地铁独立轨回流技术应用研究

2018-06-11谢宗桀

铁路技术创新 2018年2期

■ 谢宗桀

1 概述

1.1 杂散电流产生及危害

目前，国内外地铁一般采用架空接触网或接触轨（第三轨）供电，走行轨回流。架空接触网或第三轨安装在具有高绝缘强度的陶瓷绝缘底座或玻璃钢绝缘支架上，限制对地的电流泄漏，而走行轨必须安装在高强度的金属底座上，以支撑列车的质量，导致走行轨对地绝缘无法达到相同的强度。虽然走行轨与道床之间增加了绝缘橡胶垫，隔离了一部分可能泄漏的回流电流，但由于橡胶垫绝缘强度不高，且容易受铁屑、灰尘或水分污染，走行轨不可能完全绝缘于道床。因此，牵引回流电流通过走行轨向道床及其他金属结构泄漏并产生杂散电流。地铁杂散电流形成见图1。

杂散电流对钢轨、土建结构钢筋，以及地铁沿线的金属管道和电气设备产生腐蚀。其腐蚀程度比自然腐蚀强烈得多，具有强度大、危害大、范围广、随机性强等特点，直接影响地铁土建结构和设备安全及使用寿命。

1.2 杂散电流腐蚀防护措施

（1）走行轨回流的杂散电流腐蚀防护措施。目前，走行轨回流直流牵引供电系统中，杂散电流腐蚀防护系统主要采取降低回流电阻、增加钢轨对地过渡电阻、加强绝缘、加强沿线设备及管网电气腐蚀防护等保护性措施，同时在土建结构中设置杂散电流监测端子，并在道床中设置排流网。当远期监测数据超标时，设置杂散电流排流网，将道床结构钢筋与负极（含钢轨）相连，期望杂散电流先腐蚀道床钢筋，减少对主体结构钢筋的腐蚀。上述被动的保护措施虽能起到一定防治效果，但不能完全解决问题。

图1 地铁杂散电流形成

（2）独立轨回流的杂散电流腐蚀防护措施。为消除杂散电流的不利影响，英国、意大利、马来西亚等国家的部分地铁线路采用“四轨”供电系统（简称四轨系统），伦敦地铁Northern line采用的第四轨回流技术见图2，马来西亚KelanaJaya线采用的第四轨回流技术见图3。牵引变电所通过第三轨向列车供电，并通过独立轨（第四轨）回流至变电所。由于第四轨可采用良好的绝缘安装措施，从而最大程度限制了杂散电流的泄漏，从根本上解决杂散电流产生的各种问题。

1.3 独立轨回流技术的国内外研究

目前在地铁线路中，独立轨回流技术主要在英国、意大利、马来西亚等国家应用。我国部分地铁公司联合相关单位已展开初步研究，目前尚无独立轨回流技术的实际应用工程。独立轨回流技术的应用研究具有必要性和可行性。另外，根据相同的原理，若采用架空接触网向列车供电，通过独立轨（此时为第三轨）回流，也可产生相同的效果。这种方式比四轨系统更便于实施，具有较高的推广价值。

图2 伦敦地铁Northern line采用的第四轨回流技术

图3 马来西亚KelanaJaya线采用的第四轨回流技术

2 供电系统应用可行性分析

2.1 技术方案

采用架空接触网+独立轨回流技术的牵引供电系统见图4。

牵引供电系统中回流网由钢轨变为独立的回流轨，回流轨与大地和钢轨绝缘，列车的牵引电流不再经过钢轨回流到牵引所负极。

独立回流轨的基本组成结构与接触轨一样，可采用与接触轨相同类型的钢铝复合轨；按独立轨与列车集电靴接触面的不同位置，可将独立轨分为上部、下部和侧部受流3种方式。3种方式在实际工程中均有大量成熟应用，具体采用方式需要结合工程特点和需求确定。

独立回流轨的安装位置与接触轨的安装位置类似，通常可安装在轨旁，也可安装在2根钢轨中间。

当回流轨安装在轨侧时，考虑到站台上的乘客安全及减少断轨，通常安装在行车方向右侧，此时可以采用上部、下部或侧部接触方式。从安全性考虑，可选择下部接触方式；从减少对限界影响和减少投资方面考虑，可选择上部接触方式。若同时需要采用第三轨供电、第四轨回流，可选择侧部接触方式。

为进一步减少对限界和轨旁设备的影响，也可考虑将回流轨安装在线路的2根走行轨中间，可采取上部接触方式，为满足列车正反向行驶时电流顺利回流，回流轨最好设置在线路正中间。

图4 采用架空接触网+独立轨回流技术的牵引供电系统

2.2 接地保护方案

为确保乘客在车内及上下车时的安全，车辆的电位与地之间的电压差不应过大，需满足相应的规范要求。当采用独立轨回流时，走行轨不承担电流通路作用，不会扩散杂散电流，建议将钢轨直接接地。此时车体通过轮对和钢轨直接接地，车体与地之间的电位差为0，有效保证了乘客安全。当接触网或回流轨出现短路故障时，必须设置接地保护装置，及时消除故障，以保证直流设备的正常工作和乘客安全。

直流牵引系统采用独立轨进行回流后，走行轨不用作回流通路。原本回流轨（负极）和地之间较小的过渡电阻，已被1个很大的绝缘电阻代替。这种情况下，原本在走行轨回流系统中使用的接地保护方案（框架泄漏保护元件），可能会出现监测不利的情况，无法及时监测并切除故障。为解决上述问题，在采用独立轨回流的地铁供电系统中，可借鉴采用跨座式单轨系统中的接地保护方案，在负极设置接地保护装置，以达到相应的保护功能[1]。

2.3 回流轨电分段问题

采用独立轨回流技术，回流轨为负极，其电位与区间是否有列车运行有关。因此，对检修人员可能产生触电危险。若采用第三轨供电方案，检修时回流轨接地，将压缩运营检修作业时间。将回流轨接地前，需要注意不同区段的回流轨之间是否有电分段，否则将导致杂散电流的扩散。

回流轨是否分段及其对检修人员的影响，需要结合线路的具体需求以及供电系统的安全性要求进行分析和研究，制定出既保证设备和人员安全，又对运营检修影响较小的方案。但回流轨需要进行分段时，接触网上网隔离开关可采用双极开关配合使用。

2.4 牵引所数量

在采用走行轨回流的地铁供电系统中，钢轨对地电位及排流网极化电位是判断牵引所布点是否合理的重要标准。牵引所间距越大，钢轨对地电位越高，同时排流网极化电位越大。为降低钢轨电位、减小排流网极化电位，牵引所间距不能太大，因而增加了牵引所的数量，增加了工程投资。

采用独立轨回流技术，走行钢轨可直接接地，列车车体也通过钢轨接地，车体与地之间无电位差，保证了乘客安全。此外，由于独立回流轨与地之间绝缘良好，极大地限制了杂散电流的泄漏，可不用设置排流网。因此，牵引所的间距不再受钢轨电位和排流网极化电位的影响，如果牵引网的压降及牵引供电系统供电能力满足要求，可增加牵引所的间距，减少全线的牵引所数量，减少工程投资。

3 车辆系统应用可行性分析

（1）回流器。独立轨回流技术基于第三轨技术发展而来，车辆回流器与三轨系统中车辆集电靴的技术相同。根据受流接触面的不同位置，车辆配备相应形式的回流器。在回流器布置方案中，尽可能减少新增回流器对车辆动态包络线和限界的影响，以满足不同工程的实际需求。

（2）过无电区分析。由于回流轨在道岔处不可避免地出现断轨，即存在类似三轨供电系统中的无电区，此时列车上有若干个回流器不在工作状态，严重影响列车回流能力。在实际工程设计中，应根据线路中出现的最长无电区长度和列车上可工作的回流器数量，对回流器及相关电气元件进行选型，以满足车辆正常工作需求。

（3）车辆接地保护。为保证车体及乘客安全，需要在车辆正负母线与车体之间设置接地保护装置，无论正极或负极在对地短路时，保护装置应能检测到故障信号，并提醒司机和调度中心。

（4）独立轨回流和走行轨回流方式的切换。独立回流轨安装在车辆底部侧面时，列车运行时带有一定电位，对附近的检修人员可能造成触电危险。此外，侧部安装的回流轨占用车旁一定空间，给检修人员检查车辆带来一定影响。因此，当列车回到检修库时，要恢复为走行轨回流方式。在列车从正线返回车辆段或停车场的途中，需进行独立轨回流和走行轨回流方式的切换。城市轨道交通多为网络化运营，城市中可能存在多条线路多种制式的列车，可能存在资源共享的线路、车辆段及停车场。若采用独立轨回流的车辆可以在采用走行轨回流的线路中运行，将大大增加资源共享率，采用这2种制式的车辆可共用车辆段或停车场，以减少占地需求。

为提高车辆段或停车场出车和回车效率，需要研究不停车切换方案，根据具体的回流电流选取回流器的电气参数。

4 土建工程应用可行性分析

（1）四轨系统。与三轨系统相比，四轨系统对土建和隧道净空要求不变，但其安装空间增大，要求设备和车辆限界相应增加。具体是在第三轨的基础上，采用整体绝缘支架安装方式[2]，常规的三轨系统土建空间可完全满足四轨系统需求。

（2）“架空接触网受流+独立轨回流”系统。接触网安装在车辆正上方，安装空间一般需要420 mm；独立回流轨安装在车辆底部或侧面，对隧道底部的宽度要求与四轨系统类似。当对独立回流轨抬高敷设时，架空接触网采用低净空安装方式。该方式在曲线圆形隧道中有成熟应用。因此，常规架空接触网系统土建宽度可满足独立回流轨的安装需求。

5 对其他系统的影响分析

5.1 轨道

（1）取消钢轨绝缘垫。采用独立轨回流技术，钢轨可直接接地，道床不要求绝缘，可取消钢轨绝缘垫，减少工程投资。

（2）减少道床结构钢筋，取消排流端子。采用独立轨回流技术，由于不设置排流柜和排流网，在保证道床强度的前提下，可对道床结构钢筋的截面面积进行核减。同时，取消排流端子，减少工程投资。

5.2 信号

在采用CBTC信号系统的地铁线路中，通常在2根钢轨的正中间安装信标设备。采用轨中安装回流轨时，信标设备安装位置与回流轨安装位置冲突，此时可将回流轨局部断轨，或将地面及车载的信标设备安装位置偏离线路正中心，采用2套信标设备（保证列车正反向行驶），其安装方法与采用直线电机车辆的地铁工程相似，或采取其他类型的定位装置。

5.3 站台门

站台区的绝缘地坪可取消。采用独立轨回流技术，站台门可以考虑直接接地，相应站台区域的绝缘地坪可取消，可减少工程投资和后期运营维护问题。

6 技术经济分析

以一条30 km、采用直流1 500 V架空接触网供电的地铁线路为例，采用独立轨回流和走行轨回流方案的投资对比分析见表1。

初步估算，采用独立轨回流方案，远期增加工程投资约12 470万元（初期11 470万元、近期10 970万元），与工程总投资相比，占比约为0．4%，增加的工程造价指标约为415万元/正线公里。采用独立轨回流系统，减少了杂散电流的危害，延长了相关设备和土建结构的寿命，避免了相关危害产生的经济损失；减少了相关设备后期运营维护费用，其效益可逐步与增加的投资相抵。因此，采用独立轨回流系统具有较高的技术经济性。