城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)專用軌回流技術綜述

燕振剛，田廣輝，陳顯志

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031）

1 引言

目前，城市軌道交通直流供電系統(tǒng)正極授流方式主要有架空接觸網和第三軌授流，負極以走行軌回流方式為主，鋼軌采用絕緣安裝。受潮濕環(huán)境、材料性能、施工及粉塵等多種因素影響，鋼軌對地絕緣水平有限，線路開通之初鋼軌對地過渡電阻很難達到15 Ω·km[1]，運營幾年后，地下段鋼軌對地過渡電阻減小到0.8～3.0 Ω·km，場段內電阻下降更為顯著[2]。鋼軌對地過渡電阻降低會使本應從鋼軌直接流向負極柜的電流有一部分通過道床結構鋼筋流向了大地，流向大地的大部分雜散電流再經過其他路徑回流到變電所負極柜，回流路徑如通過結構鋼筋、周圍埋地金屬管網、燃氣油氣管線和屏蔽網等。雜散電流在途經這些介質時會對其產生電化學腐蝕，嚴重情況下會造成災難性后果。

實踐驗證，通過增加鋼軌對地絕緣水平、增設排流網、減小縱向電阻及定期清掃等措施很難徹底根治電流泄漏的難題。國內外研究表明，基于三軌供電技術衍生而來的專用軌回流，采用絕緣支架安裝，對地過渡電阻理論值可以達到MΩ·km 級，能徹底解決雜散電流的泄漏。

2 專用軌回流與走行軌回流區(qū)別

2.1 牽引供電系統(tǒng)組成

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)主要是由整流機組、開關柜、上網隔離開關、正極架空接觸網或接觸軌、機車、負極回流、負極柜等構成。

在走行軌回流方式下，需設置軌電位限制裝置、排流柜、雜散電流檢測裝置、雜散電流收集網等，走行軌回流示意如圖1 所示。

圖1 走行軌回流示意圖

采用專用軌回流方式，取消雜散電流收集網、雜散電流監(jiān)測裝置、排流柜、軌電位限制裝置等，增設地-負單向導通裝置+泄漏電流監(jiān)測元件、專用軌接地裝置等，專用軌回流示意如圖2 所示。

圖2 專用軌回流示意圖

其中，專用軌是在第三軌供電技術基礎上發(fā)展起來的，主要包括鋼鋁復合軌、魚尾板及緊固件、膨脹接頭、防爬器、端部彎頭、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。

2.2 牽引所間距

在走行軌回流方式下，牽引變電所布點間距受接觸網末端壓降和軌電位大小制約，正常雙邊供電運行時，站臺處鋼軌對地電位不應大于120 V，場段庫內股道鋼軌對地電位不應大于60 V[3]。受以上條件約束牽引所間距一般為1.5～3.0 km。

采用專用軌回流方式，軌電位不再是制約因素，僅需要考慮接觸網末端壓降的影響。由于專用軌回路阻抗比鋼軌減小約40%[4]，因此牽引變電所間距可增大到2.5～4.0 km[5]，變電所數(shù)量減少約為35%。

2.3 雜散電流防護

在走行軌回流方式下，雜散電流防護普遍采用的措施：一是利用道床結構鋼筋作為收集網，收集雜散電流通過排流柜回到變電所負極；二是減小鋼軌縱向電阻，使用大截面鋼軌并焊接為長軌，鋼軌間增加并聯(lián)電纜和軌縫連接電纜；三是減小電流泄漏及對周圍介質的影響，縮短牽引所間距；四是鋼軌增設絕緣墊，增大鋼軌對地絕緣電阻；五是在庫內外間、出入線上場段與正線分界等處設置鋼軌絕緣節(jié)和單向導通裝置約束電流流向。為更有效遏制場段雜散電流和列車過出入線分界點處絕緣節(jié)打火的危害，文獻[6]在出入線上分界點處設置觸發(fā)式單向導通裝置，當有列車通過時導通，無列車通過時截斷，有效抑制打火問題。文獻[7]在出入線上采用“雙絕緣節(jié)+定向導通裝置”方案，能夠有效切斷正線電流泄漏至場段的回路。但上述防護措施依然是采取“以堵為主、以排為輔”的原則，很難從根本上解決雜散電流的泄漏。

采用專用軌回流方式，因使用整體絕緣支架安裝，對地絕緣電阻大，可以徹底杜絕雜散電流的泄漏。

2.4 接地方式

在走行軌回流方式下，鋼軌絕緣安裝，對地間有電壓。由于車體與鋼軌等電位，在沒有安全措施的情況下，站臺門與站臺土建結構等電位，當乘客同時接觸到車體和站臺門時，車、人、站臺門和大地會形成電流回路，威脅乘客的安全。同時，車體與站臺板存在電位差，乘客上下車時會形成“跨步電壓”[8]。因此，站臺門宜與車體保持等電位，其接地要求詳見GB 50157-2013《地鐵設計規(guī)范》[9]，同時要求自站臺邊緣起向內1 m 范圍的站臺板地面裝飾層下應進行絕緣處理。

采用專用軌回流方式，車體與回流靴間絕緣，鋼軌、站臺門等均直接與綜合接地網相連，形成等電位體，不再有跨步電壓的危害，因此，站臺邊緣絕緣帶可以取消設置。專用軌在車站設置接地裝置，用于檢修維護和人員疏散時安全接地使用。

2.5 接地保護

在走行軌回流方式下的接地保護主要是采用框架泄漏保護，由電流測量元件和電壓測量元件組成。電流測量元件一端接設備外殼，一端接地，用于檢測設備外殼與大地之間的故障電流。電壓測量元件一端接設備外殼，一端接負極，用于測量設備外殼與負極之間的電壓[10]。

在專用軌回流方式下，走行軌直接接地，當接觸網發(fā)生對地短路時，因專用軌絕緣安裝對地電阻大，導致故障短路電流小，斷路器無法及時動作切斷故障。文獻 [11]提出在走行軌與專用軌之間設置地-負單項導通裝置+泄漏電流監(jiān)測元件，為短路電流提供通路，該裝置能有效減小短路時的阻抗，增大故障短路電流，可使饋線斷路器及時動作切除故障。走行軌與鋼軌之間增設該裝置后，當發(fā)生接觸網對走行軌、架空地線、車輛殼體、直流設備正極對殼體、車輛正極對殼體、車輛正負極之間發(fā)生短路故障時，直流饋線斷路器均能選擇性動作，接地保護方案與走行軌回流方式下一致。

2.6 列車檢修靜態(tài)調試

列車檢修后需要進行靜態(tài)調試（以下簡稱“靜調”），在走行軌回流方式下，變電所送電到靜調電源柜，列車從靜調電源柜取電，電流經列車電機、輪對與鋼軌回到變電所負極，完成列車靜調試驗。

采用專用軌回流方式，一般庫前專用軌電分段與正極接觸網分段要對齊，并通過帶接地刀閘的雙極手動隔離開關連通，實現(xiàn)正負極的同步斷開和接通。列車靜調前，庫內正極接觸網需斷電，此時庫內負極專用軌同步與庫外專用軌斷開，列車靜調電流無法經專用軌回到變電所負極。文獻[12]提出2 種方案：一是改造靜調電源柜，在靜調電源柜上增設負極輸入和輸出端，輸出端與庫外靜調股道旁專用軌連接，輸入端與變電所負極柜連接，構成調試回流通路[13]；二是在列車上增設負極回流插孔，靜調電源柜改造為雙極，靜調時列車從靜調柜正極取流，經列車回到靜調柜負極，再通過電纜回流到變電所負極柜。為節(jié)省電纜，本研究認為可以將有靜調功能的股道庫前雙極手動隔離開關改為單極開關，正負極電分段分別控制斷開和接通，實現(xiàn)靜調時庫外與庫內專用軌接通。為保證靜調時人員的安全，在對應回流分區(qū)專用軌上設置軌電位限制裝置，平時不投用，只在靜調時投用。

2.7 限界

本節(jié)討論DC1500V 供電制式下，隧道內徑為5 500 mm 時的限界區(qū)別。

在走行軌回流方式下，5 500 mm 盾構內徑能夠滿足導高4 050 mm 的架空剛性接觸網的安裝要求。在專用軌回流方式下，當回流接觸面為下接觸式時，專用軌中心線至相鄰走行軌內側工作邊的水平距離，A 型車為832.5 mm、B 型車為752.5 mm，專用軌頂面至走行軌頂面的垂直高差為200 mm。如將排水管和消防水管布置在同側，5 500 mm 盾構內徑能夠滿足下接觸式專用軌的安裝，限界示意如圖3 所示。當回流接觸面為上接觸式和側向接觸式時，安裝空間要求均小于下接觸式。因此，當正極采用架空接觸網，負極采用專用軌回流時，5 500 mm 盾構內徑滿足專用軌安裝限界要求。

圖3 專用軌回流直線段圓形隧道建筑限界圖（單位：mm）

當正極采用三軌供電，負極專用軌該如何布置以滿足限界和回流要求。針對該問題有以下幾種布置方案。

（1）供電軌于軌道側面布置、專用軌于軌道中間布置方案。因信號專業(yè)在軌道中間需設置應答器，該情況下應答器位置會與專用軌位置沖突。同時，由于庫內軌道中間需設置檢查坑，同樣不滿足專用軌的安裝條件，因此該布置方案不可行。

（2）供電軌和專用軌分別于軌道兩側布置方案。首先，受制于列車同側只能有一種功能的靴，集電靴或者回流靴，供電軌或專用軌只能始終布置在行車方向同一側，不能換邊。在道岔區(qū)，供電軌或專用軌由于不能換邊斷口長度較大，連續(xù)道岔無電區(qū)范圍增大，導致列車失電或不能回流的情況。其次，軌道兩側都布置，也不利于人員疏散時的安全，且絕緣支架數(shù)量增加1 倍，投資增加。再次，車輛折返存在雙向行車的可能，這需要列車兩側的靴具備授流與回流功能互相切換的能力，對列車的電氣系統(tǒng)要求高，較難實現(xiàn)。

（3）供電軌和專用軌于軌道同側架設方案。同側架設分為同側下接觸式、同側上接觸式和同側側向接觸式3 種情況[13]，如圖4～圖6 所示。同側同支架安裝，要保證供電軌和專用軌間距不小于150 mm才能滿足絕緣要求。但因二者間距較小，需要精確控制車輛集電靴和回流靴的抬升和降落高度，才能保證不發(fā)生誤接觸的問題。相對而言，側向接觸式由于集電靴和回流靴是水平方向的移動，更易控制。同時，地上段線路，受天氣影響嚴重，間距較小易發(fā)生短路故障。而且同側架設方案因其整體安裝高度較高，對車輛設備限界、授流結構形式的影響較大。因此，在工程中很難推廣應用。

圖4 同側下接觸式示意圖（單位：mm）

圖5 同側上接觸式示意圖（單位：mm）

（4）負極專用軌采用架空接觸網的方案。該方案是將正極架空網供電+負極專用軌回流進行功能互換，對限界、車輛電氣系統(tǒng)等影響均較小。對于已采用第三軌供電的線路，受雜散電流危害影響，需要改造為專用軌回流，可以考慮架設接觸網作為回流軌，方案可實施性較高。

2.8 車輛

采用專用軌回流方式，車輛相較于走行軌回流方式需要做如下改造。

（1）在轉向架上增設回流靴，與專用軌接觸，流過電機的電流經回流靴到專用軌上，最終回到整流器負極。

（2）走行軌回流方式下，工作回流與車輛的保護接地全部通過車輪和走行軌實現(xiàn)，兩者之間不需要隔離。采用專用軌回流方式，要確保專用軌電流不向走行軌泄漏，要求車輛的工作接地和保護接地之間進行絕緣隔離，并設置絕緣監(jiān)測裝置，用于監(jiān)測車輛內部與負極母線的絕緣效果。

（3）為確保車輛經過道岔區(qū)較長斷口位置時，回流通暢，車輛需設置貫通的負極回流母線將整列車的回流靴并聯(lián)起來。

（4）如果存在與走行軌回流方式的線路跨線運行時，車輛還需設置2 種回流方式轉換開關。

2.9 軌道設計

在走行軌回流方式下，鋼軌間設均流電纜，并需要絕緣安裝，滿足鋼軌對地過渡電阻應不低于15 Ω·km。同時，利用道床內結構鋼筋作為排流網，預留排流網連接端子和測試端子等，設置排流網會導致道床結構鋼筋截面增加。

采用專用軌回流方式時，走行軌只起行車導向作用，不作為回流軌使用。鋼軌不需要絕緣安裝，采取直接接地，也徹底解決了軌電位的問題。同時，取消設置排流網，道床結構鋼筋滿足鋼軌承載力要求即可。

3 正線負極專用軌電分段設置原則

走行軌的主要功能是列車的導向作用，兼做回流的功能，走行軌不分段。采用專用軌回流方式時，專用軌電分段有3種方案，如表1 所示。

表1 正線負極專用軌電分段設置方案

通過上述對比分析，目前工程中負極專用軌不分段應用較多。由于道岔、人防門、防淹門處的機械斷口已經相對較多，如再額外增設電分段，過多的斷口勢必會帶來異常磨耗、打火等問題，減少專用軌分段對運營維護更有利。

近年來，部分城市對故障狀態(tài)下組織臨時交路運行的需求越來越強烈，通常在有折返功能的車站一端或兩端設置正極接觸網電分段。當一端區(qū)間出現(xiàn)故障時，可通過調整開關開斷，切除故障區(qū)域，確保車站范圍內和另一端區(qū)間的正極接觸網仍能正常帶電，列車在車站進行折返，組織臨時小交路運營，縮小故障影響范圍。當采用專用軌回流方式時，為縮小事故影響范圍及安全檢修需要，正負極故障切斷位置應一致，只在有折返功能的車站，專用軌在與正極接觸網小交路電分段對齊位置處分段，其他位置不設專用軌分段，如圖7 所示。實現(xiàn)正負極同時切除故障區(qū)間，正負極電分段通過雙極電動隔離開關相連。

圖7 專用軌電分段與接觸網小交路電分段對齊示意圖（單位：m）

4 回流方式轉換段方案研究

目前，針對牽引供電系統(tǒng)正極供電制式不一致設置轉換段已經有不少應用案例，如DC1500V 直流供電制式與AC25kV 交流供電制式設置雙流制轉換段、架空接觸網與接觸軌過渡段設置網軌轉換段等。關于不同回流方式線路的互聯(lián)互通設置回流轉換段的工程案例比較少。

當采用專用軌回流的線路與走行軌回流的線路跨線運行時，首先車輛要具備2 種回流方式的切換功能。其次，在分界點處設置回流方式轉換段。

目前，實際應用的回流方式轉換是采用停車、降弓方式來進行回流方式切換。車輛需首先在轉換段內停車→降弓→切換回流方式轉換開關→升弓→啟動車輛，以上操作需司機人工操作完成[14]。轉換段具體設置情況如下：在鋼軌上設置2 處鋼軌絕緣節(jié)，形成專用軌回流段、轉換段、走行軌回流段三區(qū)段，轉換段鋼軌仍然絕緣安裝。鋼軌絕緣節(jié)1 與絕緣節(jié)2 的間距約等于列車總長+2×5 m。其中，絕緣節(jié)1 與接觸網分段、專用軌末端彎頭三者位置對齊。同時，在轉換段走行軌和專用軌之間設置單向導通裝置，導通方向為走行軌→專用軌，目的是為取流與回流構成的回路，遵循“從哪里來到哪里去”的原則[14]?；亓鞣绞睫D換段示意如圖8 所示。

圖8 回流方式轉換段示意圖（單位：m）

列車從專用軌回流方式往走行軌回流方式行進時。當列車轉換段內停車后，先降弓，列車斷電，切換回流方式轉換開關，由專用軌回流切換為走行軌回流，再升弓，啟動列車。此時受電弓1 和2 都是從專用軌回流側接觸網上取流，由于已經切換為走行軌回流方式，電流先經走行軌→單向導通裝置→專用軌回到變電所負極；當受電弓1 的動車完全通過分段后，則從走行軌側接觸網上取流，此時受電弓1 對應的動車電流通過走行軌回到變電所負極，受電弓2 對應的動車電流通過走行軌→單向導通裝置→專用軌回到變電所負極。待受電弓2 的動車完全通過分段后，前后兩動車電流均通過走行軌回流。反向行駛，同理。

為提高通過效率，文獻[15]通過引入鐵路上列車斷電過分相技術理念，提出不停車轉換的方案，在2 個絕緣節(jié)附近各增設地面計軸設備，通過計軸設備信號判定列車是否完全駛進回流方式轉換段，如果判定信號為“是”，則觸發(fā)車輛受電弓斷路器分合閘、回流轉換開關動作，實現(xiàn)不停車回流方式的轉換。

5 結語

在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，城市軌道交通供電系統(tǒng)的低碳節(jié)能有著極其重要的意義，有助于推動我國實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。專用軌回流技術應用不僅著眼于徹底解決雜散電流泄漏帶來的問題，其低電阻的特性，對系統(tǒng)節(jié)能和提高再生能量利用率有非常積極作用。

首先，直流供電制式下，采用專用軌回流方式，DC3000V 相較于DC1500V 牽引所間距提高近一倍，速度目標值可大于120 km/h，且2 種電壓等級絕緣水平相當。因此，“DC3000V 供電+專用軌回流”技術將是未來城市軌道交通研究的重要方向之一。其次，雙向變流技術的推廣應用，可以實現(xiàn)全功率的列車牽引和制動能量自然雙向變流，顯著提升列車直流供電質量，并達到節(jié)能目的。因此，DC1500V 供電制式下“雙向變流+專用軌回流”技術的研究和發(fā)展，將為城市軌道交通低碳節(jié)能做出重要貢獻。