的電阻並聯,即截面積加倍(A→2A),造成通過電流加倍(I→2I),因此新電阻= V/(2I)=R/2,變成原來的一半。由此可知,電阻和截面積成反比。

(2)當截面積與通過電流不變情況下:將兩根電阻串聯,即電阻長度加倍(L→2L),新電阻兩端電壓隨之加倍(V→2V),因此新電阻值= 2V/I=2R,增加為原來的兩倍。由此可知,電阻和長度成正比。

因此得到我們所熟知的電阻定律 R = ρL/A,其中ρ為電阻係數,用來描述材料本身之導電性能。而一般而言,在有限溫度範圍內,電阻與溫度有下述之線性關係:R2 =R1﹝1+α1(T2-T1)﹞,α為電阻溫度係數。

依照上述之說明,得知在材質相同,長度固定的情況下,電阻值與截面積成反比。根據此關係,提供估算鋼軌電阻值規範之參考。

隨國內軌道前瞻計畫之推行,除前述台北捷運使用之UIC60鋼軌外,亦有機會引進不同形式、不同斷面之鋼軌,對於鋼軌之導電性及其應符合之測試標準,實為一重要且有意義之議題,可作後續進一步之探討。

註二:阻抗(impedance)為電路對交流電之阻礙作用,會隨頻率變化。在交流電中,除了電阻外,電感與電容亦會阻礙電流的流動,兩者之作用稱為電抗。阻抗(Z)即為電阻(R)與電抗(X)之向量和Z=R+jX,單位為歐姆(Ohm)。而通過電路之電流為直流電時,電抗不會造成阻礙,因此,在直流電下,阻抗等同於電阻。

五、軌道技術研究暨驗證中心

就前述我們單以理論探討電阻值之結果,得知關於電阻值之規範或許可依截面積進行修正,但實際之測值尚需進行現場量測,才能提供規範引用更確實的數據。而既往我國對於軌道系統設施設備之規範標準、技術研發、測試檢驗等,尚缺乏一專責單位,大部份仰賴海外技術、委請國外專家協助,但隨著軌道運輸系統的成長與規模的擴增,現我國政府為維護軌道營運安全並發展國內軌道技術,計畫設置「軌道技術研究暨驗證中心」,協助國內軌道技術之提升與產業研發(圖13)。因此,對於鋼軌電阻值規範準則之建立,或許能藉由未來軌道驗證中心之發展,獲取更多相關檢測與驗證結果,增加
國內在此方面可資遵循之標準。

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圖13 軌道驗證中心基地示意圖

六、結語

鋼軌電阻值之測試與驗證,係為了確認其導電性能是否足夠使列車運作正常,並降低電能損耗,提升效率。隨運輸科技之發展,雖然鋼軌之功能已日漸被新一代之設備所取代,但為維護行車之穩定與安全,鋼軌系統仍在軌道工程中扮演著重要角色。然而,國內目前卻缺乏可依據之規範標準,本文雖試圖以理論探討鋼軌具備之性能,但尚缺乏具體量測之數據作為驗證,因此,針對國內軌道產業技術不足之處,期望政府計畫推動之軌道驗證中心,未來能提供相關標準,提昇運輸系統之安全與穩定,並帶動國內軌道工業更進一步的發展。

參考文獻

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2.Blair Yu (游輝哲)。Blair's鐵道攝影,台鐵IRJ絕緣接頭(2015.12.19)。取自: http://blair-train.blogspot.com/2014/05/irj.html(2018.08.15)

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4.維基百科,萬用表。取自: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%87%E7%94%A8%E8%A1%A8 (2018.08.28)

5.泰仕電子工業股份有限公司,電力鉤表。取自: http://www.tes.com.tw/product_detail.asp?seq=34 (2018.08.28)

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7.臺灣鐵路管理局,高雄運務段,鐵道工程館。取自:https://www.railway.gov.tw/Kaohsiung-Transportation/CP.aspx?sn=18480
(2018.08.09)

8.陳景池,通訊式捷運列車控制系統(2011.4.29簡報)

9.Václav KOLÁŘ , Pavel BOJKO and Roman HRBÁČ,"Measurement of current flowing through a rail with the use of Ohm's
method; determination of the impedance of a rail" , PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN0033-2097, R. 89 NR 6/2013

10. 交通部鐵道局,軌道技術研究暨驗證中心計畫(2018.06.10)。取自: https://www.rb.gov.tw/showpage.php?lmenuid=3&smenuid=84&tmenuid=141&pagetype=0(2018.08.09)

11. 陳智誠、龔昶榮,臺北捷運軌道電氣測試,捷運技術半年刊,第39期,臺北市政府捷運工程局,97年8月,p.87-104

12. Hong Kong Railway Engineering Centre,軌道電路(2006.10.16)。取自: https://hkrailway.org/chi/tc.html (2018.07.25)

13. 沈陳霄、方旭明、宋 昊,淺析 CBTC 資料通信系統的安全隱患,鐵道通信信號,第49卷(第3期),2013年,p.89-92

14. 楊正君,推動軌道技術研究暨驗證中心計畫,土木水利雙月刊,第四十五卷(第一期),2018年2月,p.68-72

【本文稿經由台灣省土木技師公會技師報同意轉載;未經允許請勿任意轉載】

 

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