城市軌道交通專用回流軌牽引供電技術(shù)方案研究

成吉安

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司，315111，寧波//高級(jí)工程師)

目前國內(nèi)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)普遍采用走行軌回流。但現(xiàn)有的走行軌安裝形式很難做到對(duì)大地的完全絕緣，故在牽引供電系統(tǒng)中不可避免地存在著雜散電流。這些雜散電流所產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕，直接影響地鐵土建結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命。雖然在地鐵設(shè)計(jì)和建設(shè)中考慮了諸多雜散電流的腐蝕防護(hù)措施，但均不能徹底解決雜散電流的產(chǎn)生及危害問題。

1 雜散電流的危害及常見防護(hù)

1.1 雜散電流的危害

隨著地鐵運(yùn)營時(shí)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(yè)產(chǎn)生的金屬粉末等不利因素影響，其對(duì)大地絕緣性能大幅降低，經(jīng)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(chǎn)生電位差，需在車站設(shè)置軌電位限制裝置。而目前已運(yùn)營地鐵線路的軌電位普遍偏高，因而雜散電流還會(huì)引起軌電位限制裝置的頻繁動(dòng)作。

1.2 常見防護(hù)措施

當(dāng)列車在2座牽引變電所之間運(yùn)行時(shí)，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(qū)，走行軌軌電位為正；牽引變電所附近為陰極區(qū)，走行軌軌電位為負(fù)。牽引回流在走行軌上形成縱向電壓，產(chǎn)生軌電位。雜散電流的大小，就是圖中的陰影區(qū)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(duì)應(yīng)的雜散電流量；

V——全線走行軌正電位；

R——走行軌對(duì)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(chǔ)。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(shè)計(jì)的新技術(shù)及新材料，加強(qiáng)走行軌絕緣安裝等級(jí)，在運(yùn)營過程中及時(shí)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(tǒng)：合理設(shè)置牽引變電所的數(shù)量和位置，采用雙軌回流方式，增設(shè)均回流電纜及軌縫接續(xù)電纜，以減小走行軌牽引回流電阻。

3) 車輛段及停車場(chǎng)防護(hù)措施：在出入段線或出入場(chǎng)線同正線間、停車庫內(nèi)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(shè)置絕緣節(jié)及單向?qū)ㄑb置。

1.3 改善雜散電流泄漏的其他措施

為加強(qiáng)出入段線和試車線的雜散電流防護(hù)，還可以對(duì)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(lián)電纜，通過均流箱或電纜轉(zhuǎn)接箱與走行軌進(jìn)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(duì)出入段線單向?qū)ㄑb置進(jìn)行功能改造，使其在有列車通過時(shí)導(dǎo)通，在無列車通過時(shí)斷開。 改造后的單向?qū)ㄑb置如圖2所示，主要包括列車位置檢測(cè)電路、主回路開關(guān)QF(接觸器、IGBT等)、電動(dòng)隔離開關(guān)QM及控制器。列車位置檢測(cè)電路可檢測(cè)列車位置，作為裝置是否啟動(dòng)的判斷條件。主回路開關(guān)QF作為執(zhí)行器件，根據(jù)列車位置進(jìn)行導(dǎo)通或斷開，實(shí)現(xiàn)正線和車輛段、停車場(chǎng)走行軌的連通和絕緣。當(dāng)列車在通過絕緣節(jié)位置時(shí)，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(xiàn)象。

圖2 改造后的單向?qū)ㄑb置圖

2 專用回流軌牽引供電技術(shù)方案

2.1 基本方案

上述雜散電流防護(hù)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(chǎn)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(jìn)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(tǒng)就采用了一種專用回流軌牽引供電系統(tǒng)，其接觸網(wǎng)系統(tǒng)采用T型匯流排與接觸線，分別絕緣安裝于軌道梁的兩個(gè)側(cè)面，形成獨(dú)立于軌道梁的正極和負(fù)極牽引供電回路。

要在傳統(tǒng)輪軌軌道交通基礎(chǔ)上發(fā)展專用回流軌牽引供電系統(tǒng)，可以借鑒國內(nèi)第三軌牽引供電系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。由于牽引軌和回流軌同樣肩負(fù)著與列車電流的傳遞，可采用相同類型的鋼鋁復(fù)合軌，其絕緣裝置、支持裝置、防護(hù)罩、膨脹接頭、端部彎頭及中心錨結(jié)等部件的安裝均可參照使用。專用回流軌牽引供電系統(tǒng)的安裝有如下兩種基本方案：

1) 在架空接觸網(wǎng)牽引供電系統(tǒng)中，加入絕緣安裝的專用回流軌構(gòu)成網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)。采用此方案后，架空接觸網(wǎng)供電模式基本不變，在地下區(qū)間隧道內(nèi)采用剛性懸掛，在車輛段及地面區(qū)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(cè)面，鑒于國內(nèi)第三軌普遍設(shè)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(cè)面。按照受流方式的不同可分為上部受流、下部受流和側(cè)面受流三種。

2) 在第三軌牽引供電系統(tǒng)中，加入同樣絕緣安裝的專用回流軌構(gòu)成四軌牽引供電系統(tǒng)。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(cè)或者分別安裝于線路的同側(cè)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(cè)面受流三種。從工程可行性和節(jié)省投資方面考慮，建議采用牽引軌和回流軌同側(cè)合架的方案。四軌牽引供電系統(tǒng)其土建和隧道凈空要求可以不變，牽引軌和回流軌按同側(cè)上下布置安裝，均被夾持在整體絕緣支架的絕緣塊內(nèi)，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(shè)置絕緣防護(hù)罩保護(hù)。

2.2 專用回流軌牽引供電系統(tǒng)方案

針對(duì)走行軌牽引回流系統(tǒng)長期存在的雜散電流腐蝕問題，寧波軌道交通4號(hào)線(以下簡為“寧波4號(hào)線”)采用了專用回流軌牽引供電方案。寧波4號(hào)線全線設(shè)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(qū)間長1.6 km，為隧道線路，是我國第一條穿越核心城區(qū)的類矩形盾構(gòu)法隧道線路。應(yīng)家站—廣廈怡庭站區(qū)間長6.6 km，為高架線路，與北環(huán)快速路高架一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，二者共用橋墩，上層橋梁通行機(jī)動(dòng)車，下層橋梁為軌道交通線路。

寧波4號(hào)線采用的專用回流軌牽引供電方案，為“架空接觸網(wǎng)+專用回流軌”網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)技術(shù)方案，如圖3所示。

圖3 寧波4號(hào)線網(wǎng)軌混合牽引供電方案

寧波4號(hào)線專用回流軌牽引供電方案的主要安裝技術(shù)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(hù)罩的上部受流方式。正線采用鋼鋁復(fù)合軌，場(chǎng)段內(nèi)(除出入段線和試車線外)采用異性鋼鋁復(fù)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(nèi)側(cè)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(cè)。全線要求少斷軌、少換邊。每個(gè)錨段中間設(shè)置防爬器(中心錨結(jié))，錨段與錨段間采用膨脹接頭連接。按一站一區(qū)間設(shè)置正線專用回流軌電分段，設(shè)置端部彎頭，并采用電動(dòng)隔離開關(guān)相連。

3) 車輛段及停車場(chǎng)庫外的專用回流軌安裝要求。在出入線和接觸網(wǎng)分段絕緣器相應(yīng)位置設(shè)置專用回流軌電分段，通過雙極隔離開關(guān)實(shí)現(xiàn)正負(fù)極同開同合；道岔處專用回流軌自然斷口統(tǒng)一用電纜連接，專用回流軌在庫前進(jìn)行并聯(lián)；專用回流軌分段靠近場(chǎng)段側(cè)，通過電纜將出入段線的左右線并聯(lián)，并通過回流箱轉(zhuǎn)接至牽引所負(fù)極柜；車輛段試車線專用回流軌單獨(dú)設(shè)置一路回流電纜，接至牽引所負(fù)極柜。

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

5) 繼電保護(hù)配置優(yōu)化。在走行軌與專用回流軌之間增加單向?qū)ㄑb置，并在單向?qū)ㄑb置回路設(shè)置泄漏電流監(jiān)測(cè)元件。為在緊急情況下保障乘客疏散安全，在新增單向?qū)ㄑb置上設(shè)置并聯(lián)接觸器(如圖4所示)。

圖4 專業(yè)回流軌繼電保護(hù)裝置配置

2.3 專用回流軌牽引供電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

專用回流軌牽引供電系統(tǒng)，是顛覆傳統(tǒng)牽引供電制式的創(chuàng)新設(shè)計(jì)及應(yīng)用，減少了軌道交通線路建設(shè)及運(yùn)營維護(hù)成本，消除了許多設(shè)備設(shè)施的安全隱患，提升了整體經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 徹底解決了雜散電流腐蝕問題。由于實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)(牽引軌)及專用回流軌對(duì)其他金屬設(shè)備設(shè)施完全絕緣，取消了對(duì)相關(guān)設(shè)備設(shè)施的雜散電流腐蝕防護(hù)要求，只要求專用回流軌采用絕緣安裝，結(jié)構(gòu)工程的實(shí)施變得更加簡單。

2) 能保證工程實(shí)施的相關(guān)技術(shù)成熟。國內(nèi)DC 1 500架空接觸網(wǎng)和DC 1 500接觸軌的建設(shè)和運(yùn)營已有相當(dāng)成功的經(jīng)驗(yàn)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(wǎng)電壓的要求，牽引變電所數(shù)量會(huì)相對(duì)減少。

4) 對(duì)列車本體進(jìn)行了改造。創(chuàng)新性設(shè)計(jì)的列車回流靴及內(nèi)部貫通回流母線，能使列車在專用回流軌連續(xù)及有斷口的條件下都能保證其回流通暢。

3 結(jié)語

國內(nèi)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)普遍采用走行軌作為回流系統(tǒng)，常面臨雜散電流的腐蝕問題。專用回流軌技術(shù)與架空接觸網(wǎng)或第三軌牽引供電制式有效結(jié)合，可有效減少雜散電流，發(fā)展前景廣闊。寧波軌道交通4號(hào)線創(chuàng)新使用的“架空接觸網(wǎng)+專用回流軌”網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)技術(shù)方案，充分體現(xiàn)了專用回流軌的優(yōu)越性。通過在工程建設(shè)和運(yùn)營過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，可進(jìn)一步完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為類似工程積累可靠的技術(shù)儲(chǔ)備和經(jīng)驗(yàn)。