牽引供電專用軌回流系統(tǒng)給城市軌道交通帶來的變化簡析

中鐵電氣化勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司工程管理咨詢中心 王澤森

截止2020年底，在我國已運(yùn)營的7500公里城市軌道交通中，大多數(shù)牽引供電采用走行軌回流系統(tǒng)，其原理為牽引供電系統(tǒng)的正極連接架空接觸網(wǎng)，列車通過頂部的受電弓從接觸網(wǎng)授流，而通過下方的車輪傳給接觸的走行軌（鋼軌），走行軌（鋼軌）通過軟電纜連接至牽引供電系統(tǒng)的負(fù)極柜負(fù)極，從而完成整個(gè)牽引供電過程。牽引供電系統(tǒng)走行軌（鋼軌）回流系統(tǒng)下，走行軌（鋼軌）作為直流牽引供電系統(tǒng)的負(fù)極。

在牽引供電系統(tǒng)走行軌（鋼軌）回流系統(tǒng)中，走行軌（鋼軌）作為牽引電流的載體用于回流，因?yàn)樽咝熊墸ㄤ撥墸o法完全絕緣于道床結(jié)構(gòu)，盡管規(guī)范要求了走行軌（鋼軌）和道床之間的電阻值大于等于15Ω/km，在安裝走行軌（鋼軌）時(shí)走行軌和道床之間也有絕緣墊片進(jìn)行物理隔離，但地鐵線路在運(yùn)行一段時(shí)間以后，走行軌（鋼軌）及道床表面會有潮濕的水、油污或金屬粉塵所覆蓋，很難將其徹底清洗干凈，泄漏電阻會越來越低，這樣就導(dǎo)致了總會有牽引回流電流的一部分不可避免地經(jīng)走行軌（鋼軌）向道床及其它結(jié)構(gòu)泄漏即產(chǎn)生雜散電流，而雜散電流會對對土建結(jié)構(gòu)鋼筋、設(shè)備金屬外殼及地下金屬管線產(chǎn)生電腐蝕；另外，鋼軌電位限制裝置（OVPD）的頻繁投入運(yùn)行，更是加重了雜散電流問題。

專用軌回流系統(tǒng)屬于近幾年最新推出的回流系統(tǒng)，目前全國城市軌道交通中至少有4條線路采用了該系統(tǒng)。實(shí)踐表明，專用軌回流系統(tǒng)能很好地解決雜散電流問題。

1 牽引供電系統(tǒng)專用軌回流系統(tǒng)簡析

牽引供電系統(tǒng)專用軌回流系統(tǒng)，由獨(dú)立于車輛走行軌（鋼軌）的專用回流軌作為直流牽引供電系統(tǒng)的負(fù)極，牽引供電系統(tǒng)的正極連接架空接觸網(wǎng)，列車通過列車側(cè)下方的集電靴從專用回流軌受流，專用回流軌連接至牽引變電所的負(fù)極。專用回流軌在站臺側(cè)下面的絕緣支架上安裝固定，該方式使得專用回流軌與大地完全電氣絕緣。

牽引供電系統(tǒng)專用軌回流系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，由于采用專用的回流軌回流，走行軌（鋼軌）只作為行車導(dǎo)向和支撐列車重量的作用，不承擔(dān)回流通路的作用；而專用回流軌采用絕緣支架安裝，使得專用回流軌與大地完全電氣絕緣，將負(fù)極真正的實(shí)現(xiàn)絕緣，從而徹底解決了雜散電流擴(kuò)散腐蝕問題。

2 專用軌回流系統(tǒng)對城市軌道交通的技術(shù)影響

2.1 牽引供電專用軌回流系統(tǒng)給軌道系統(tǒng)帶來的變化簡析

采用牽引供電專用軌回流系統(tǒng)后，由于走行軌（鋼軌）只作為行車導(dǎo)向和支撐列車重量的作用，不作為回流系統(tǒng)的一部分，而且走行軌（鋼軌）直接連接地網(wǎng)，因此走行軌（鋼軌）和道床之間完全不用絕緣安裝，道床也不用絕緣處理，不需要設(shè)置絕緣墊；采用牽引供電系統(tǒng)專用軌回流系統(tǒng)后就可取消排流網(wǎng)和排流柜，這就對軌道的縱向電阻、接頭焊接、鋼軌安裝要求等大大降低，只需考慮道床強(qiáng)度、鋼軌本體剛性和鋼軌使用壽命。軌道內(nèi)排流網(wǎng)鋼筋可取消，鋼筋間焊接要求取消，相關(guān)排流網(wǎng)連接端子、雜散電流測試端子均可取消；除聯(lián)絡(luò)線位置設(shè)置絕緣結(jié)外，其他位置絕緣結(jié)可消失。以上三點(diǎn)減少了一部分工程建設(shè)投資。

2.2 牽引供電專用軌回流系統(tǒng)給站臺門系統(tǒng)帶來的變化簡析

CJJ 183-2012《屏蔽門系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》中4.4電源系統(tǒng)及接地章節(jié)規(guī)定：當(dāng)采用鋼軌作回流軌時(shí)，站臺門應(yīng)與鋼軌進(jìn)行等電位連接，等電位連接應(yīng)符合下列規(guī)定：正常情況下人體可觸及的站臺門金屬構(gòu)件應(yīng)與土建結(jié)構(gòu)絕緣，單側(cè)站臺門門體與車站土建結(jié)構(gòu)之間的絕緣電阻在500VDC下不應(yīng)小于0.5MΩ；在站臺門站臺側(cè)、端門內(nèi)外的地面應(yīng)設(shè)置距離門體不小于900mm的絕緣區(qū)域，在端門內(nèi)外兩側(cè)墻面高2m范圍內(nèi)應(yīng)設(shè)置距離門體不小于900mm的絕緣區(qū)域。

而牽引供電系統(tǒng)專用軌回流系統(tǒng)原理為：架空接觸網(wǎng)受流結(jié)合專用回流軌回流。該系統(tǒng)模式下站臺和大地為等電位，而列車和走行軌相連接，走行軌和地網(wǎng)連接，所以列車和大地之間的電位差為零，為等電位。而該系統(tǒng)模式下負(fù)極回流是通過列車側(cè)面的集電靴連接回流軌，列車的集電靴相對列車是完全絕緣的，所以列車車體、列車車輪以及走行軌（鋼軌）均不帶電，與負(fù)極完全絕緣。

專用回流軌安裝在站臺板下的側(cè)壁上，乘客根本無法觸碰到專用回流軌，所以乘客在上下車過程中沒有電位差，不會有跨步電壓的存在，從源頭上保證的乘客的安全。相應(yīng)地，可以不設(shè)置站臺門門體的絕緣、不設(shè)置站臺門區(qū)域絕緣層，站臺門門體外表面也不需要絕緣漆噴涂處理或貼絕緣膜處理，只需要將門體部件等電位連接，并將門體通過接地電纜轉(zhuǎn)接箱或者接地端子連接至綜合接地網(wǎng)，讓門體直接接地。該系統(tǒng)極大地降低了關(guān)于站臺門系統(tǒng)的工程投資，以及后期運(yùn)營維護(hù)的工作量和維護(hù)費(fèi)用。

2.3 牽引供電系統(tǒng)專用軌回流系統(tǒng)給列車系統(tǒng)帶來的變化簡析

專用軌回流系統(tǒng)要求在列車箱體底部設(shè)置集電靴，用于與專用回流軌進(jìn)行搭接，將回流傳至專用回流軌；為防止列車內(nèi)部的正負(fù)極因某種原因與列車外殼搭接，導(dǎo)致正極或負(fù)極的絕緣失效，需要在列車內(nèi)部增加絕緣監(jiān)測元件，該元件實(shí)時(shí)檢測列車內(nèi)部正極對列車外殼的絕緣電阻值和負(fù)極對列車外殼的絕緣電阻值，如果電阻值小于2兆歐，說明列車內(nèi)部正負(fù)極的絕緣不良，裝置就會發(fā)出報(bào)警信號，警告列車工作人員及時(shí)進(jìn)行絕緣維修。

2.4 牽引供電系統(tǒng)專用軌回流系統(tǒng)給供電系統(tǒng)帶來的變化簡析

2.4.1 減少了雜散電流相關(guān)設(shè)備和鋼軌電位限制裝置

對比傳統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)走行軌回流系統(tǒng)，牽引供電系統(tǒng)專用軌回流系統(tǒng)因?yàn)榻鉀Q了雜散電流問題，所以取消了排流柜、雜散電流排流網(wǎng)及監(jiān)測裝置等和雜散電流問題有關(guān)的設(shè)備。

2.4.2 減少了牽引所數(shù)量

牽引供電系統(tǒng)專用軌回流系統(tǒng)可減少牽引變電所布點(diǎn)數(shù)量。因?yàn)閭鹘y(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)走行軌（鋼軌）回流系統(tǒng)中，走行軌（鋼軌）對地電位及排流網(wǎng)極化電位是判斷牽引所布點(diǎn)是否合理的重要標(biāo)準(zhǔn)。牽引所間距越大，鋼軌對地電位越高，同時(shí)排流網(wǎng)極化電位越大。為降低鋼軌電位、減小排流網(wǎng)極化電位，牽引所間距不能太大，因而增加了牽引所的數(shù)量，增加了工程投資[1]。

相對于傳統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)走行軌（鋼軌）回流系統(tǒng)平均牽引所間距約2.5km，專用軌回流系統(tǒng)可將牽引所間距加大到3～4km，牽引所數(shù)量可以減少20%～35%[2]。綜上，牽引供電系統(tǒng)專用軌回流系統(tǒng)中，牽引所的設(shè)置數(shù)量和每兩個(gè)牽引所之間的間距設(shè)置只須考慮牽引網(wǎng)的壓降和牽引供電系統(tǒng)的供電能力，不須考慮鋼軌電位和排流網(wǎng)極化電位的影響，一定程度上增加了每兩個(gè)牽引所間的間距，從而減少了線路全線的牽引所的數(shù)量，一定程度上節(jié)省了工程建設(shè)費(fèi)用。

2.4.3 在每個(gè)牽引變電所處增加一臺負(fù)地單向?qū)ㄑb置

雖然該系統(tǒng)專用回流軌作為回流通路，但要考慮到有接觸網(wǎng)斷線并落在走行軌（鋼軌）上的可能及專用回流軌對地泄漏的可能，因此需在每個(gè)牽引變電所設(shè)置負(fù)極與地網(wǎng)間的單向?qū)ㄑb置，以便把這種工況下的短路電流收集至牽引變電所，使?fàn)恳冸娝伨€斷路器直流保護(hù)動作跳閘，從而減少事故范圍。

單向?qū)ㄑb置也作為牽引變電所內(nèi)的直流設(shè)備發(fā)生正極對框架泄漏電流的通路，確?？蚣鼙Ｗo(hù)可靠動作。單向?qū)ㄑb置內(nèi)含由負(fù)極泄漏電流監(jiān)測元件，當(dāng)變電所直流設(shè)備內(nèi)負(fù)極對殼體泄漏超過50A、同時(shí)框架電壓異常時(shí)則會報(bào)警，上傳給變電所綜合自動化系統(tǒng)。當(dāng)專用回流軌對地泄漏，電流泄漏點(diǎn)距離哪個(gè)負(fù)地單向?qū)ㄑb置近，通過識別哪個(gè)負(fù)地單向?qū)ㄑb置流經(jīng)的電流大、定位在具體哪兩個(gè)變電所之間，方便現(xiàn)場人員定位排查故障。

2.4.4 增加了回流軌接地裝置和其他輔助設(shè)備

牽引供電系統(tǒng)專用軌回流系統(tǒng)設(shè)置了用做負(fù)極回流的專用回流軌及固定加絕緣安裝支架；專用回流軌技術(shù)是基于第三軌受流技術(shù)基礎(chǔ)，因此其基本組成結(jié)構(gòu)與第三軌受電方式一樣，由回流軌、支持裝置、端部彎頭等組成，采用與第三軌相同類型的鋼鋁復(fù)合軌。支架采用絕緣支架，采用一體式或帶調(diào)節(jié)功能式。支架本體機(jī)械性能指標(biāo)須滿足工作負(fù)載、靜態(tài)抗壓載荷、抗彎強(qiáng)度等要求。

在每座車站變電所內(nèi)設(shè)置了回流軌接地裝置。在牽引降壓混合變電所，回流軌接地裝置的一端接負(fù)極柜內(nèi)的直流負(fù)母排，另一端接變電所接地母排；而在降壓變電所，回流軌接地裝置的一端接回流軌接地箱，另一端接變電所接地母排?；亓鬈壗拥匮b置有兩個(gè)作用：一是當(dāng)列車故障滯留在區(qū)間時(shí)，在乘客緊急疏散時(shí)、為防止乘客不受控制在區(qū)間隧道內(nèi)亂竄，導(dǎo)致乘客的腳站走行軌（鋼軌）上同時(shí)手摸回流軌產(chǎn)生接觸電壓；二是為檢修維護(hù)時(shí)保護(hù)人身安全。

專用回流軌的控制方式有兩種：一是當(dāng)列車故障滯留在區(qū)間時(shí)，通過控制中心后臺調(diào)度（電力監(jiān)控）遙控接通回流軌接地裝置，保證回流軌和大地等電位，確保人員不發(fā)生觸電危險(xiǎn)；二是夜間正線區(qū)間需維護(hù)檢修時(shí)，維修人員在設(shè)備房就地操作合閘，接通直流負(fù)極母線（或者回流軌）和接地網(wǎng)，保證檢修時(shí)回流軌和大地等電位，確保維修人員不發(fā)生觸電危險(xiǎn)。

3 專用回流軌對地泄漏點(diǎn)的位置定位

由于專用軌回流系統(tǒng)在牽引所設(shè)置了負(fù)地單相導(dǎo)通裝置，當(dāng)專用回流軌對地泄漏時(shí)，可通過計(jì)算得到泄漏點(diǎn)距離牽引變電所的位置。而傳統(tǒng)走行軌（鋼軌）回流系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)這一功能。

具體原理如圖1。如用貫通接地扁鋼連接至專用回流軌的支撐絕緣子底座，當(dāng)A點(diǎn)發(fā)生至接地扁鋼的泄漏時(shí)，則大部分泄漏電流經(jīng)兩相鄰牽引所的負(fù)地單導(dǎo)裝置流回負(fù)極。由于其他方向的電流I1'和I2'較小可暫時(shí)忽略，那么I=I1+I2；I1經(jīng)負(fù)地單導(dǎo)裝置1內(nèi)的分流器檢測獲得，I2經(jīng)負(fù)地單導(dǎo)裝置2內(nèi)的分流器檢測獲得。

圖1 當(dāng)發(fā)生負(fù)地泄漏后的電流回流示意圖(紅箭頭為電流方向)

設(shè)接地扁鋼單位長度電阻為r，牽引所之間的距離為L，A點(diǎn)至左鄰牽引所的距離為L1，接地扁鋼電阻R1為rL1；A點(diǎn)至右鄰牽引所的距離為L2，接地扁鋼電阻R2為rL2，假設(shè)B點(diǎn)、C點(diǎn)對地電壓相同，則專用回流軌泄漏A點(diǎn)的定位的近似公式為：I1×rL1=I2×rL2、rL1+rL2=rL，得出：L1=(I2×L)/(I1+I2)、L2=L-(I2×L)/(I1+I2)，通過L1和L2的數(shù)值可大致確認(rèn)出A點(diǎn)負(fù)地泄漏點(diǎn)的位置，以便維護(hù)維修人員盡快到達(dá)現(xiàn)場排查泄漏點(diǎn)并整改。

由于專用回流軌對地泄漏點(diǎn)的位置定位需要兩個(gè)相鄰牽引所的負(fù)地單向?qū)ㄑb置的數(shù)據(jù)配合，所以相關(guān)數(shù)據(jù)須經(jīng)變電所綜合自動化系統(tǒng)上傳至控制中心進(jìn)行計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)專用回流軌對地泄漏定位功能；另外由于上述公式屬于近似計(jì)算，忽略了I1'、I2'，故設(shè)置調(diào)整系數(shù)k，使得L1=(I2×L)/(I1+I2)×k、L2=L-(I2×L)/(I1+I2)×k。建議運(yùn)行后可以經(jīng)過模擬測試方式，經(jīng)實(shí)際測量得到k值。

4 結(jié)語

牽引供電系統(tǒng)專用軌回流系統(tǒng)作為一種新的供電方式，解決了雜散電流問題，優(yōu)勢明顯，值得大力推廣；但是為城市軌道交通的建設(shè)選型、運(yùn)營操作和維護(hù)維修流程都帶來了一些新的變化，需要在技術(shù)選型、運(yùn)營管理體系等方面做好補(bǔ)充完善，為未來大面積推廣應(yīng)用做好準(zhǔn)備。