地鐵獨立軌回流技術應用研究

王鵬

摘要：在本文中，我們討論了地鐵工程中的雜散電流腐蝕和危險問題，雜散電流腐蝕保護措施和獨立軌道回流技術以及獨立軌回流技術在供電系統、機車系統等系統中的適用性。分析獨立軌回流和走行軌回流方法的影響，并進行技術和經濟比較分析。

關鍵詞：地鐵;獨立軌;走行軌;雜散電流;回流技術

中圖分類號：U231文獻標識碼：A

1概述

1.1雜散電流的產生及危害

目前，國內和國際地鐵通常使用架空接觸網或接觸軌來供電，并通過走行軌回流。架空接觸網或第三導軌連接到陶瓷絕緣子或FRP絕緣支架，具有高介電強度，以限制漏電流到地面。運行軌道是高強度金屬基座，用以支持列車質量，但它附加的機車與地面的電氣隔離強度不能達到同樣的強度。盡管在運行軌道和軌道床之間添加了絕緣橡膠墊以使一部分漏電流絕緣，但橡膠墊具有高強度絕緣，容易被鐵粉，灰塵或濕氣污染，致使不能完全與道床隔離。因此，拖曳的返回電流通過運行軌道泄漏到軌道床和其他金屬結構，從而產生雜散電流。

雜散電流對地鐵軌道，盾構結構，金屬管道和電氣設備的腐蝕程度遠大于自然腐蝕。具有強度高、損傷大、射程大、隨機性強等特點，這將直接影響地鐵土建結構及設備的安全性和使用壽命。

1.2防護措施

（1）目前，在軌道回流直流牽引供電系統中，雜散電流防腐系統主要采取的保護措施是降低回流阻力，增加從軌道到地面的過渡阻力，增強絕緣性，增強線路設備和管道。例如沿網絡增強電腐蝕保護。雜散電流監測終端位于結構中，通過埋在道床中的參比電極來歸納土建結構中的雜散電流。當監測數據超標時，設置在道床上的雜散電流排流網絡將迷流電流傳輸到變電所負極柜的母排上。雖然上述被動保護措施可以提供某種程度的保護，但它們不能完全解決問題。

（2）通過使用獨立軌回流技術解決雜散電流腐蝕是為了更好的解除迷流電流的不利影響，此技術起源于國外。在英國、意大利等國家采用的四軌供電系統的幾條地鐵線路中，倫敦地鐵北線、馬來西亞KeranaJaya系列對獨立軌回流技術的應用最為廣泛。電力機車動力通過牽引變電所提供，并通過獨立軌回流方式返回變電所。獨立軌回流方式采用較好的絕緣安裝，對雜散電流泄露進行最大限度的降低，進而從根源上對雜散電流所引起的問題進行解決。

1.3國內外研究

目前，在地鐵線路上，獨立軌回流技術主要應用于英國，意大利，馬來西亞等國家。中國的幾家聯合地鐵公司已經開始初步研究，目前寧波新修建的地鐵4號線線路也開始使用獨立軌回流技術。這是對獨立軌回流技術的商業化探索。獨立軌道回流技術的應用研究是可行和必要的。根據相同的原理，如果使用架空接觸網為電力機車提供動力，通過獨立軌（第三軌）回流技術進行回流。這種方法比四軌系統更容易實現，具有很高的推廣價值。

2供電系統的可行性應用分析

2.1接地保護方案

為了確保車輛內外乘客的安全，車輛電位與地面之間的電壓差不能太大，必須滿足相應的規范。當使用獨立軌道再循環時，建議直接將軌道接地，因為運行軌道沒有電流路徑且不會散布雜散電流。此時，車身通過車輪和軌道直接接地，車身與地面之間的電位差為零，有效保證了乘員的安全。如果接觸網或回路發生短路故障，應安裝接地保護裝置，及時排除故障，確保直流設備正常運行和乘客安全。

直流牽引系統在單獨的軌道上再循環之后，走行軌道不用作返回路徑。原始返回軌道和地面之間的小過渡電阻已被大的絕緣電阻所取代。在這種情況下，最初在行進軌道再循環系統中使用的接地保護方案不再具有可靠的監察作用，不能及時發現和消除故障。為了解決上述問題，在具有獨立軌道再循環的地鐵供電系統中，可以采用跨座單軌系統中的接地保護方案作為參考，以實現接地保護裝置的相應保護功能。

2.2分段問題

在獨立軌道回流技術中，獨立回流軌作為負極，當列車在該部分中運行時回流軌中存在較大電流。因此，線路維護人員在進行檢修時存在觸電的風險。地鐵線路一般較長，若不進行供電分區，就只能全線停電后在進行檢修作業，獨立回流軌也應分段設置，且分段位置應與供電軌或架空接觸網供電分區一致。這樣在獨立回流軌維護期間接地，大大減少了操作和維護工作時間。在獨立回流軌兩電分段之間端部彎頭的空白區段，也應在走行軌上進行回流電纜的連接，否則，也會產生雜散電流對線路產生危害。

回流軌是否分段，應分析和考慮對維護人員的影響，并結合線路的特定要求和電力系統的安全要求。如果需對獨立回流軌進行拆分，則可以與接觸網雙極隔離開關一起使用。

2.3牽引所數量

在使用走行軌回流的地鐵供電系統中，放電網絡的軌道電位和極化電位是確定牽引力是否合理的重要標準。牽引所之間的距離越大，軌道的電位越高，排流網絡的極化電位越高。為了降低軌道電位以及排流網絡的極化電位，牽引所之間的距離不應太大，否則會增加牽引所的數量和工程投資。

獨立軌道回流技術允許運行軌道直接接地，列車本身也通過軌道接地，車體與地面之間沒有潛在的差異，以確保乘客安全。此外，由于獨立回流軌和地之間的良好隔離，雜散電流泄漏非常有限所以可以取消排流網絡。因此，可以增加牽引所與牽引所之間的距離，因為牽引網絡的壓降和牽引動力系統的供電能力不受軌道的潛力和排流網絡的極化能力的影響。

3車輛系統的應用分析

（1）回流設備

獨立軌道回流技術是在第三軌供電技術發展的基礎上發展起來的，并與用于三軌系統的車輛技術相同。依據接觸流動表面的位置，車輛設有相應形式的回流。回流設備可滿足不同項目的實際需求，對車輛動態范圍和限制新回流設備對其影響，從而滿足不同工程進展的實際需求。

（2）無電區分析

沒有電區，例如地鐵架空接觸網在常規供電設置當中雖然存在電分段，但因地鐵用分段絕緣器長度較短且機車首尾都架設受電弓，不會出現機車無電現象。而作為負極的獨立回流軌不可避免地在道岔處斷軌，或為方便檢修人為設置的斷軌，但這并不會造成無電區。在獨立回流軌斷開位置會在走行軌上設置回流裝置，以滿足回流要求。在實際工程設計中，需要根據列車中出現的最長非電氣區域的長度和列車上可積電裝置的數量來選擇與回流裝置相關聯的電氣部件，以滿足車輛的正常工作需要。

（3）車輛接地保護

為了確保車身和乘員的安全，可以在車輛的正負母線與車身之間設置接地保護裝置，這些保護裝置可以檢測故障信號以及提醒駕駛員和調度中心。

（4）獨立軌回流和走行軌回流方式的切換

當機車的集電靴與獨立回流軌的鋼鋁復合軌接觸時，電車供電系統與回流系統組成回路，列車則以恒定的電勢運行。但若線路維護人員此時靠近獨立復合軌會有觸電的危險。此外，安裝在走行軌外側的獨立回流軌也會占據軌道側面限界，減少了維護人員的檢修空間。因此，當列車返回列檢庫檢修時，必須切換到走行軌回流模式。列車從線路正線返回車輛段或停車場需要獨立軌回流以及走行軌回流再循環模式。大多數城市鐵路都是成網絡化分布的，城市中有需經轉多條路線的列車，還有用于線路聯絡的專用路線以及車輛段和停車場。如果電力機車同時具備獨立軌回流與走行軌回流兩種回流能力，那么電力機車的適用性將得到增強，資源共享將得到顯著改善，使用同時具備兩個系統能力的車輛將可共享停車場與車輛段資源，減少財政支出與土地占用面積。

4結束語：

總而言之，有必要在地鐵工程中采用獨立的軌道回流技術，這將徹底解決軌道上金屬結構軌道再循環引起的雜散電流和安全問題的負面影響。鑒于中國地鐵采用獨立的鐵路回流技術還處于摸索階段，相關設備和機車制造商應盡快進行研發，并逐步應用于中國城市軌道交通的發展，才不會被時代所拋棄。

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