談鋼軌系統電阻值（下）

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:

(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

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。

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

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　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, ISSN 0033-2097, 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