城市軌道交通專用回流軌牽引供電技術方案研究

成吉安

(寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，315111，寧波//高級工程師)

目前國內城市軌道交通牽引供電系統普遍采用走行軌回流。但現有的走行軌安裝形式很難做到對大地的完全絕緣，故在牽引供電系統中不可避免地存在著雜散電流。這些雜散電流所產生的電化學腐蝕，直接影響地鐵土建結構的安全和使用壽命。雖然在地鐵設計和建設中考慮了諸多雜散電流的腐蝕防護措施，但均不能徹底解決雜散電流的產生及危害問題。

1 雜散電流的危害及常見防護

1.1 雜散電流的危害

隨著地鐵運營時間的推移，走行軌不可避免地受到粉塵、潮濕、積水，以及走行軌打磨作業產生的金屬粉末等不利因素影響，其對大地絕緣性能大幅降低，經由走行軌泄漏到大地中的雜散電流也隨之增大。此外，泄露的雜散電流將在走行軌和道床或地面之間產生電位差，需在車站設置軌電位限制裝置。而目前已運營地鐵線路的軌電位普遍偏高，因而雜散電流還會引起軌電位限制裝置的頻繁動作。

1.2 常見防護措施

當列車在2座牽引變電所之間運行時，走行軌軌電位分布如圖1所示。

圖1 走行軌軌電位分布圖

列車位置處為陽極區，走行軌軌電位為正；牽引變電所附近為陰極區，走行軌軌電位為負。牽引回流在走行軌上形成縱向電壓，產生軌電位。雜散電流的大小，就是圖中的陰影區段(從L1到L2)從走行軌泄漏到大地的電流密度積分值，即：

式中：

Ist——L1到L2段的雜散電流總量；

I——dL段對應的雜散電流量；

V——全線走行軌正電位；

R——走行軌對地泄漏電阻。

由式(1)可知：降低V及增大R是降低雜散電流的基礎。因此，降低雜散電流的常用措施為：

1) 增大R：采用軌枕及軌道設計的新技術及新材料，加強走行軌絕緣安裝等級，在運營過程中及時更換損壞的走行軌絕緣安裝部件，保持道床的清潔干燥。

2) 確保暢通的牽引回流系統：合理設置牽引變電所的數量和位置，采用雙軌回流方式，增設均回流電纜及軌縫接續電纜，以減小走行軌牽引回流電阻。

3) 車輛段及停車場防護措施：在出入段線或出入場線同正線間、停車庫內線路與庫外線間、電化線路與非電化線路之間，以及電化線路盡頭等位置，設置絕緣節及單向導通裝置。

1.3 改善雜散電流泄漏的其他措施

為加強出入段線和試車線的雜散電流防護，還可以對出入段線和試車線采取其他措施：

1) 每隔200～300 m，將出入段線及試車線的走行軌并聯電纜，通過均流箱或電纜轉接箱與走行軌進行一次焊接，以降低走行軌軌電位，從而減小雜散電流的泄漏。

2) 對出入段線單向導通裝置進行功能改造，使其在有列車通過時導通，在無列車通過時斷開。 改造后的單向導通裝置如圖2所示，主要包括列車位置檢測電路、主回路開關QF(接觸器、IGBT等)、電動隔離開關QM及控制器。列車位置檢測電路可檢測列車位置，作為裝置是否啟動的判斷條件。主回路開關QF作為執行器件，根據列車位置進行導通或斷開，實現正線和車輛段、停車場走行軌的連通和絕緣。當列車在通過絕緣節位置時，接觸器閉合，前后走行軌能形成電氣通路，不存在軌電位壓差，以避免弧光打火現象。

圖2 改造后的單向導通裝置圖

2 專用回流軌牽引供電技術方案

2.1 基本方案

上述雜散電流防護措施雖能有效減小雜散電流的泄漏，卻無法完全避免雜散電流泄漏。地鐵雜散電流產生的根本原因是采用了走行軌回流方式。理論上，如果采用絕緣安裝的專用回流軌進行牽引回流，則可完全避免雜散電流的泄漏。目前，重慶跨座式單軌系統就采用了一種專用回流軌牽引供電系統，其接觸網系統采用T型匯流排與接觸線，分別絕緣安裝于軌道梁的兩個側面，形成獨立于軌道梁的正極和負極牽引供電回路。

要在傳統輪軌軌道交通基礎上發展專用回流軌牽引供電系統，可以借鑒國內第三軌牽引供電系統建設經驗。由于牽引軌和回流軌同樣肩負著與列車電流的傳遞，可采用相同類型的鋼鋁復合軌，其絕緣裝置、支持裝置、防護罩、膨脹接頭、端部彎頭及中心錨結等部件的安裝均可參照使用。專用回流軌牽引供電系統的安裝有如下兩種基本方案：

1) 在架空接觸網牽引供電系統中，加入絕緣安裝的專用回流軌構成網軌混合牽引供電系統。采用此方案后，架空接觸網供電模式基本不變，在地下區間隧道內采用剛性懸掛，在車輛段及地面區間采用柔性懸掛。專用回流軌按照懸掛安裝位置可分為專用回流軌安裝于線路的中心或者安裝于線路的側面，鑒于國內第三軌普遍設置于走行軌軌旁的安裝形式，專用回流軌建議安裝于走行軌線路的側面。按照受流方式的不同可分為上部受流、下部受流和側面受流三種。

2) 在第三軌牽引供電系統中，加入同樣絕緣安裝的專用回流軌構成四軌牽引供電系統。此方案中，第三軌和第四軌按照懸掛安裝位置可分為牽引軌和回流軌，分別安裝于線路的兩側或者分別安裝于線路的同側合架兩種。按照受流方式的不同，安裝方式分為上部受流、下部受流和側面受流三種。從工程可行性和節省投資方面考慮，建議采用牽引軌和回流軌同側合架的方案。四軌牽引供電系統其土建和隧道凈空要求可以不變，牽引軌和回流軌按同側上下布置安裝，均被夾持在整體絕緣支架的絕緣塊內，可保證牽引軌和回流軌均隨溫度變化自由伸縮，牽引軌上方設置絕緣防護罩保護。

2.2 專用回流軌牽引供電系統方案

針對走行軌牽引回流系統長期存在的雜散電流腐蝕問題，寧波軌道交通4號線(以下簡為“寧波4號線”)采用了專用回流軌牽引供電方案。寧波4號線全線設車站25座，其中地下車站18座，高架車站7座。雙東路站—大卿橋區間長1.6 km，為隧道線路，是我國第一條穿越核心城區的類矩形盾構法隧道線路。應家站—廣廈怡庭站區間長6.6 km，為高架線路，與北環快速路高架一體化結構設計，二者共用橋墩，上層橋梁通行機動車，下層橋梁為軌道交通線路。

寧波4號線采用的專用回流軌牽引供電方案，為“架空接觸網+專用回流軌”網軌混合牽引供電系統技術方案，如圖3所示。

圖3 寧波4號線網軌混合牽引供電方案

寧波4號線專用回流軌牽引供電方案的主要安裝技術要求為：

1) 所有專用回流軌的基本安裝要求。專用回流軌采用不帶防護罩的上部受流方式。正線采用鋼鋁復合軌，場段內(除出入段線和試車線外)采用異性鋼鋁復合軌。安裝支架為玻璃鋼整體絕緣支架。專用回流軌受流面與走行軌軌頂連線平面的垂直距離為(140±5) mm，回流軌中心與線路相鄰走行軌內側的水平距離為(700±5) mm。安裝完成后，回流軌軌面與走行軌軌平面平行。

2) 正線專用回流軌安裝要求。正線專用回流軌分別安裝于上下行線路的外側。全線要求少斷軌、少換邊。每個錨段中間設置防爬器(中心錨結)，錨段與錨段間采用膨脹接頭連接。按一站一區間設置正線專用回流軌電分段，設置端部彎頭，并采用電動隔離開關相連。

3) 車輛段及停車場庫外的專用回流軌安裝要求。在出入線和接觸網分段絕緣器相應位置設置專用回流軌電分段，通過雙極隔離開關實現正負極同開同合；道岔處專用回流軌自然斷口統一用電纜連接，專用回流軌在庫前進行并聯；專用回流軌分段靠近場段側，通過電纜將出入段線的左右線并聯，并通過回流箱轉接至牽引所負極柜；車輛段試車線專用回流軌單獨設置一路回流電纜，接至牽引所負極柜。

4) 車輛段及停車場庫內的專用回流軌安裝要求。單列位庫內每股道專用回流軌和庫外相應股道的專用回流軌通過雙極隔離開關連接，其接觸網和專用回流軌電氣分段一致。 雙列位庫內，前庫專用回流軌和庫外相應股道的專用回流軌通過雙極隔離開關電纜連接，后庫專用回流軌和庫外相應股道的專用回流軌通過雙極隔離開關電纜連接，因而前庫、后庫接觸網和專用回流軌電氣分段一致且互不影響。

5) 繼電保護配置優化。在走行軌與專用回流軌之間增加單向導通裝置，并在單向導通裝置回路設置泄漏電流監測元件。為在緊急情況下保障乘客疏散安全，在新增單向導通裝置上設置并聯接觸器(如圖4所示)。

圖4 專業回流軌繼電保護裝置配置

2.3 專用回流軌牽引供電系統的優勢

專用回流軌牽引供電系統，是顛覆傳統牽引供電制式的創新設計及應用，減少了軌道交通線路建設及運營維護成本，消除了許多設備設施的安全隱患，提升了整體經濟效益和社會效益。其優勢主要體現在以下幾個方面：

1) 徹底解決了雜散電流腐蝕問題。由于實現了接觸網(牽引軌)及專用回流軌對其他金屬設備設施完全絕緣，取消了對相關設備設施的雜散電流腐蝕防護要求，只要求專用回流軌采用絕緣安裝，結構工程的實施變得更加簡單。

2) 能保證工程實施的相關技術成熟。國內DC 1 500架空接觸網和DC 1 500接觸軌的建設和運營已有相當成功的經驗可以借鑒。

3) 由于正常情況下走行軌沒有牽引電流通過，軌電位的問題也徹底得到了解決。牽引變電所的布置方案只需滿足牽引網電壓的要求，牽引變電所數量會相對減少。

4) 對列車本體進行了改造。創新性設計的列車回流靴及內部貫通回流母線，能使列車在專用回流軌連續及有斷口的條件下都能保證其回流通暢。

3 結語

國內城市軌道交通牽引供電系統普遍采用走行軌作為回流系統，常面臨雜散電流的腐蝕問題。專用回流軌技術與架空接觸網或第三軌牽引供電制式有效結合，可有效減少雜散電流，發展前景廣闊。寧波軌道交通4號線創新使用的“架空接觸網+專用回流軌”網軌混合牽引供電系統技術方案，充分體現了專用回流軌的優越性。通過在工程建設和運營過程中不斷總結經驗，可進一步完善相關技術標準，為類似工程積累可靠的技術儲備和經驗。