地鐵獨立軌回流技術應用研究

■ 謝宗桀

1 概述

1.1 雜散電流產生及危害

目前，國內外地鐵一般采用架空接觸網或接觸軌（第三軌）供電，走行軌回流。架空接觸網或第三軌安裝在具有高絕緣強度的陶瓷絕緣底座或玻璃鋼絕緣支架上，限制對地的電流泄漏，而走行軌必須安裝在高強度的金屬底座上，以支撐列車的質量，導致走行軌對地絕緣無法達到相同的強度。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，牽引回流電流通過走行軌向道床及其他金屬結構泄漏并產生雜散電流。地鐵雜散電流形成見圖1。

雜散電流對鋼軌、土建結構鋼筋，以及地鐵沿線的金屬管道和電氣設備產生腐蝕。其腐蝕程度比自然腐蝕強烈得多，具有強度大、危害大、范圍廣、隨機性強等特點，直接影響地鐵土建結構和設備安全及使用壽命。

1.2 雜散電流腐蝕防護措施

（1）走行軌回流的雜散電流腐蝕防護措施。目前，走行軌回流直流牽引供電系統中，雜散電流腐蝕防護系統主要采取降低回流電阻、增加鋼軌對地過渡電阻、加強絕緣、加強沿線設備及管網電氣腐蝕防護等保護性措施，同時在土建結構中設置雜散電流監測端子，并在道床中設置排流網。當遠期監測數據超標時，設置雜散電流排流網，將道床結構鋼筋與負極（含鋼軌）相連，期望雜散電流先腐蝕道床鋼筋，減少對主體結構鋼筋的腐蝕。上述被動的保護措施雖能起到一定防治效果，但不能完全解決問題。

圖1 地鐵雜散電流形成

（2）獨立軌回流的雜散電流腐蝕防護措施。為消除雜散電流的不利影響，英國、意大利、馬來西亞等國家的部分地鐵線路采用“四軌”供電系統（簡稱四軌系統），倫敦地鐵Northern line采用的第四軌回流技術見圖2，馬來西亞KelanaJaya線采用的第四軌回流技術見圖3。牽引變電所通過第三軌向列車供電，并通過獨立軌（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生的各種問題。

1.3 獨立軌回流技術的國內外研究

目前在地鐵線路中，獨立軌回流技術主要在英國、意大利、馬來西亞等國家應用。我國部分地鐵公司聯合相關單位已展開初步研究，目前尚無獨立軌回流技術的實際應用工程。獨立軌回流技術的應用研究具有必要性和可行性。另外，根據相同的原理，若采用架空接觸網向列車供電，通過獨立軌（此時為第三軌）回流，也可產生相同的效果。這種方式比四軌系統更便于實施，具有較高的推廣價值。

圖2 倫敦地鐵Northern line采用的第四軌回流技術

圖3 馬來西亞KelanaJaya線采用的第四軌回流技術

2 供電系統應用可行性分析

2.1 技術方案

采用架空接觸網+獨立軌回流技術的牽引供電系統見圖4。

牽引供電系統中回流網由鋼軌變為獨立的回流軌，回流軌與大地和鋼軌絕緣，列車的牽引電流不再經過鋼軌回流到牽引所負極。

獨立回流軌的基本組成結構與接觸軌一樣，可采用與接觸軌相同類型的鋼鋁復合軌；按獨立軌與列車集電靴接觸面的不同位置，可將獨立軌分為上部、下部和側部受流3種方式。3種方式在實際工程中均有大量成熟應用，具體采用方式需要結合工程特點和需求確定。

獨立回流軌的安裝位置與接觸軌的安裝位置類似，通常可安裝在軌旁，也可安裝在2根鋼軌中間。

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

為進一步減少對限界和軌旁設備的影響，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，為滿足列車正反向行駛時電流順利回流，回流軌最好設置在線路正中間。

圖4 采用架空接觸網+獨立軌回流技術的牽引供電系統

2.2 接地保護方案

為確保乘客在車內及上下車時的安全，車輛的電位與地之間的電壓差不應過大，需滿足相應的規范要求。當采用獨立軌回流時，走行軌不承擔電流通路作用，不會擴散雜散電流，建議將鋼軌直接接地。此時車體通過輪對和鋼軌直接接地，車體與地之間的電位差為0，有效保證了乘客安全。當接觸網或回流軌出現短路故障時，必須設置接地保護裝置，及時消除故障，以保證直流設備的正常工作和乘客安全。

直流牽引系統采用獨立軌進行回流后，走行軌不用作回流通路。原本回流軌（負極）和地之間較小的過渡電阻，已被1個很大的絕緣電阻代替。這種情況下，原本在走行軌回流系統中使用的接地保護方案（框架泄漏保護元件），可能會出現監測不利的情況，無法及時監測并切除故障。為解決上述問題，在采用獨立軌回流的地鐵供電系統中，可借鑒采用跨座式單軌系統中的接地保護方案，在負極設置接地保護裝置，以達到相應的保護功能[1]。

2.3 回流軌電分段問題

采用獨立軌回流技術，回流軌為負極，其電位與區間是否有列車運行有關。因此，對檢修人員可能產生觸電危險。若采用第三軌供電方案，檢修時回流軌接地，將壓縮運營檢修作業時間。將回流軌接地前，需要注意不同區段的回流軌之間是否有電分段，否則將導致雜散電流的擴散。

回流軌是否分段及其對檢修人員的影響，需要結合線路的具體需求以及供電系統的安全性要求進行分析和研究，制定出既保證設備和人員安全，又對運營檢修影響較小的方案。但回流軌需要進行分段時，接觸網上網隔離開關可采用雙極開關配合使用。

2.4 牽引所數量

在采用走行軌回流的地鐵供電系統中，鋼軌對地電位及排流網極化電位是判斷牽引所布點是否合理的重要標準。牽引所間距越大，鋼軌對地電位越高，同時排流網極化電位越大。為降低鋼軌電位、減小排流網極化電位，牽引所間距不能太大，因而增加了牽引所的數量，增加了工程投資。

采用獨立軌回流技術，走行鋼軌可直接接地，列車車體也通過鋼軌接地，車體與地之間無電位差，保證了乘客安全。此外，由于獨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，可不用設置排流網。因此，牽引所的間距不再受鋼軌電位和排流網極化電位的影響，如果牽引網的壓降及牽引供電系統供電能力滿足要求，可增加牽引所的間距，減少全線的牽引所數量，減少工程投資。

3 車輛系統應用可行性分析

（1）回流器。獨立軌回流技術基于第三軌技術發展而來，車輛回流器與三軌系統中車輛集電靴的技術相同。根據受流接觸面的不同位置，車輛配備相應形式的回流器。在回流器布置方案中，盡可能減少新增回流器對車輛動態包絡線和限界的影響，以滿足不同工程的實際需求。

（2）過無電區分析。由于回流軌在道岔處不可避免地出現斷軌，即存在類似三軌供電系統中的無電區，此時列車上有若干個回流器不在工作狀態，嚴重影響列車回流能力。在實際工程設計中，應根據線路中出現的最長無電區長度和列車上可工作的回流器數量，對回流器及相關電氣元件進行選型，以滿足車輛正常工作需求。

（3）車輛接地保護。為保證車體及乘客安全，需要在車輛正負母線與車體之間設置接地保護裝置，無論正極或負極在對地短路時，保護裝置應能檢測到故障信號，并提醒司機和調度中心。

（4）獨立軌回流和走行軌回流方式的切換。獨立回流軌安裝在車輛底部側面時，列車運行時帶有一定電位，對附近的檢修人員可能造成觸電危險。此外，側部安裝的回流軌占用車旁一定空間，給檢修人員檢查車輛帶來一定影響。因此，當列車回到檢修庫時，要恢復為走行軌回流方式。在列車從正線返回車輛段或停車場的途中，需進行獨立軌回流和走行軌回流方式的切換。城市軌道交通多為網絡化運營，城市中可能存在多條線路多種制式的列車，可能存在資源共享的線路、車輛段及停車場。若采用獨立軌回流的車輛可以在采用走行軌回流的線路中運行，將大大增加資源共享率，采用這2種制式的車輛可共用車輛段或停車場，以減少占地需求。

為提高車輛段或停車場出車和回車效率，需要研究不停車切換方案，根據具體的回流電流選取回流器的電氣參數。

4 土建工程應用可行性分析

（1）四軌系統。與三軌系統相比，四軌系統對土建和隧道凈空要求不變，但其安裝空間增大，要求設備和車輛限界相應增加。具體是在第三軌的基礎上，采用整體絕緣支架安裝方式[2]，常規的三軌系統土建空間可完全滿足四軌系統需求。

（2）“架空接觸網受流+獨立軌回流”系統。接觸網安裝在車輛正上方，安裝空間一般需要420 mm；獨立回流軌安裝在車輛底部或側面，對隧道底部的寬度要求與四軌系統類似。當對獨立回流軌抬高敷設時，架空接觸網采用低凈空安裝方式。該方式在曲線圓形隧道中有成熟應用。因此，常規架空接觸網系統土建寬度可滿足獨立回流軌的安裝需求。

5 對其他系統的影響分析

5.1 軌道

（1）取消鋼軌絕緣墊。采用獨立軌回流技術，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）減少道床結構鋼筋，取消排流端子。采用獨立軌回流技術，由于不設置排流柜和排流網，在保證道床強度的前提下，可對道床結構鋼筋的截面面積進行核減。同時，取消排流端子，減少工程投資。

5.2 信號

在采用CBTC信號系統的地鐵線路中，通常在2根鋼軌的正中間安裝信標設備。采用軌中安裝回流軌時，信標設備安裝位置與回流軌安裝位置沖突，此時可將回流軌局部斷軌，或將地面及車載的信標設備安裝位置偏離線路正中心，采用2套信標設備（保證列車正反向行駛），其安裝方法與采用直線電機車輛的地鐵工程相似，或采取其他類型的定位裝置。

5.3 站臺門

站臺區的絕緣地坪可取消。采用獨立軌回流技術，站臺門可以考慮直接接地，相應站臺區域的絕緣地坪可取消，可減少工程投資和后期運營維護問題。

6 技術經濟分析

以一條30 km、采用直流1 500 V架空接觸網供電的地鐵線路為例，采用獨立軌回流和走行軌回流方案的投資對比分析見表1。

初步估算，采用獨立軌回流方案，遠期增加工程投資約12 470萬元（初期11 470萬元、近期10 970萬元），與工程總投資相比，占比約為0．4%，增加的工程造價指標約為415萬元/正線公里。采用獨立軌回流系統，減少了雜散電流的危害，延長了相關設備和土建結構的壽命，避免了相關危害產生的經濟損失；減少了相關設備后期運營維護費用，其效益可逐步與增加的投資相抵。因此，采用獨立軌回流系統具有較高的技術經濟性。

表1 獨立軌回流和走行軌回流方案的投資對比分析

7 結束語

綜上所述，為徹底解決走行軌回流產生的雜散電流對沿線金屬結構的不良影響及安全問題，在地鐵工程中采用獨立軌回流技術是必要和可行的。鑒于獨立軌回流技術在我國地鐵尚無應用先例，相關設備和車輛生產廠家應盡快開展研發工作，并在我國城市軌道交通中逐步應用。

[1] 周才發．跨座式單軌交通直流牽引系統接地保護設計[J]．都市快軌交通，2010(1)：93-96．

[2] 張云太．城市軌道交通第四回流軌牽引供電技術[J]．現代城市軌道交通，2011(4)：8-10．