地鐵獨(dú)立軌回流技術(shù)應(yīng)用研究

■ 謝宗桀

1 概述

1.1 雜散電流產(chǎn)生及危害

目前，國(guó)內(nèi)外地鐵一般采用架空接觸網(wǎng)或接觸軌（第三軌）供電，走行軌回流。架空接觸網(wǎng)或第三軌安裝在具有高絕緣強(qiáng)度的陶瓷絕緣底座或玻璃鋼絕緣支架上，限制對(duì)地的電流泄漏，而走行軌必須安裝在高強(qiáng)度的金屬底座上，以支撐列車(chē)的質(zhì)量，導(dǎo)致走行軌對(duì)地絕緣無(wú)法達(dá)到相同的強(qiáng)度。雖然走行軌與道床之間增加了絕緣橡膠墊，隔離了一部分可能泄漏的回流電流，但由于橡膠墊絕緣強(qiáng)度不高，且容易受鐵屑、灰塵或水分污染，走行軌不可能完全絕緣于道床。因此，牽引回流電流通過(guò)走行軌向道床及其他金屬結(jié)構(gòu)泄漏并產(chǎn)生雜散電流。地鐵雜散電流形成見(jiàn)圖1。

雜散電流對(duì)鋼軌、土建結(jié)構(gòu)鋼筋，以及地鐵沿線的金屬管道和電氣設(shè)備產(chǎn)生腐蝕。其腐蝕程度比自然腐蝕強(qiáng)烈得多，具有強(qiáng)度大、危害大、范圍廣、隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)，直接影響地鐵土建結(jié)構(gòu)和設(shè)備安全及使用壽命。

1.2 雜散電流腐蝕防護(hù)措施

（1）走行軌回流的雜散電流腐蝕防護(hù)措施。目前，走行軌回流直流牽引供電系統(tǒng)中，雜散電流腐蝕防護(hù)系統(tǒng)主要采取降低回流電阻、增加鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻、加強(qiáng)絕緣、加強(qiáng)沿線設(shè)備及管網(wǎng)電氣腐蝕防護(hù)等保護(hù)性措施，同時(shí)在土建結(jié)構(gòu)中設(shè)置雜散電流監(jiān)測(cè)端子，并在道床中設(shè)置排流網(wǎng)。當(dāng)遠(yuǎn)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超標(biāo)時(shí)，設(shè)置雜散電流排流網(wǎng)，將道床結(jié)構(gòu)鋼筋與負(fù)極（含鋼軌）相連，期望雜散電流先腐蝕道床鋼筋，減少對(duì)主體結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕。上述被動(dòng)的保護(hù)措施雖能起到一定防治效果，但不能完全解決問(wèn)題。

圖1 地鐵雜散電流形成

（2）獨(dú)立軌回流的雜散電流腐蝕防護(hù)措施。為消除雜散電流的不利影響，英國(guó)、意大利、馬來(lái)西亞等國(guó)家的部分地鐵線路采用“四軌”供電系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)四軌系統(tǒng)），倫敦地鐵Northern line采用的第四軌回流技術(shù)見(jiàn)圖2，馬來(lái)西亞KelanaJaya線采用的第四軌回流技術(shù)見(jiàn)圖3。牽引變電所通過(guò)第三軌向列車(chē)供電，并通過(guò)獨(dú)立軌（第四軌）回流至變電所。由于第四軌可采用良好的絕緣安裝措施，從而最大程度限制了雜散電流的泄漏，從根本上解決雜散電流產(chǎn)生的各種問(wèn)題。

1.3 獨(dú)立軌回流技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究

目前在地鐵線路中，獨(dú)立軌回流技術(shù)主要在英國(guó)、意大利、馬來(lái)西亞等國(guó)家應(yīng)用。我國(guó)部分地鐵公司聯(lián)合相關(guān)單位已展開(kāi)初步研究，目前尚無(wú)獨(dú)立軌回流技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用工程。獨(dú)立軌回流技術(shù)的應(yīng)用研究具有必要性和可行性。另外，根據(jù)相同的原理，若采用架空接觸網(wǎng)向列車(chē)供電，通過(guò)獨(dú)立軌（此時(shí)為第三軌）回流，也可產(chǎn)生相同的效果。這種方式比四軌系統(tǒng)更便于實(shí)施，具有較高的推廣價(jià)值。

圖2 倫敦地鐵Northern line采用的第四軌回流技術(shù)

圖3 馬來(lái)西亞KelanaJaya線采用的第四軌回流技術(shù)

2 供電系統(tǒng)應(yīng)用可行性分析

2.1 技術(shù)方案

采用架空接觸網(wǎng)+獨(dú)立軌回流技術(shù)的牽引供電系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

牽引供電系統(tǒng)中回流網(wǎng)由鋼軌變?yōu)楠?dú)立的回流軌，回流軌與大地和鋼軌絕緣，列車(chē)的牽引電流不再經(jīng)過(guò)鋼軌回流到牽引所負(fù)極。

獨(dú)立回流軌的基本組成結(jié)構(gòu)與接觸軌一樣，可采用與接觸軌相同類(lèi)型的鋼鋁復(fù)合軌；按獨(dú)立軌與列車(chē)集電靴接觸面的不同位置，可將獨(dú)立軌分為上部、下部和側(cè)部受流3種方式。3種方式在實(shí)際工程中均有大量成熟應(yīng)用，具體采用方式需要結(jié)合工程特點(diǎn)和需求確定。

獨(dú)立回流軌的安裝位置與接觸軌的安裝位置類(lèi)似，通?？砂惭b在軌旁，也可安裝在2根鋼軌中間。

當(dāng)回流軌安裝在軌側(cè)時(shí)，考慮到站臺(tái)上的乘客安全及減少斷軌，通常安裝在行車(chē)方向右側(cè)，此時(shí)可以采用上部、下部或側(cè)部接觸方式。從安全性考慮，可選擇下部接觸方式；從減少對(duì)限界影響和減少投資方面考慮，可選擇上部接觸方式。若同時(shí)需要采用第三軌供電、第四軌回流，可選擇側(cè)部接觸方式。

為進(jìn)一步減少對(duì)限界和軌旁設(shè)備的影響，也可考慮將回流軌安裝在線路的2根走行軌中間，可采取上部接觸方式，為滿足列車(chē)正反向行駛時(shí)電流順利回流，回流軌最好設(shè)置在線路正中間。

圖4 采用架空接觸網(wǎng)+獨(dú)立軌回流技術(shù)的牽引供電系統(tǒng)

2.2 接地保護(hù)方案

為確保乘客在車(chē)內(nèi)及上下車(chē)時(shí)的安全，車(chē)輛的電位與地之間的電壓差不應(yīng)過(guò)大，需滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。當(dāng)采用獨(dú)立軌回流時(shí)，走行軌不承擔(dān)電流通路作用，不會(huì)擴(kuò)散雜散電流，建議將鋼軌直接接地。此時(shí)車(chē)體通過(guò)輪對(duì)和鋼軌直接接地，車(chē)體與地之間的電位差為0，有效保證了乘客安全。當(dāng)接觸網(wǎng)或回流軌出現(xiàn)短路故障時(shí)，必須設(shè)置接地保護(hù)裝置，及時(shí)消除故障，以保證直流設(shè)備的正常工作和乘客安全。

直流牽引系統(tǒng)采用獨(dú)立軌進(jìn)行回流后，走行軌不用作回流通路。原本回流軌（負(fù)極）和地之間較小的過(guò)渡電阻，已被1個(gè)很大的絕緣電阻代替。這種情況下，原本在走行軌回流系統(tǒng)中使用的接地保護(hù)方案（框架泄漏保護(hù)元件），可能會(huì)出現(xiàn)監(jiān)測(cè)不利的情況，無(wú)法及時(shí)監(jiān)測(cè)并切除故障。為解決上述問(wèn)題，在采用獨(dú)立軌回流的地鐵供電系統(tǒng)中，可借鑒采用跨座式單軌系統(tǒng)中的接地保護(hù)方案，在負(fù)極設(shè)置接地保護(hù)裝置，以達(dá)到相應(yīng)的保護(hù)功能[1]。

2.3 回流軌電分段問(wèn)題

采用獨(dú)立軌回流技術(shù)，回流軌為負(fù)極，其電位與區(qū)間是否有列車(chē)運(yùn)行有關(guān)。因此，對(duì)檢修人員可能產(chǎn)生觸電危險(xiǎn)。若采用第三軌供電方案，檢修時(shí)回流軌接地，將壓縮運(yùn)營(yíng)檢修作業(yè)時(shí)間。將回流軌接地前，需要注意不同區(qū)段的回流軌之間是否有電分段，否則將導(dǎo)致雜散電流的擴(kuò)散。

回流軌是否分段及其對(duì)檢修人員的影響，需要結(jié)合線路的具體需求以及供電系統(tǒng)的安全性要求進(jìn)行分析和研究，制定出既保證設(shè)備和人員安全，又對(duì)運(yùn)營(yíng)檢修影響較小的方案。但回流軌需要進(jìn)行分段時(shí)，接觸網(wǎng)上網(wǎng)隔離開(kāi)關(guān)可采用雙極開(kāi)關(guān)配合使用。

2.4 牽引所數(shù)量

在采用走行軌回流的地鐵供電系統(tǒng)中，鋼軌對(duì)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(duì)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。

采用獨(dú)立軌回流技術(shù)，走行鋼軌可直接接地，列車(chē)車(chē)體也通過(guò)鋼軌接地，車(chē)體與地之間無(wú)電位差，保證了乘客安全。此外，由于獨(dú)立回流軌與地之間絕緣良好，極大地限制了雜散電流的泄漏，可不用設(shè)置排流網(wǎng)。因此，牽引所的間距不再受鋼軌電位和排流網(wǎng)極化電位的影響，如果牽引網(wǎng)的壓降及牽引供電系統(tǒng)供電能力滿足要求，可增加牽引所的間距，減少全線的牽引所數(shù)量，減少工程投資。

3 車(chē)輛系統(tǒng)應(yīng)用可行性分析

（1）回流器。獨(dú)立軌回流技術(shù)基于第三軌技術(shù)發(fā)展而來(lái)，車(chē)輛回流器與三軌系統(tǒng)中車(chē)輛集電靴的技術(shù)相同。根據(jù)受流接觸面的不同位置，車(chē)輛配備相應(yīng)形式的回流器。在回流器布置方案中，盡可能減少新增回流器對(duì)車(chē)輛動(dòng)態(tài)包絡(luò)線和限界的影響，以滿足不同工程的實(shí)際需求。

（2）過(guò)無(wú)電區(qū)分析。由于回流軌在道岔處不可避免地出現(xiàn)斷軌，即存在類(lèi)似三軌供電系統(tǒng)中的無(wú)電區(qū)，此時(shí)列車(chē)上有若干個(gè)回流器不在工作狀態(tài)，嚴(yán)重影響列車(chē)回流能力。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)線路中出現(xiàn)的最長(zhǎng)無(wú)電區(qū)長(zhǎng)度和列車(chē)上可工作的回流器數(shù)量，對(duì)回流器及相關(guān)電氣元件進(jìn)行選型，以滿足車(chē)輛正常工作需求。

（3）車(chē)輛接地保護(hù)。為保證車(chē)體及乘客安全，需要在車(chē)輛正負(fù)母線與車(chē)體之間設(shè)置接地保護(hù)裝置，無(wú)論正極或負(fù)極在對(duì)地短路時(shí)，保護(hù)裝置應(yīng)能檢測(cè)到故障信號(hào)，并提醒司機(jī)和調(diào)度中心。

（4）獨(dú)立軌回流和走行軌回流方式的切換。獨(dú)立回流軌安裝在車(chē)輛底部側(cè)面時(shí)，列車(chē)運(yùn)行時(shí)帶有一定電位，對(duì)附近的檢修人員可能造成觸電危險(xiǎn)。此外，側(cè)部安裝的回流軌占用車(chē)旁一定空間，給檢修人員檢查車(chē)輛帶來(lái)一定影響。因此，當(dāng)列車(chē)回到檢修庫(kù)時(shí)，要恢復(fù)為走行軌回流方式。在列車(chē)從正線返回車(chē)輛段或停車(chē)場(chǎng)的途中，需進(jìn)行獨(dú)立軌回流和走行軌回流方式的切換。城市軌道交通多為網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)，城市中可能存在多條線路多種制式的列車(chē)，可能存在資源共享的線路、車(chē)輛段及停車(chē)場(chǎng)。若采用獨(dú)立軌回流的車(chē)輛可以在采用走行軌回流的線路中運(yùn)行，將大大增加資源共享率，采用這2種制式的車(chē)輛可共用車(chē)輛段或停車(chē)場(chǎng)，以減少占地需求。

為提高車(chē)輛段或停車(chē)場(chǎng)出車(chē)和回車(chē)效率，需要研究不停車(chē)切換方案，根據(jù)具體的回流電流選取回流器的電氣參數(shù)。

4 土建工程應(yīng)用可行性分析

（1）四軌系統(tǒng)。與三軌系統(tǒng)相比，四軌系統(tǒng)對(duì)土建和隧道凈空要求不變，但其安裝空間增大，要求設(shè)備和車(chē)輛限界相應(yīng)增加。具體是在第三軌的基礎(chǔ)上，采用整體絕緣支架安裝方式[2]，常規(guī)的三軌系統(tǒng)土建空間可完全滿足四軌系統(tǒng)需求。

（2）“架空接觸網(wǎng)受流+獨(dú)立軌回流”系統(tǒng)。接觸網(wǎng)安裝在車(chē)輛正上方，安裝空間一般需要420 mm；獨(dú)立回流軌安裝在車(chē)輛底部或側(cè)面，對(duì)隧道底部的寬度要求與四軌系統(tǒng)類(lèi)似。當(dāng)對(duì)獨(dú)立回流軌抬高敷設(shè)時(shí)，架空接觸網(wǎng)采用低凈空安裝方式。該方式在曲線圓形隧道中有成熟應(yīng)用。因此，常規(guī)架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)土建寬度可滿足獨(dú)立回流軌的安裝需求。

5 對(duì)其他系統(tǒng)的影響分析

5.1 軌道

（1）取消鋼軌絕緣墊。采用獨(dú)立軌回流技術(shù)，鋼軌可直接接地，道床不要求絕緣，可取消鋼軌絕緣墊，減少工程投資。

（2）減少道床結(jié)構(gòu)鋼筋，取消排流端子。采用獨(dú)立軌回流技術(shù)，由于不設(shè)置排流柜和排流網(wǎng)，在保證道床強(qiáng)度的前提下，可對(duì)道床結(jié)構(gòu)鋼筋的截面面積進(jìn)行核減。同時(shí)，取消排流端子，減少工程投資。

5.2 信號(hào)

在采用CBTC信號(hào)系統(tǒng)的地鐵線路中，通常在2根鋼軌的正中間安裝信標(biāo)設(shè)備。采用軌中安裝回流軌時(shí)，信標(biāo)設(shè)備安裝位置與回流軌安裝位置沖突，此時(shí)可將回流軌局部斷軌，或?qū)⒌孛婕败?chē)載的信標(biāo)設(shè)備安裝位置偏離線路正中心，采用2套信標(biāo)設(shè)備（保證列車(chē)正反向行駛），其安裝方法與采用直線電機(jī)車(chē)輛的地鐵工程相似，或采取其他類(lèi)型的定位裝置。

5.3 站臺(tái)門(mén)

站臺(tái)區(qū)的絕緣地坪可取消。采用獨(dú)立軌回流技術(shù)，站臺(tái)門(mén)可以考慮直接接地，相應(yīng)站臺(tái)區(qū)域的絕緣地坪可取消，可減少工程投資和后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)問(wèn)題。

6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

以一條30 km、采用直流1 500 V架空接觸網(wǎng)供電的地鐵線路為例，采用獨(dú)立軌回流和走行軌回流方案的投資對(duì)比分析見(jiàn)表1。

初步估算，采用獨(dú)立軌回流方案，遠(yuǎn)期增加工程投資約12 470萬(wàn)元（初期11 470萬(wàn)元、近期10 970萬(wàn)元），與工程總投資相比，占比約為0．4%，增加的工程造價(jià)指標(biāo)約為415萬(wàn)元/正線公里。采用獨(dú)立軌回流系統(tǒng)，減少了雜散電流的危害，延長(zhǎng)了相關(guān)設(shè)備和土建結(jié)構(gòu)的壽命，避免了相關(guān)危害產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失；減少了相關(guān)設(shè)備后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用，其效益可逐步與增加的投資相抵。因此，采用獨(dú)立軌回流系統(tǒng)具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

表1 獨(dú)立軌回流和走行軌回流方案的投資對(duì)比分析

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為徹底解決走行軌回流產(chǎn)生的雜散電流對(duì)沿線金屬結(jié)構(gòu)的不良影響及安全問(wèn)題，在地鐵工程中采用獨(dú)立軌回流技術(shù)是必要和可行的。鑒于獨(dú)立軌回流技術(shù)在我國(guó)地鐵尚無(wú)應(yīng)用先例，相關(guān)設(shè)備和車(chē)輛生產(chǎn)廠家應(yīng)盡快開(kāi)展研發(fā)工作，并在我國(guó)城市軌道交通中逐步應(yīng)用。

[1] 周才發(fā)．跨座式單軌交通直流牽引系統(tǒng)接地保護(hù)設(shè)計(jì)[J]．都市快軌交通，2010(1)：93-96．

[2] 張?jiān)铺鞘熊壍澜煌ǖ谒幕亓鬈墵恳╇娂夹g(shù)[J]．現(xiàn)代城市軌道交通，2011(4)：8-10．