城市軌道交通專用軌回流供電系統設計及應用

黃江偉 李守杰 王 龍

(1.寧波市軌道交通集團有限公司建設分公司，315101，寧波；2.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，300250，天津∥第一作者，高級工程師)

根據正線、場段內實際測試結果顯示，已開通運行的城市軌道交通線路軌道對地過渡電阻，正線的不足5 Ω·km，停車場車輛段的更是不足1 Ω·km。由此可見，過低的過渡電阻是雜散電流泄漏的主要原因。以寧波市軌道交通1號線為例，受軌道交通雜散電流影響，江南停車場附近燃氣管道地電位出現了較大波動，并超出了管道要求值。經深入了解和實際測試和研究分析，證實雜散電流主要是從正線變電所泄漏，并經大地、沿線金屬管線及結構鋼筋流入線路停車場及車輛段，再從場段內鋼軌流回正線牽引變電所。為徹底解決雜散電流腐蝕及影響，引入專用軌回流供電系統。

1 不同回流方式分析

城市軌道交通直流牽引供電系統主要由牽引整流機組、直流開關柜、上網電纜及隔離開關、牽引網和回流網組成，回流方式有走行軌回流和專用軌回流兩種方式。專用軌回流供電系統正極可采用架空接觸網或接觸軌，負極設置單獨的回流接觸軌。

1.1 走行軌回流方式

走行軌回流方式是利用走行軌(鋼軌)回流，走行軌安裝采用絕緣方式。但受環境條件、施工條件、工期等多方面因素影響，走行軌安裝完畢后，其絕緣水平達不到設計要求的15 Ω·km，導致部分回流電流經走行軌向道床及其它金屬結構回到負極柜，從而產生雜散電流并形成雜散電流腐蝕。圖1為走行軌回流直流供電系統組成示意圖。

圖1 走行軌回流直流供電系統組成示意圖

1.2 專用軌回流方式

專用軌回流是增加單獨的專用回流介質并采用絕緣方式安裝，走行軌只起車輛導向作用。絕緣方式安裝采用絕緣子或復合材料絕緣支架。專用軌絕緣效果遠高于走行軌絕緣效果。專用軌回流直流供電系統組成如圖2所示。

圖2 專用軌回流直流供電系統組成示意圖

1.3 專用軌回流適用性分析

目前，國內外的專用軌回流方式主要有傳統“四軌”方案[2]、膠輪“四軌”方案及跨坐式單軌方案。上述方案在牽引所布點、載客量、隧道斷面開挖、線路轉彎及爬坡能力上均有特殊要求，不適用于常規城市軌道交通工程。傳統“四軌”方案的供電電壓低、牽引變電所布點有所增加；且供電軌和回流軌并排安裝在走行軌側，限界范圍大；地下段需增大隧道開挖斷面。膠輪“四軌”方案的運量低，不適用于大城市建設；跨坐式單軌方案具有運量大、爬坡能力強及轉彎半徑小的特點，但比較適用于地面線路。上述三種專用軌回流方案均有其特殊適用范圍。本文提出了采用架空接觸網結合專用軌回流的城市軌道交通供電系統方案。

架空接觸網授流與專用軌回流相結合的供電方式具體為：架空接觸網系統采用傳統DC 1 500 V剛性或柔性懸掛，設置全線貫通的專用回流軌作為回流通路；車輛采用鋼輪，并增設回流靴，車內設置負極貫通母線；回流軌參考供電方案中接觸軌相關技術要求設置；全線鋼軌焊接連接并在變電所內可靠接地；各牽引變電所處設置單向導通裝置[3]，接于地網母排與專用回流軌之間。

2 專用軌回流供電系統性能分析

2.1 供電系統

2.1.1 牽引變電所布點

傳統牽引變電所布點主要受牽引網電壓降及鋼軌電位[4]兩個因素限制。一般電壓降需滿足網壓1 000 V、軌電位不超過90 V要求。采用專用軌回流后，不再考慮鋼軌電位，只考慮牽引網壓。目前2 500 A載流量的第三軌電阻為0.008 3 Ω/km，60 kg/m鋼軌的電阻為0.036 0 Ω/km，回流軌電阻約是鋼軌的三分之一。根據模擬計算，以走行軌為回流的牽引供電系統，牽引變電所布點間距在2.8～3.0 km之間；采用專用軌回流后，牽引變電所間距可在3.5～5.0 km之間。因此采用專用軌回流不僅能減少牽引變電所布點，還可減少相關土建面積，節省投資，優勢明顯。

以寧波軌道交通4號線為例，根據原初步設計供電系統方案及模擬計算結果，全線正線需設牽引降壓混合變電所14座，采用專用軌回流方案后4號線正線可減少3座牽引變電所，即正線設置11座牽引變電所即可滿足供電需求。牽引網正極維持DC 1 500 V架空接觸網方式不變。模擬計算結果如表1所示。

表1 寧波軌道交通4號線牽引所仿真模擬計算結果(按30對/h模擬)

2.1.2 雜散電流防護

采用專用軌回流供電系統方案后，全線回流軌采用絕緣方式安裝，基本無雜散電流泄漏，變電所內也無需再設置雜散電流監測系統，鋼軌無需進行雜散電流泄漏防護，可降低運維工作量。

2.2 軌道系統

鋼軌只作為行車導向作用，不作為回流系統的一部分，因此對軌道的縱向電阻、接頭焊接和鋼軌安裝要求等大大降低，只需考慮鋼軌本體剛性和鋼軌使用壽命。取消了道床內排流網鋼筋，取消了鋼筋間焊接要求，取消了相關排流網連接端子和雜散電流測試端子。

2.3 站臺門

采用專用軌回流供電系統后，鋼軌、站臺門均與接地網可靠連接，形成等電位體，故無需再設置站臺門絕緣帶，更加提高了乘客乘車安全性。

3 專用軌回流直流牽引供電系統設計

3.1 牽引變電所設計

采用專用軌回流供電系統方案后，回流軌與走行軌分離。考慮架空接觸網在區間斷線后會搭在鋼軌或回流軌上這一實際情況，在原變電所設計方案中增設帶泄漏電流監測元件的負地單向導通裝置(見圖3)，裝置一端連接變電所負極母線，另一端與接地網連接。導通方向由鋼軌側導向負極母線側，為接觸網發生接地故障后提供短路通路，實現繼電保護可靠動作。

圖3 負地單向導通裝置

另外全線鋼軌焊接連接成電氣貫通長軌，采用魚尾板連接的鋼軌接頭處用電纜連接完成。鋼軌在每個變電所內通過電纜與車站接地網可靠連接。接地保護故障方案分析如下：牽引網正極(接觸網)對架空地線、鋼軌發生接地故障(F1)；牽引網正極(接觸網)對車輛殼體發生接地故障(F2)；車輛內正極對車輛殼體發生接地故障(F3)；車輛內正負極對車輛殼體絕緣不良或絕緣支架絕緣不良(F4)；直流設備內正極對設備外殼短路(F5)。各種短路情況如圖4所示。

圖4 專用軌回流各種短路示意圖

F1、F2、F3發生接地故障與走行軌回流系統繼電保護方案[5]一致，短路電流通過鋼軌、架空地線、車殼和接地網等流入負地單向導通裝置再流回負極，保護裝置動作。F4屬于車輛內正負極對車輛殼體絕緣不良或回流軌支架絕緣不良，此時對地單向導通裝置內流過電流，監測元件監測到信號并發出報警，為檢修人員查找泄漏點提供依據。F5屬于正常的直流設備對外殼短路，傳統框架電壓和電流元件保護即可實現故障切除。

3.2 專用回流軌設計

1)專用軌回流系統：其組成包括專用回流軌、魚尾板及緊固件、膨脹接頭、防爬器(中心錨結)、端部彎頭(高速和低速兩種)、電纜連接板及電纜連接螺栓、絕緣支撐和防護罩及其支架等。

2)專用回流軌安裝位置：正線專用回流軌地下區段一般安裝在線路行車方向的左側，高架及敞開段區間設置在行車方向右側。在遇到道岔以及安裝條件限制時，考慮進行換邊敷設，專用回流軌的授流面[6]與鋼軌軌面連線始終保持平行。專用回流軌安裝位置根據車輛選型、受流器安裝位置和牽引網額定電壓等因素確定。專用回流軌的安裝位置按專用回流軌授流面距走行軌軌面連線的高度為140 mm，專用回流軌中心距鋼軌軌面連線中心距離為1 417.5 mm。

3)專用回流軌安裝設計：全線采用整體絕緣支架進行固定安裝。專用回流軌支撐跨距一般按3～5 m間隔進行布置，在端部彎頭和膨脹接頭處應根據實際需要進行布置。專用回流軌的標準制造長度一般為15 m，正線、停車場及車輛段根據線路中的實際布置情況進行配軌，以減少切軌數量。普通連接接頭通過魚尾板方式將標準成品專用回流軌以及專用回流軌與端部彎頭進行固定連接，連接處兩軌之間的縫隙不應大于2 mm。

膨脹接頭采用整體式結構，設置于錨段中部。膨脹接頭伸縮長度需滿足專用軌回流隨環境溫度和運行溫度條件下的伸縮要求。兩組中心錨結之間的專用回流軌稱為一個錨段，錨段長度應根據接觸軌的溫度伸縮補償范圍來確定，地面及高架段錨段長度一般不大于75 m，地下隧道內錨段長度一般不大于90 m。為保證列車回流靴平滑過渡，在專用回流軌的終端設置具有適量坡度的端部彎頭。正線專用回流軌采用高速彎頭，其坡度能夠適應車速 80 km/h的運行要求，通過區段采用低速端部彎頭。

4)斷口設置：機械分段主要指專用回流軌自然斷開，斷口兩端專用回流軌用電纜進行電氣連接，以實現斷口電氣連通。人防門及場段平交道口等處，斷口長度根據人防門工作區域及平交道寬度等情況確定。專用回流軌在電分段處、道岔區段、人防門處、車場內平交道口及車庫庫房內等位置設置斷口。為了檢修維護方便，同時考慮系統的安全保護需要，專用回流軌需要設置電分段，不同電分段間利用機械分段進行分隔。

5)回流軌絕緣支架安裝：在整體道床及高架軌道梁區段，支架安裝采用現場打孔后擴底，用錨栓固定；在碎石道床區段，在軌枕上預留安裝孔，后期在現場用螺栓固定。

6)場段內專用回流軌設置方案：在場段電化范圍股道進行專用回流軌設置，可避免因在場段出入線設置回流轉換段而影響運營出車效率。按照回流通路考慮，在庫內外設置專用軌時不需進行線間距調整。為便于庫內運營檢修及巡視，在停車列檢庫內，專用回流軌的設置考慮間斷設置；在檢修庫內，設置一段滿足回流的專用軌。

4 結語

綜上所述，采用專用軌回流供電系統可以從源頭杜絕雜散電流的產生，不僅能夠解決對城市軌道交通內部結構鋼筋及對周邊金屬管線的腐蝕，還能降低工程施工難度；更重要的是，在后期運行過程中無需對雜散電流泄漏進行監測，不用對鋼軌絕緣進行維護；另外，可減少牽引變電所布點，取消雜散電流監測及排流網設置，取消站臺門絕緣帶。雖然會增加部分投資，但具有非常良好的社會效益，還大大降低了施工和運營的難度，是目前解決國內城市軌道交通雜散電流問題最有效方案。