淺談城市軌道交通四軌供電方式的優(yōu)點(diǎn)

張智博

摘 要：本文分析了目前地鐵中采用走行軌作為回流網(wǎng)的供電方式，重點(diǎn)提出了目前雜散電流防護(hù)存在的普遍問(wèn)題，提出采用四軌供電方式是根本解決雜散電流防護(hù)存在問(wèn)題的手段，并能在現(xiàn)有技術(shù)條件下予以實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：地鐵；四軌供電；雜散電流防護(hù)

Abstract：This paper analyzes the adoption of the running rails to be the current return network in current subway，puts forward with emphases on the commonly existed problems in stray current protection ，puts forward that the adoption of the fourth rail supply mode is a fundamental approach to solve problems existed in stray current protection ，which is able to be realized under existed technical conditions.

Key words：subway ；fourth rail power supply ；stray current protection

1、引言

目前，在城市地鐵和輕軌等軌道交通供電系統(tǒng)中，一般采用直流牽引，走行軌回流，因此，不可避免會(huì)有電流從走行軌泄入大地，對(duì)地下或地面的金屬構(gòu)件如結(jié)構(gòu)鋼筋、地下管線(xiàn)等產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，由于腐蝕的隱蔽性和突發(fā)性，一旦發(fā)生事故，往往會(huì)造成災(zāi)難性的后果，如煤氣或石油管道的腐蝕穿孔、結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕，會(huì)破壞混凝土的整體性，降低其強(qiáng)度和耐久性，給安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)雜散電流腐蝕必須給予足夠的重視。影響地鐵雜散腐蝕過(guò)程的因素較多，在理論分析的基礎(chǔ)上結(jié)合大量調(diào)查研究和實(shí)驗(yàn)，才能提出有針對(duì)性地治理雜散電流的技術(shù)和方法，對(duì)新建的軌道交通系統(tǒng)，要在設(shè)計(jì)、施工兩個(gè)階段入手，從實(shí)際出發(fā)，根據(jù)不同的線(xiàn)路施工、地質(zhì)狀況以及供電方式相結(jié)合采取相應(yīng)的技術(shù)措施，才能減少雜散電流【1】。

2、傳統(tǒng)雜散電流防護(hù)的缺陷

由于傳統(tǒng)的直流供電模式?jīng)Q定了雜散電流產(chǎn)生的必然性，雖然采取了各種措施，但隨著運(yùn)行年限的增加，各種絕緣材料的絕緣性能逐漸下降，鋼軌泄漏電阻越來(lái)越小，雜散電流會(huì)越來(lái)越大，通過(guò)對(duì)各城市地鐵運(yùn)營(yíng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前普遍存在以下幾方面問(wèn)題：

（1）鋼軌電位高。目前國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)的地鐵均發(fā)現(xiàn)鋼軌的實(shí)際電位比設(shè)計(jì)值高很多，導(dǎo)致鋼軌電位限制裝置頻繁動(dòng)作，理論和實(shí)際相差較大，至今找不到原因。

（2）排流柜增加了雜散電流總量。當(dāng)采用排流法時(shí)鋼軌系統(tǒng)稱(chēng)之為接地系統(tǒng)，在有電流從鋼筋沿排流電纜（經(jīng)二極管）流至負(fù)母排時(shí)，原來(lái)負(fù)母排的負(fù)電位變?yōu)榻咏汶娢?，從而因鋼軌縱向電壓的限制作用使得兩座牽引所間鋼軌的最高對(duì)地電位增加了一倍，兩座牽引所間幾乎全部成為陽(yáng)極區(qū)，雜散電流總量增加了近四倍，造成除牽引所附近鋼筋腐蝕減少外，區(qū)間鋼筋的腐蝕量上升。

（3）綜合管線(xiàn)絕緣安裝的工程難度。為避免雜散電流腐蝕，地鐵沿線(xiàn)各種類(lèi)型的綜合管線(xiàn)宜盡量采用絕緣安裝，但絕緣安裝不但增加了工程投資，而且如電纜支架的接地扁鋼全線(xiàn)貫通，因功能上的需求，很難做到全部絕緣安裝，特別是這幾年地鐵工程的建設(shè)與城市發(fā)展的結(jié)合越來(lái)越緊密，有些車(chē)站的建筑需進(jìn)行綜合商業(yè)開(kāi)發(fā)，建筑體量很大，其中鋼筋密布，難以做到車(chē)站結(jié)構(gòu)鋼筋與其他結(jié)構(gòu)鋼筋絕緣，因此如今大型地鐵車(chē)站其結(jié)構(gòu)的雜散電流防護(hù)措施成為目前難以解決的問(wèn)題。

3、四軌系統(tǒng)的特點(diǎn)【2】

典型四軌系統(tǒng)是在三軌系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要由牽引軌、回流軌、支持裝置、防護(hù)罩、膨脹接頭、端部彎頭、中心錨結(jié)和普通接頭等組成（如圖2）。牽引軌和回流軌采用相同類(lèi)型的鋼鋁復(fù)合軌，牽引軌負(fù)責(zé)向機(jī)車(chē)不間斷地提供電能，回流軌與變電所負(fù)極柜相連，形成一個(gè)完整的供電回路。

地鐵直流牽引四軌供電系統(tǒng)由于回流軌徹底與道床等設(shè)施絕緣，不存在雜散電流，也就不必考慮防雜散電流的措施和設(shè)施。

與傳統(tǒng)直流供電模式相比，四軌供電方式具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：

（1）對(duì)軌道的縱向電阻、接頭焊接、鋼軌安裝不再有要求。

（2）對(duì)道床結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)以及高架結(jié)構(gòu)不再有雜散電流防護(hù)要求，結(jié)構(gòu)施工變得更加容易。

（3）取消了車(chē)站鋼軌電位限制裝置

（4）取消了排流柜，同時(shí)也減少了連接電纜和設(shè)備用房

（5）取消雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（6）取消鋼軌絕緣結(jié)，消除了機(jī)車(chē)過(guò)絕緣結(jié)產(chǎn)生火花現(xiàn)象

（7）取消了盾構(gòu)區(qū)間連接電纜

（8）金屬結(jié)構(gòu)不會(huì)被腐蝕，避免了對(duì)走行鋼軌的焊接損傷

4、采用四軌供電技術(shù)需考慮的問(wèn)題

目前建成的線(xiàn)路多采用國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）推薦的DC 750V和DC 1500V兩種電壓制式，其中DC l500V電壓制式具有供電距離長(zhǎng)、電壓損失小、可承受客流量大、雜散電流影響小等優(yōu)點(diǎn)，而接觸軌（第三軌）供電具有使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，因此，國(guó)內(nèi)DC 75OV供電的地鐵城市多采用了三軌供電，例如我國(guó)深圳地鐵3號(hào)線(xiàn)、天津地鐵4、5、6號(hào)線(xiàn)、無(wú)錫地鐵1號(hào)線(xiàn)以及青島地鐵3號(hào)線(xiàn)的DC 1500V供電也采用第三軌供電。國(guó)際上（如加拿大、美國(guó)、馬來(lái)西亞）在DC 750V（或DC 600V）電壓等級(jí)采用了“四軌” 系統(tǒng)，但尚無(wú)DC l500V電壓等級(jí)“四軌”系統(tǒng)的先例【3】，為此四軌供電方式需考慮以下幾方面問(wèn)題：

（1）受流方式，典型四軌系統(tǒng)通常采用側(cè)面受流方式（如圖3），而單軌跨座式線(xiàn)路方式，由于無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)有普遍采用的Φ5500 mm盾構(gòu)斷面的建筑限界要求，因此不是最佳的方案，結(jié)合國(guó)外類(lèi)似工程和國(guó)內(nèi)三軌工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，其接觸方式宜采用側(cè)部受流或下部受流方式。

（2）對(duì)車(chē)輛的影響，無(wú)論是三軌受流還是四軌受流（如圖4），適用于接觸軌的集電靴均安裝于車(chē)輛的轉(zhuǎn)向架上，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)采用側(cè)部受流的車(chē)輛，因此采用四軌供電方式后，傳統(tǒng)三軌車(chē)輛的受流器部分變化較大，從集電靴安裝空間上看，側(cè)部受流比下部受流方式更容易實(shí)現(xiàn)。

（3）安全問(wèn)題，采用四軌供電后，接觸軌的安裝高度會(huì)大于三軌的高度，從某種意義上講，特別是對(duì)于側(cè)部受流方式，其對(duì)人身的安全性相對(duì)降低，但目前國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)的三軌線(xiàn)路，其安全規(guī)章制度是健全的，有著嚴(yán)格的操作程序，同時(shí)，目前地鐵建設(shè)都考慮設(shè)有屏蔽門(mén)或安全門(mén)，區(qū)間也設(shè)有應(yīng)急疏散通道，乘客幾乎不可能誤入帶電區(qū)域，因此采用四軌供電方式僅需要在場(chǎng)段中加強(qiáng)管理即可。

（4）對(duì)惡劣天氣的適應(yīng)性，國(guó)內(nèi)采用三軌技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，對(duì)惡劣天氣具有較好的適應(yīng)性，特別是接觸軌均設(shè)有防護(hù)罩，在遇結(jié)冰等天氣時(shí)，下部接觸和側(cè)部接觸方式的線(xiàn)路可照常運(yùn)行。

（5）國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題，由于四軌是三軌技術(shù)的變種，國(guó)內(nèi)用于三軌的接觸軌、防護(hù)系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)均有充足的技術(shù)儲(chǔ)備，實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化應(yīng)不存在困難。

5、投資分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)地鐵工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，一般正線(xiàn)上用于雜散電流防護(hù)的費(fèi)用為30萬(wàn)元/軌道公里，而采用四軌供電方式，需要在現(xiàn)有的三軌基礎(chǔ)上加大絕緣支架，增加回流軌，估計(jì)增加費(fèi)用為150萬(wàn)元/軌道公里，綜合增加投資為120萬(wàn)元/軌道公里。

6、結(jié)束語(yǔ)

目前世界上城市軌道交通采用四軌供電方式的線(xiàn)路均為DC 750V供電，而隨著近幾年三軌技術(shù)不斷地發(fā)展，采用側(cè)或下接觸方式的四軌供電模式已經(jīng)具備了技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，筆者認(rèn)為，將第四回流的優(yōu)越性與DC 1500V的優(yōu)越性很好地結(jié)合起來(lái)，雖然工程一次投資略有增加，但帶來(lái)的結(jié)構(gòu)壽命延長(zhǎng)、消除很多設(shè)備和工程隱患等效益是現(xiàn)有技術(shù)所無(wú)法比擬的。

參考文獻(xiàn)：

[1]北京地下鐵道科學(xué)技術(shù)研究所，地鐵雜散電流防護(hù)技術(shù)規(guī)程，北京：中國(guó)計(jì)劃出版社.1993.

[2]陳屹.城市軌道交通四軌供電方式的探討.電氣化鐵道城市軌道交通.2010第二期.

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