新型城市軌道交通牽引供電制式的探討

喻 奇

0 引言

隨著經濟的發展和人口的膨脹，大城市的交通擁堵越來越嚴重，修建地鐵或輕軌已經成為解決公共交通問題的重要途徑。自從1863 年世界上第一條地下鐵道在英國倫敦建成通車以來，世界上已經有30 多個國家和地區的100 多個城市相繼修建了地下鐵道或城市輕軌。目前，國內有近30 個城市正在大力發展城市軌道交通。

1 城市軌道交通供電制式簡述

城市軌道交通牽引供電系統由牽引變電所、牽引網和回流網3 部分構成。變電所通過牽引網由車輛受電器向列車饋送電能，而后經回流網返回牽引變電所。

牽引網供電制式主要指電流制、電壓等級和饋電方式。目前國外城市軌道交通直流牽引電壓等級有DC 600 V、DC 750 V 和DC 1 500 V 等多種；GB/T 10411《城市軌道交通直流牽引供電系統》規定了DC 1500 V 和DC 750 V 2 種電壓制。牽引網的饋電方式分為架空接觸網和接觸軌2 種基本類型。目前國內各城市軌道交通供電系統主要采用DC 1 500 V 架空接觸網饋電方式和DC 750 V 接觸軌饋電方式，還有部分采用DC 1 500 V 接觸軌饋電方式，普遍利用走行軌作為回流網。

在以走行軌為回流網的供電制式下，牽引回流將通過鋼軌進入道床形成雜散電流。雜散電流會對鋼軌、整體道床結構鋼筋、隧道結構鋼筋、橋梁鋼筋以及地鐵沿線的金屬設備產生腐蝕，進而影響地鐵各建筑結構和金屬設備的使用壽命。

為減小雜散電流腐蝕的影響，傳統的處理方法通常采用以堵為主，以排為輔，堵排結合并加強監測的方針。“堵”是要增大鋼軌對地間絕緣電阻，使鋼軌回流系統形成懸浮系統；“排”是通過設置雜散電流收集網來減少雜散電流對金屬結構的腐蝕；“測”則是通過對雜散電流收集網極化電位的測量來確定排流柜的投退。隨著運營時間的增加，鋼軌回流系統的絕緣電阻逐步減小，雜散電流會逐漸加大，嚴重影響地鐵各建筑結構和金屬設備的使用壽命。

2 傳統供電制式存在的問題

2.1 鋼軌電位問題

傳統供電制式均利用走行軌作為回流網，存在鋼軌電位過高問題。目前鋼軌電位限值在國內城市軌道交通確定牽引變電所布點方案時起決定作用，通常按正常運行工況最大行車密度時其最高鋼軌電位不大于90 V，大雙邊供電情況最高鋼軌電位不大于120 V 設計。目前國內已經運營的地鐵線路均發現鋼軌實際電位比設計值高很多，導致鋼軌電位限制裝置頻繁動作。一旦車站站臺邊緣地板絕緣損壞，乘客在鋼軌電位過高時觸碰屏蔽門將有觸電危險。

2.2 雜散電流防護的問題

傳統供電制式均需考慮雜散電流防護的問題。但隨著運營時間的增加，各種絕緣材料的絕緣性能逐漸下降，鋼軌對地絕緣電阻越來越小，雜散電流會越來越大。當采用排流法進行雜散電流腐蝕防護時，排流網變為接地系統，牽引電流經鋼軌泄漏至排流網（通常利用整體道床結構鋼筋作排流網），而后沿排流電纜（經排流柜）流至負母排。通過增加牽引電流沿排流網流回牽引變電所的通路，達到減小雜散電流對隧道、橋梁、建筑結構鋼筋的腐蝕作用，該方法實際上增大了雜散電流對整體道床結構鋼筋的腐蝕，造成牽引電流沿走行軌流回牽引變電所的比例減小，雜散電流總量增加。

為避免雜散電流腐蝕，地鐵沿線各種類型金屬管線盡量絕緣安裝，但絕緣安裝增加工程投資，而且如電纜支架的接地扁鋼全線貫通，工程實施上很難做到全部絕緣安裝。

2.3 供電可靠性的問題

傳統供電制式牽引網均無備用，一旦發生故障容易造成全線停運，甚至造成列車停在區間內無法進入車站，牽引網供電可靠性不高。

3 新型供電制式的探討

3.1 供電制式的選擇原則

供電制式的選擇原則需遵循以下3 個原則：

（1）客流量和最大站間距。客流量是軌道交通設計的基礎。根據預測客流量大小選擇適用的電動客車類型和列車編組數量。大運量軌道交通系統一般采用DC 1 500 V 電壓；中運量軌道系統可采用DC 750 V 或DC 1 500 V。線路最大站間距是確定牽引供電電壓的重要因素，如果線路有跨海段或跨江段，區間很長且無法設置區間牽引變電所的線路應選用DC 1 500 V。

（2）供電安全可靠性。軌道交通是城市交通的骨干，一旦牽引網發生故障造成列車停運，就會嚴重影響市民出行，引起城市交通混亂。因此，安全可靠是選擇供電制式的最重要條件。

（3）工程綜合投資成本。降低工程綜合投資成本是城市軌道交通工程建設必須考慮的重要因素。不單要考慮供電系統的初次投資成本，還應兼顧線路后期運營成本。由于直流供電制式不可避免地帶來雜散電流腐蝕問題，嚴重影響區間隧道、橋梁以及車站結構和沿線金屬管線的使用壽命，因此需考慮對整個城市軌道交通工程綜合投資成本的影響。

3.2 四軌供電技術的探討

典型四軌系統是在三軌系統的基礎上發展起來的，受電軌和回流軌采用相同類型的鋼鋁復合軌，受電軌負責向機車不間斷地提供電能，回流軌與變電所負極柜相連，形成一個完整的供電回路。地鐵直流牽引四軌供電系統由于回流軌徹底與道床等其他設施絕緣，不存在雜散電流腐蝕問題和鋼軌電位過高問題。

四軌供電制式目前存在以下幾大問題：

（1）車輛國產化。國內僅重慶采用了四軌供電制式，且其線路為單軌跨座式線路。除重慶外，國內城市軌道交通均采用1 435 mm 標準軌道，國內尚無四軌供電制式的軌道交通車輛。

（2）工程實施。目前國內軌道交通普遍采用Φ5 500 mm 的隧道盾構斷面，若采用四軌供電制式，無法滿足受電軌和回流軌對安裝空間的要求。

3.3 新型供電制式的研究

DC 1 500 V 網軌混合型牽引供電制式是結合目前國內軌道交通常見的DC 1 500 V 接觸網和DC 1 500 V 接觸軌2 種供電制式而形成的新型城市軌道交通供電制式。如圖1，正常情況下，采用DC 1 500 V 接觸網受電向列車饋送電能，牽引電流經接觸軌返回牽引變電所。當DC 1 500 V 接觸網故障時，改由DC 1 500 V 接觸軌受電，走行軌作回流網將牽引電流送回牽引變電所。

DC 1 500 V 網軌混合型牽引供電制式具有以下幾大優點：

（1）徹底解決雜散電流腐蝕問題。由于接觸網和接觸軌對其他金屬設施絕緣，可取消雜散電流監測系統，并取消對相關設施的雜散電流腐蝕防護的要求，僅要求鋼軌采用絕緣法安裝。結構工程實施由此將變得簡單。

圖1 網軌混合型供電制式接線示意圖

（2）工程實施技術成熟。DC 1 500 V 接觸網和DC 1 500 V 接觸軌的建設和運營國內已有成功經驗可以借鑒。

國內軌道交通普遍采用的Φ5 500 mm 盾構隧道斷面可滿足DC 1 500 V 接觸網和DC 1 500 V 接觸軌的安裝空間要求，如圖2 所示。

圖2 網軌混合型供電制式盾構隧道斷面示意圖

（3）供電可靠性提高。DC 1 500 V 網軌混合型牽引供電制式史無前例地實現了牽引網的備用。傳統軌道交通牽引網均無備用，一旦出現故障，必須停電搶修，嚴重影響市民出行，若列車停在區間內，救援疏散非常困難。DC 1 500 V 網軌混合型牽引供電制式在接觸網故障時，為確保行車安全，可由接觸軌代替接觸網供電，采用走行軌回流，雖然帶來雜散電流腐蝕的問題，但時間短暫，且鋼軌仍采用絕緣法安裝，雜散電流腐蝕的影響很小。

（4）工程綜合成本降低。由于同時采用了接觸網和接觸軌造成供電系統建設總成本增加，但可取消雜散電流監測系統，取消針對軌道、相關結構及沿線金屬管線的雜散電流腐蝕防護措施，相應減少了軌道、土建和沿線金屬管線的建設成本。由于正常情況下鋼軌無牽引電流通過，鋼軌電位的問題也徹底解決，牽引變電所布點方案的確定只需滿足牽引網電壓的要求，因此牽引變電所的數量會減少。供電系統占整個軌道交通工程投資比例較小，一般約為4%，整個軌道交通工程初次總投資僅增加0.5%，帶來的是軌道、車站及區間結構和沿線金屬管線使用壽命延長，減少了后期線路運營維護的成本，且消除了許多設施的安全隱患。工程綜合總成本降低，提升了整體經濟效益和社會效益。

4 結束語

城市軌道交通牽引供電制式的選擇應從安全可靠性、經濟性、發展性等方面綜合考慮。牽引供電系統必須保證軌道交通的安全運營，其中包含人身安全、相關設施及設備安全、系統故障應對措施。在安全運行的基礎上，一并考慮整體經濟效益和社會效益。同時還應考慮其發展性，使未來國內形成統一的城市軌道交通牽引供電制式。1 500 V 網軌混合型牽引供電制式正是基于上述要求提出的，為未來城市軌道交通牽引供電制式的發展提供了重要參考。

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