淺談城市軌道交通四軌供電方式的優點

張智博

摘 要：本文分析了目前地鐵中采用走行軌作為回流網的供電方式，重點提出了目前雜散電流防護存在的普遍問題，提出采用四軌供電方式是根本解決雜散電流防護存在問題的手段，并能在現有技術條件下予以實現。

關鍵詞：地鐵；四軌供電；雜散電流防護

Abstract：This paper analyzes the adoption of the running rails to be the current return network in current subway，puts forward with emphases on the commonly existed problems in stray current protection ，puts forward that the adoption of the fourth rail supply mode is a fundamental approach to solve problems existed in stray current protection ，which is able to be realized under existed technical conditions.

Key words：subway ；fourth rail power supply ；stray current protection

1、引言

目前，在城市地鐵和輕軌等軌道交通供電系統中，一般采用直流牽引，走行軌回流，因此，不可避免會有電流從走行軌泄入大地，對地下或地面的金屬構件如結構鋼筋、地下管線等產生嚴重的腐蝕，由于腐蝕的隱蔽性和突發性，一旦發生事故，往往會造成災難性的后果，如煤氣或石油管道的腐蝕穿孔、結構鋼筋的腐蝕，會破壞混凝土的整體性，降低其強度和耐久性，給安全運營帶來嚴重威脅。因此，對雜散電流腐蝕必須給予足夠的重視。影響地鐵雜散腐蝕過程的因素較多，在理論分析的基礎上結合大量調查研究和實驗，才能提出有針對性地治理雜散電流的技術和方法，對新建的軌道交通系統，要在設計、施工兩個階段入手，從實際出發，根據不同的線路施工、地質狀況以及供電方式相結合采取相應的技術措施，才能減少雜散電流【1】。

2、傳統雜散電流防護的缺陷

由于傳統的直流供電模式決定了雜散電流產生的必然性，雖然采取了各種措施，但隨著運行年限的增加，各種絕緣材料的絕緣性能逐漸下降，鋼軌泄漏電阻越來越小，雜散電流會越來越大，通過對各城市地鐵運營的調查發現，目前普遍存在以下幾方面問題：

（1）鋼軌電位高。目前國內已運營的地鐵均發現鋼軌的實際電位比設計值高很多，導致鋼軌電位限制裝置頻繁動作，理論和實際相差較大，至今找不到原因。

（2）排流柜增加了雜散電流總量。當采用排流法時鋼軌系統稱之為接地系統，在有電流從鋼筋沿排流電纜（經二極管）流至負母排時，原來負母排的負電位變為接近零電位，從而因鋼軌縱向電壓的限制作用使得兩座牽引所間鋼軌的最高對地電位增加了一倍，兩座牽引所間幾乎全部成為陽極區，雜散電流總量增加了近四倍，造成除牽引所附近鋼筋腐蝕減少外，區間鋼筋的腐蝕量上升。

（3）綜合管線絕緣安裝的工程難度。為避免雜散電流腐蝕，地鐵沿線各種類型的綜合管線宜盡量采用絕緣安裝，但絕緣安裝不但增加了工程投資，而且如電纜支架的接地扁鋼全線貫通，因功能上的需求，很難做到全部絕緣安裝，特別是這幾年地鐵工程的建設與城市發展的結合越來越緊密，有些車站的建筑需進行綜合商業開發，建筑體量很大，其中鋼筋密布，難以做到車站結構鋼筋與其他結構鋼筋絕緣，因此如今大型地鐵車站其結構的雜散電流防護措施成為目前難以解決的問題。

3、四軌系統的特點【2】

典型四軌系統是在三軌系統的基礎上發展起來的，主要由牽引軌、回流軌、支持裝置、防護罩、膨脹接頭、端部彎頭、中心錨結和普通接頭等組成（如圖2）。牽引軌和回流軌采用相同類型的鋼鋁復合軌，牽引軌負責向機車不間斷地提供電能，回流軌與變電所負極柜相連，形成一個完整的供電回路。

地鐵直流牽引四軌供電系統由于回流軌徹底與道床等設施絕緣，不存在雜散電流，也就不必考慮防雜散電流的措施和設施。

與傳統直流供電模式相比，四軌供電方式具有以下幾方面的優點：

（1）對軌道的縱向電阻、接頭焊接、鋼軌安裝不再有要求。

（2）對道床結構、隧道結構以及高架結構不再有雜散電流防護要求，結構施工變得更加容易。

（3）取消了車站鋼軌電位限制裝置

（4）取消了排流柜，同時也減少了連接電纜和設備用房

（5）取消雜散電流監測系統

（6）取消鋼軌絕緣結，消除了機車過絕緣結產生火花現象

（7）取消了盾構區間連接電纜

（8）金屬結構不會被腐蝕，避免了對走行鋼軌的焊接損傷

4、采用四軌供電技術需考慮的問題

目前建成的線路多采用國際電工委員會（IEC）推薦的DC 750V和DC 1500V兩種電壓制式，其中DC l500V電壓制式具有供電距離長、電壓損失小、可承受客流量大、雜散電流影響小等優點，而接觸軌（第三軌）供電具有使用壽命長、維護量小等優點，因此，國內DC 75OV供電的地鐵城市多采用了三軌供電，例如我國深圳地鐵3號線、天津地鐵4、5、6號線、無錫地鐵1號線以及青島地鐵3號線的DC 1500V供電也采用第三軌供電。國際上（如加拿大、美國、馬來西亞）在DC 750V（或DC 600V）電壓等級采用了“四軌” 系統，但尚無DC l500V電壓等級“四軌”系統的先例【3】，為此四軌供電方式需考慮以下幾方面問題：

（1）受流方式，典型四軌系統通常采用側面受流方式（如圖3），而單軌跨座式線路方式，由于無法滿足現有普遍采用的Φ5500 mm盾構斷面的建筑限界要求，因此不是最佳的方案，結合國外類似工程和國內三軌工程的建設和運營經驗，其接觸方式宜采用側部受流或下部受流方式。

（2）對車輛的影響，無論是三軌受流還是四軌受流（如圖4），適用于接觸軌的集電靴均安裝于車輛的轉向架上，目前國內尚無采用側部受流的車輛，因此采用四軌供電方式后，傳統三軌車輛的受流器部分變化較大，從集電靴安裝空間上看，側部受流比下部受流方式更容易實現。

（3）安全問題，采用四軌供電后，接觸軌的安裝高度會大于三軌的高度，從某種意義上講，特別是對于側部受流方式，其對人身的安全性相對降低，但目前國內運營的三軌線路，其安全規章制度是健全的，有著嚴格的操作程序，同時，目前地鐵建設都考慮設有屏蔽門或安全門，區間也設有應急疏散通道，乘客幾乎不可能誤入帶電區域，因此采用四軌供電方式僅需要在場段中加強管理即可。

（4）對惡劣天氣的適應性，國內采用三軌技術已經趨于成熟，對惡劣天氣具有較好的適應性，特別是接觸軌均設有防護罩，在遇結冰等天氣時，下部接觸和側部接觸方式的線路可照常運行。

（5）國產化問題，由于四軌是三軌技術的變種，國內用于三軌的接觸軌、防護系統、支撐結構均有充足的技術儲備，實現國產化應不存在困難。

5、投資分析

根據國內地鐵工程的建設經驗，一般正線上用于雜散電流防護的費用為30萬元/軌道公里，而采用四軌供電方式，需要在現有的三軌基礎上加大絕緣支架，增加回流軌，估計增加費用為150萬元/軌道公里，綜合增加投資為120萬元/軌道公里。

6、結束語

目前世界上城市軌道交通采用四軌供電方式的線路均為DC 750V供電，而隨著近幾年三軌技術不斷地發展，采用側或下接觸方式的四軌供電模式已經具備了技術發展的基礎，筆者認為，將第四回流的優越性與DC 1500V的優越性很好地結合起來，雖然工程一次投資略有增加，但帶來的結構壽命延長、消除很多設備和工程隱患等效益是現有技術所無法比擬的。

參考文獻：

[1]北京地下鐵道科學技術研究所，地鐵雜散電流防護技術規程，北京：中國計劃出版社.1993.

[2]陳屹.城市軌道交通四軌供電方式的探討.電氣化鐵道城市軌道交通.2010第二期.

[3]張云太.城市軌道交通第四回流軌牽引供電技術.現代城市軌道交通.2011.endprint