城市轨道交通专用回流轨牵引供电技术方案研究

成吉安

(宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司，315111，宁波//高级工程师)

目前国内城市轨道交通牵引供电系统普遍采用走行轨回流。但现有的走行轨安装形式很难做到对大地的完全绝缘，故在牵引供电系统中不可避免地存在着杂散电流。这些杂散电流所产生的电化学腐蚀，直接影响地铁土建结构的安全和使用寿命。虽然在地铁设计和建设中考虑了诸多杂散电流的腐蚀防护措施，但均不能彻底解决杂散电流的产生及危害问题。

1 杂散电流的危害及常见防护

1.1 杂散电流的危害

随着地铁运营时间的推移，走行轨不可避免地受到粉尘、潮湿、积水，以及走行轨打磨作业产生的金属粉末等不利因素影响，其对大地绝缘性能大幅降低，经由走行轨泄漏到大地中的杂散电流也随之增大。此外，泄露的杂散电流将在走行轨和道床或地面之间产生电位差，需在车站设置轨电位限制装置。而目前已运营地铁线路的轨电位普遍偏高，因而杂散电流还会引起轨电位限制装置的频繁动作。

1.2 常见防护措施

当列车在2座牵引变电所之间运行时，走行轨轨电位分布如图1所示。

图1 走行轨轨电位分布图

列车位置处为阳极区，走行轨轨电位为正；牵引变电所附近为阴极区，走行轨轨电位为负。牵引回流在走行轨上形成纵向电压，产生轨电位。杂散电流的大小，就是图中的阴影区段(从L1到L2)从走行轨泄漏到大地的电流密度积分值，即：

式中：

Ist——L1到L2段的杂散电流总量；

I——dL段对应的杂散电流量；

V——全线走行轨正电位；

R——走行轨对地泄漏电阻。

由式(1)可知：降低V及增大R是降低杂散电流的基础。因此，降低杂散电流的常用措施为：

1) 增大R：采用轨枕及轨道设计的新技术及新材料，加强走行轨绝缘安装等级，在运营过程中及时更换损坏的走行轨绝缘安装部件，保持道床的清洁干燥。

2) 确保畅通的牵引回流系统：合理设置牵引变电所的数量和位置，采用双轨回流方式，增设均回流电缆及轨缝接续电缆，以减小走行轨牵引回流电阻。

3) 车辆段及停车场防护措施：在出入段线或出入场线同正线间、停车库内线路与库外线间、电化线路与非电化线路之间，以及电化线路尽头等位置，设置绝缘节及单向导通装置。

1.3 改善杂散电流泄漏的其他措施

为加强出入段线和试车线的杂散电流防护，还可以对出入段线和试车线采取其他措施：

1) 每隔200～300 m，将出入段线及试车线的走行轨并联电缆，通过均流箱或电缆转接箱与走行轨进行一次焊接，以降低走行轨轨电位，从而减小杂散电流的泄漏。

2) 对出入段线单向导通装置进行功能改造，使其在有列车通过时导通，在无列车通过时断开。 改造后的单向导通装置如图2所示，主要包括列车位置检测电路、主回路开关QF(接触器、IGBT等)、电动隔离开关QM及控制器。列车位置检测电路可检测列车位置，作为装置是否启动的判断条件。主回路开关QF作为执行器件，根据列车位置进行导通或断开，实现正线和车辆段、停车场走行轨的连通和绝缘。当列车在通过绝缘节位置时，接触器闭合，前后走行轨能形成电气通路，不存在轨电位压差，以避免弧光打火现象。

图2 改造后的单向导通装置图

2 专用回流轨牵引供电技术方案

2.1 基本方案

上述杂散电流防护措施虽能有效减小杂散电流的泄漏，却无法完全避免杂散电流泄漏。地铁杂散电流产生的根本原因是采用了走行轨回流方式。理论上，如果采用绝缘安装的专用回流轨进行牵引回流，则可完全避免杂散电流的泄漏。目前，重庆跨座式单轨系统就采用了一种专用回流轨牵引供电系统，其接触网系统采用T型汇流排与接触线，分别绝缘安装于轨道梁的两个侧面，形成独立于轨道梁的正极和负极牵引供电回路。

要在传统轮轨轨道交通基础上发展专用回流轨牵引供电系统，可以借鉴国内第三轨牵引供电系统建设经验。由于牵引轨和回流轨同样肩负着与列车电流的传递，可采用相同类型的钢铝复合轨，其绝缘装置、支持装置、防护罩、膨胀接头、端部弯头及中心锚结等部件的安装均可参照使用。专用回流轨牵引供电系统的安装有如下两种基本方案：

1) 在架空接触网牵引供电系统中，加入绝缘安装的专用回流轨构成网轨混合牵引供电系统。采用此方案后，架空接触网供电模式基本不变，在地下区间隧道内采用刚性悬挂，在车辆段及地面区间采用柔性悬挂。专用回流轨按照悬挂安装位置可分为专用回流轨安装于线路的中心或者安装于线路的侧面，鉴于国内第三轨普遍设置于走行轨轨旁的安装形式，专用回流轨建议安装于走行轨线路的侧面。按照受流方式的不同可分为上部受流、下部受流和侧面受流三种。

2) 在第三轨牵引供电系统中，加入同样绝缘安装的专用回流轨构成四轨牵引供电系统。此方案中，第三轨和第四轨按照悬挂安装位置可分为牵引轨和回流轨，分别安装于线路的两侧或者分别安装于线路的同侧合架两种。按照受流方式的不同，安装方式分为上部受流、下部受流和侧面受流三种。从工程可行性和节省投资方面考虑，建议采用牵引轨和回流轨同侧合架的方案。四轨牵引供电系统其土建和隧道净空要求可以不变，牵引轨和回流轨按同侧上下布置安装，均被夹持在整体绝缘支架的绝缘块内，可保证牵引轨和回流轨均随温度变化自由伸缩，牵引轨上方设置绝缘防护罩保护。

2.2 专用回流轨牵引供电系统方案

针对走行轨牵引回流系统长期存在的杂散电流腐蚀问题，宁波轨道交通4号线(以下简为“宁波4号线”)采用了专用回流轨牵引供电方案。宁波4号线全线设车站25座，其中地下车站18座，高架车站7座。双东路站—大卿桥区间长1.6 km，为隧道线路，是我国第一条穿越核心城区的类矩形盾构法隧道线路。应家站—广厦怡庭站区间长6.6 km，为高架线路，与北环快速路高架一体化结构设计，二者共用桥墩，上层桥梁通行机动车，下层桥梁为轨道交通线路。

宁波4号线采用的专用回流轨牵引供电方案，为“架空接触网+专用回流轨”网轨混合牵引供电系统技术方案，如图3所示。

图3 宁波4号线网轨混合牵引供电方案

宁波4号线专用回流轨牵引供电方案的主要安装技术要求为：

1) 所有专用回流轨的基本安装要求。专用回流轨采用不带防护罩的上部受流方式。正线采用钢铝复合轨，场段内(除出入段线和试车线外)采用异性钢铝复合轨。安装支架为玻璃钢整体绝缘支架。专用回流轨受流面与走行轨轨顶连线平面的垂直距离为(140±5) mm，回流轨中心与线路相邻走行轨内侧的水平距离为(700±5) mm。安装完成后，回流轨轨面与走行轨轨平面平行。

2) 正线专用回流轨安装要求。正线专用回流轨分别安装于上下行线路的外侧。全线要求少断轨、少换边。每个锚段中间设置防爬器(中心锚结)，锚段与锚段间采用膨胀接头连接。按一站一区间设置正线专用回流轨电分段，设置端部弯头，并采用电动隔离开关相连。

3) 车辆段及停车场库外的专用回流轨安装要求。在出入线和接触网分段绝缘器相应位置设置专用回流轨电分段，通过双极隔离开关实现正负极同开同合；道岔处专用回流轨自然断口统一用电缆连接，专用回流轨在库前进行并联；专用回流轨分段靠近场段侧，通过电缆将出入段线的左右线并联，并通过回流箱转接至牵引所负极柜；车辆段试车线专用回流轨单独设置一路回流电缆，接至牵引所负极柜。

4) 车辆段及停车场库内的专用回流轨安装要求。单列位库内每股道专用回流轨和库外相应股道的专用回流轨通过双极隔离开关连接，其接触网和专用回流轨电气分段一致。 双列位库内，前库专用回流轨和库外相应股道的专用回流轨通过双极隔离开关电缆连接，后库专用回流轨和库外相应股道的专用回流轨通过双极隔离开关电缆连接，因而前库、后库接触网和专用回流轨电气分段一致且互不影响。

5) 继电保护配置优化。在走行轨与专用回流轨之间增加单向导通装置，并在单向导通装置回路设置泄漏电流监测元件。为在紧急情况下保障乘客疏散安全，在新增单向导通装置上设置并联接触器(如图4所示)。

图4 专业回流轨继电保护装置配置

2.3 专用回流轨牵引供电系统的优势

专用回流轨牵引供电系统，是颠覆传统牵引供电制式的创新设计及应用，减少了轨道交通线路建设及运营维护成本，消除了许多设备设施的安全隐患，提升了整体经济效益和社会效益。其优势主要体现在以下几个方面：

1) 彻底解决了杂散电流腐蚀问题。由于实现了接触网(牵引轨)及专用回流轨对其他金属设备设施完全绝缘，取消了对相关设备设施的杂散电流腐蚀防护要求，只要求专用回流轨采用绝缘安装，结构工程的实施变得更加简单。

2) 能保证工程实施的相关技术成熟。国内DC 1 500架空接触网和DC 1 500接触轨的建设和运营已有相当成功的经验可以借鉴。

3) 由于正常情况下走行轨没有牵引电流通过，轨电位的问题也彻底得到了解决。牵引变电所的布置方案只需满足牵引网电压的要求，牵引变电所数量会相对减少。

4) 对列车本体进行了改造。创新性设计的列车回流靴及内部贯通回流母线，能使列车在专用回流轨连续及有断口的条件下都能保证其回流通畅。

3 结语

国内城市轨道交通牵引供电系统普遍采用走行轨作为回流系统，常面临杂散电流的腐蚀问题。专用回流轨技术与架空接触网或第三轨牵引供电制式有效结合，可有效减少杂散电流，发展前景广阔。宁波轨道交通4号线创新使用的“架空接触网+专用回流轨”网轨混合牵引供电系统技术方案，充分体现了专用回流轨的优越性。通过在工程建设和运营过程中不断总结经验，可进一步完善相关技术标准，为类似工程积累可靠的技术储备和经验。