新型城市軌道交通牽引供電制式的探討

喻 奇

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的膨脹，大城市的交通擁堵越來越嚴(yán)重，修建地鐵或輕軌已經(jīng)成為解決公共交通問題的重要途徑。自從1863 年世界上第一條地下鐵道在英國倫敦建成通車以來，世界上已經(jīng)有30 多個(gè)國家和地區(qū)的100 多個(gè)城市相繼修建了地下鐵道或城市輕軌。目前，國內(nèi)有近30 個(gè)城市正在大力發(fā)展城市軌道交通。

1 城市軌道交通供電制式簡述

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所、牽引網(wǎng)和回流網(wǎng)3 部分構(gòu)成。變電所通過牽引網(wǎng)由車輛受電器向列車饋送電能，而后經(jīng)回流網(wǎng)返回牽引變電所。

牽引網(wǎng)供電制式主要指電流制、電壓等級(jí)和饋電方式。目前國外城市軌道交通直流牽引電壓等級(jí)有DC 600 V、DC 750 V 和DC 1 500 V 等多種；GB/T 10411《城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)》規(guī)定了DC 1500 V 和DC 750 V 2 種電壓制。牽引網(wǎng)的饋電方式分為架空接觸網(wǎng)和接觸軌2 種基本類型。目前國內(nèi)各城市軌道交通供電系統(tǒng)主要采用DC 1 500 V 架空接觸網(wǎng)饋電方式和DC 750 V 接觸軌饋電方式，還有部分采用DC 1 500 V 接觸軌饋電方式，普遍利用走行軌作為回流網(wǎng)。

在以走行軌為回流網(wǎng)的供電制式下，牽引回流將通過鋼軌進(jìn)入道床形成雜散電流。雜散電流會(huì)對(duì)鋼軌、整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋、隧道結(jié)構(gòu)鋼筋、橋梁鋼筋以及地鐵沿線的金屬設(shè)備產(chǎn)生腐蝕，進(jìn)而影響地鐵各建筑結(jié)構(gòu)和金屬設(shè)備的使用壽命。

為減小雜散電流腐蝕的影響，傳統(tǒng)的處理方法通常采用以堵為主，以排為輔，堵排結(jié)合并加強(qiáng)監(jiān)測的方針。“堵”是要增大鋼軌對(duì)地間絕緣電阻，使鋼軌回流系統(tǒng)形成懸浮系統(tǒng)；“排”是通過設(shè)置雜散電流收集網(wǎng)來減少雜散電流對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕；“測”則是通過對(duì)雜散電流收集網(wǎng)極化電位的測量來確定排流柜的投退。隨著運(yùn)營時(shí)間的增加，鋼軌回流系統(tǒng)的絕緣電阻逐步減小，雜散電流會(huì)逐漸加大，嚴(yán)重影響地鐵各建筑結(jié)構(gòu)和金屬設(shè)備的使用壽命。

2 傳統(tǒng)供電制式存在的問題

2.1 鋼軌電位問題

傳統(tǒng)供電制式均利用走行軌作為回流網(wǎng)，存在鋼軌電位過高問題。目前鋼軌電位限值在國內(nèi)城市軌道交通確定牽引變電所布點(diǎn)方案時(shí)起決定作用，通常按正常運(yùn)行工況最大行車密度時(shí)其最高鋼軌電位不大于90 V，大雙邊供電情況最高鋼軌電位不大于120 V 設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)已經(jīng)運(yùn)營的地鐵線路均發(fā)現(xiàn)鋼軌實(shí)際電位比設(shè)計(jì)值高很多，導(dǎo)致鋼軌電位限制裝置頻繁動(dòng)作。一旦車站站臺(tái)邊緣地板絕緣損壞，乘客在鋼軌電位過高時(shí)觸碰屏蔽門將有觸電危險(xiǎn)。

2.2 雜散電流防護(hù)的問題

傳統(tǒng)供電制式均需考慮雜散電流防護(hù)的問題。但隨著運(yùn)營時(shí)間的增加，各種絕緣材料的絕緣性能逐漸下降，鋼軌對(duì)地絕緣電阻越來越小，雜散電流會(huì)越來越大。當(dāng)采用排流法進(jìn)行雜散電流腐蝕防護(hù)時(shí)，排流網(wǎng)變?yōu)榻拥叵到y(tǒng)，牽引電流經(jīng)鋼軌泄漏至排流網(wǎng)（通常利用整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋作排流網(wǎng)），而后沿排流電纜（經(jīng)排流柜）流至負(fù)母排。通過增加牽引電流沿排流網(wǎng)流回牽引變電所的通路，達(dá)到減小雜散電流對(duì)隧道、橋梁、建筑結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕作用，該方法實(shí)際上增大了雜散電流對(duì)整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕，造成牽引電流沿走行軌流回牽引變電所的比例減小，雜散電流總量增加。

為避免雜散電流腐蝕，地鐵沿線各種類型金屬管線盡量絕緣安裝，但絕緣安裝增加工程投資，而且如電纜支架的接地扁鋼全線貫通，工程實(shí)施上很難做到全部絕緣安裝。

2.3 供電可靠性的問題

傳統(tǒng)供電制式牽引網(wǎng)均無備用，一旦發(fā)生故障容易造成全線停運(yùn)，甚至造成列車停在區(qū)間內(nèi)無法進(jìn)入車站，牽引網(wǎng)供電可靠性不高。

3 新型供電制式的探討

3.1 供電制式的選擇原則

供電制式的選擇原則需遵循以下3 個(gè)原則：

（1）客流量和最大站間距。客流量是軌道交通設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。根據(jù)預(yù)測客流量大小選擇適用的電動(dòng)客車類型和列車編組數(shù)量。大運(yùn)量軌道交通系統(tǒng)一般采用DC 1 500 V 電壓；中運(yùn)量軌道系統(tǒng)可采用DC 750 V 或DC 1 500 V。線路最大站間距是確定牽引供電電壓的重要因素，如果線路有跨海段或跨江段，區(qū)間很長且無法設(shè)置區(qū)間牽引變電所的線路應(yīng)選用DC 1 500 V。

（2）供電安全可靠性。軌道交通是城市交通的骨干，一旦牽引網(wǎng)發(fā)生故障造成列車停運(yùn)，就會(huì)嚴(yán)重影響市民出行，引起城市交通混亂。因此，安全可靠是選擇供電制式的最重要條件。

（3）工程綜合投資成本。降低工程綜合投資成本是城市軌道交通工程建設(shè)必須考慮的重要因素。不單要考慮供電系統(tǒng)的初次投資成本，還應(yīng)兼顧線路后期運(yùn)營成本。由于直流供電制式不可避免地帶來雜散電流腐蝕問題，嚴(yán)重影響區(qū)間隧道、橋梁以及車站結(jié)構(gòu)和沿線金屬管線的使用壽命，因此需考慮對(duì)整個(gè)城市軌道交通工程綜合投資成本的影響。

3.2 四軌供電技術(shù)的探討

典型四軌系統(tǒng)是在三軌系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，受電軌和回流軌采用相同類型的鋼鋁復(fù)合軌，受電軌負(fù)責(zé)向機(jī)車不間斷地提供電能，回流軌與變電所負(fù)極柜相連，形成一個(gè)完整的供電回路。地鐵直流牽引四軌供電系統(tǒng)由于回流軌徹底與道床等其他設(shè)施絕緣，不存在雜散電流腐蝕問題和鋼軌電位過高問題。

四軌供電制式目前存在以下幾大問題：

（1）車輛國產(chǎn)化。國內(nèi)僅重慶采用了四軌供電制式，且其線路為單軌跨座式線路。除重慶外，國內(nèi)城市軌道交通均采用1 435 mm 標(biāo)準(zhǔn)軌道，國內(nèi)尚無四軌供電制式的軌道交通車輛。

（2）工程實(shí)施。目前國內(nèi)軌道交通普遍采用Φ5 500 mm 的隧道盾構(gòu)斷面，若采用四軌供電制式，無法滿足受電軌和回流軌對(duì)安裝空間的要求。

3.3 新型供電制式的研究

DC 1 500 V 網(wǎng)軌混合型牽引供電制式是結(jié)合目前國內(nèi)軌道交通常見的DC 1 500 V 接觸網(wǎng)和DC 1 500 V 接觸軌2 種供電制式而形成的新型城市軌道交通供電制式。如圖1，正常情況下，采用DC 1 500 V 接觸網(wǎng)受電向列車饋送電能，牽引電流經(jīng)接觸軌返回牽引變電所。當(dāng)DC 1 500 V 接觸網(wǎng)故障時(shí)，改由DC 1 500 V 接觸軌受電，走行軌作回流網(wǎng)將牽引電流送回牽引變電所。

DC 1 500 V 網(wǎng)軌混合型牽引供電制式具有以下幾大優(yōu)點(diǎn)：

（1）徹底解決雜散電流腐蝕問題。由于接觸網(wǎng)和接觸軌對(duì)其他金屬設(shè)施絕緣，可取消雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，并取消對(duì)相關(guān)設(shè)施的雜散電流腐蝕防護(hù)的要求，僅要求鋼軌采用絕緣法安裝。結(jié)構(gòu)工程實(shí)施由此將變得簡單。

圖1 網(wǎng)軌混合型供電制式接線示意圖

（2）工程實(shí)施技術(shù)成熟。DC 1 500 V 接觸網(wǎng)和DC 1 500 V 接觸軌的建設(shè)和運(yùn)營國內(nèi)已有成功經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

國內(nèi)軌道交通普遍采用的Φ5 500 mm 盾構(gòu)隧道斷面可滿足DC 1 500 V 接觸網(wǎng)和DC 1 500 V 接觸軌的安裝空間要求，如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)軌混合型供電制式盾構(gòu)隧道斷面示意圖

（3）供電可靠性提高。DC 1 500 V 網(wǎng)軌混合型牽引供電制式史無前例地實(shí)現(xiàn)了牽引網(wǎng)的備用。傳統(tǒng)軌道交通牽引網(wǎng)均無備用，一旦出現(xiàn)故障，必須停電搶修，嚴(yán)重影響市民出行，若列車停在區(qū)間內(nèi)，救援疏散非常困難。DC 1 500 V 網(wǎng)軌混合型牽引供電制式在接觸網(wǎng)故障時(shí)，為確保行車安全，可由接觸軌代替接觸網(wǎng)供電，采用走行軌回流，雖然帶來雜散電流腐蝕的問題，但時(shí)間短暫，且鋼軌仍采用絕緣法安裝，雜散電流腐蝕的影響很小。

（4）工程綜合成本降低。由于同時(shí)采用了接觸網(wǎng)和接觸軌造成供電系統(tǒng)建設(shè)總成本增加，但可取消雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，取消針對(duì)軌道、相關(guān)結(jié)構(gòu)及沿線金屬管線的雜散電流腐蝕防護(hù)措施，相應(yīng)減少了軌道、土建和沿線金屬管線的建設(shè)成本。由于正常情況下鋼軌無牽引電流通過，鋼軌電位的問題也徹底解決，牽引變電所布點(diǎn)方案的確定只需滿足牽引網(wǎng)電壓的要求，因此牽引變電所的數(shù)量會(huì)減少。供電系統(tǒng)占整個(gè)軌道交通工程投資比例較小，一般約為4%，整個(gè)軌道交通工程初次總投資僅增加0.5%，帶來的是軌道、車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)和沿線金屬管線使用壽命延長，減少了后期線路運(yùn)營維護(hù)的成本，且消除了許多設(shè)施的安全隱患。工程綜合總成本降低，提升了整體經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)束語

城市軌道交通牽引供電制式的選擇應(yīng)從安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性、發(fā)展性等方面綜合考慮。牽引供電系統(tǒng)必須保證軌道交通的安全運(yùn)營，其中包含人身安全、相關(guān)設(shè)施及設(shè)備安全、系統(tǒng)故障應(yīng)對(duì)措施。在安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，一并考慮整體經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。同時(shí)還應(yīng)考慮其發(fā)展性，使未來國內(nèi)形成統(tǒng)一的城市軌道交通牽引供電制式。1 500 V 網(wǎng)軌混合型牽引供電制式正是基于上述要求提出的，為未來城市軌道交通牽引供電制式的發(fā)展提供了重要參考。

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