地鐵專用回流軌牽引供電系統應用方案

喻 奇

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，430063，武漢∥高級工程師）

目前我國地鐵牽引供電系統通常采用走行軌兼做回流軌。根據文獻［1］中的方案三（該方案為目前國內大規模采用的常規方案，即“絕緣+監測+排流”方案）的要求：走行軌對結構、對地應保持絕緣，其過渡電阻值不應小于15 Ω·km。依照國內目前對雜散電流防護的重視程度，新建線路在建成時基本無法達到該技術標準規定的過渡電阻值。而且隨著運營時間的增加，受到沿線潮濕和積水、粉塵及可導電沉積物等因素影響，沿線各種絕緣材料的絕緣性能逐漸下降，鋼軌對地鐵結構和地的過渡電阻值越來越小，雜散電流向外擴散問題日益嚴重［2］。近年來，關于地鐵雜散電流影響沿線周邊的金屬管線和設施的反映陸續在國內多個城市出現，不得不引起高度重視，特別是對于高度敏感的油氣管線，若發生雜散電流腐蝕造成穿孔泄漏事故，后果將不堪設想。

采用走行軌兼做回流軌，不僅帶來雜散電流腐蝕問題，隨之也帶來鋼軌電位過高的問題。按照GB 50157—2013《地鐵設計規范》要求，正常雙邊供電運行時，站臺處走行軌對地電位不應大于120 V，車輛基地庫線走行軌對地電位不應大于60 V。當走行軌對地電壓超標時，應采取短時接地措施［3］。該條款作為強制性條文，必須嚴格執行。因此，鋼軌對地電位限值對于確定牽引變電所布設方案至關重要。目前國內已經運營的地鐵線路大多存在鋼軌實際電位比設計值高很多的情況，導致鋼軌電位限制裝置頻繁動作。一旦車站站臺邊緣地板出現絕緣損壞，乘客在鋼軌電位過高時觸碰站臺門，將會有觸電危險［4］。

1 專用回流軌技術方案

由于采用走行軌兼做回流軌，鋼軌無法完全絕緣于道床，牽引回流電流勢必經鋼軌向道床和其他結構泄漏并產生雜散電流［5］。即使加強鋼軌絕緣安裝水平（比如采用絕緣軌枕），走行軌對結構、對地的過渡電阻值才能達到100 Ω·km 級的水平，也無法從根本上解決雜散電流產出的問題。若比照牽引供電網的絕緣強度（如接觸軌）來設置專用回流軌，理論上可以完全避免雜散電流的泄漏。

根據國內地鐵建設情況和裝備技術水平，牽引供電系統若采用專用回流軌，有網軌混合牽引供電系統和四軌牽引供電系統兩種方案。

1.1 網軌混合牽引供電系統

網軌混合牽引供電系統即采用接觸網授電、接觸軌回流的牽引供電系統。接觸網設置方案與常規DC 1 500 V 接觸網供電制式方案完全保持一致，地下區間采用剛性懸掛，高架及地面區間采用柔性懸掛；專用回流軌的設置方案與DC 1 500 V 接觸軌供電制式方案完全一致，采用同類型的鋼鋁復合軌，其受流方式采用安全性相對高的下部受流，專用回流軌建議安裝于走行軌軌旁遠離疏散平臺的一側。圖1為接觸網與專用回流軌在圓形隧道區間安裝示意。

圖1 接觸網與專用回流軌在圓形隧道區間安裝示意圖

由圖1 可知：國內地鐵通常采用的5 500 mm 盾構內徑的圓形隧道完全可布置下接觸網和專用回流軌；對于礦山法（馬蹄型）隧道和明挖法（矩形）隧道，以及高架橋梁和地面線路，其限界空間相比圓形隧道更為充裕，同時布置接觸網和專用回流軌也沒有問題。因此，采用網軌混合牽引供電系統對土建工程并不會產生實質影響。已投運的既有地鐵運營線路同樣具備改造成網軌混合牽引供電系統的土建條件。

DC 1 500 V 的接觸網和接觸軌這兩種供電制式在國內地鐵領域均有廣泛應用，建設和運營經驗豐富，尤其是DC 1 500 V 接觸網供電制式為大多數地鐵城市所采用。因此，從技術成熟度來看，地鐵采用網軌混合牽引供電系統不存在技術困難。

對于既有車輛裝備來說，只需對既有定型的接觸網制式車輛加設集電靴，同時在車體內設置切換電路（可選用專用回流軌回流或者鋼軌回流），無需對車體結構進行較大改造，還可共享既有車輛基地檢修資源，可大大節省工程投資和運營綜合成本。

1.2 四軌牽引供電系統

四軌牽引供電系統是在三軌供電系統的基礎上發展起來的，二者的授電軌和回流軌采用相同類型的鋼鋁復合軌，授電軌負責向車輛不間斷地提供電能，回流軌與變電所負極柜相連，形成一個完整的供電回路。

目前國內外跨坐式單軌和懸掛式單軌、APM（旅客自動運輸）系統、中低速磁懸浮均是采用三軌供電、四軌回流。而英國倫敦地鐵、意大利米蘭地鐵M1 線、馬來西亞吉隆坡輕軌是少有的地鐵和輕軌采用三軌供電、四軌回流的鋼輪軌道交通系統，牽引供電電壓均不超過DC 750 V。

相比DC 750 V 牽引供電系統，DC 1 500 V 牽引供電系統所需布設牽引變電所數量較少，工程經濟性較好，且運營維護成本更低。無論是DC 1 500 V 接觸網，還是DC 1 500 V 接觸軌，在我國軌道交通領域均有成熟的建設、運營經驗。根據我國目前軌道交通建設發展情況，除原采用DC 750 V 接觸軌線路延伸，已不會再采用DC 750 V 牽引供電電壓等級。

按照車輛受流方式及接觸軌安裝位置不同，DC 1 500 V 四軌牽引供電系統可采用牽引軌和回流軌分別安裝在走行軌兩側、牽引軌和回流軌安裝在走行軌同側兩種方案。從工程可行性和節省投資方面考慮，牽引軌和回流軌在走行軌同側安裝的方案優于在走行軌兩側安裝的方案，該方案對車輛的結構設計影響最大，車輛集電靴和牽引回流電路需作相應調整。由于牽引軌與回流軌同時存在，兩根軌間絕緣的可靠性、對車輛構造的影響以及受流的穩定性應作為重點考慮［6］。由于兩軌同側架設且距離很近，大大增加了發生短路故障的幾率，特別是露天段線路，受天氣影響嚴重，難以應對雨雪天氣。

我國地鐵和輕軌若采用DC 1 500 V 四軌牽引供電系統，需重新研發車輛設備，并且國內外無可借鑒的成熟運營經驗。

綜上所述，無論從既有技術裝備水平來看，還是從建設和運營經驗的成熟度來看，采用網軌混合牽引供電系統更符合我國當前的國情。已將建成的寧波地鐵4 號線和正在建設之中的鄭許市域鐵路（該線按地鐵系統設計）均采用網軌混合牽引供電系統。

2 專用回流軌電氣分段方案

由于走行軌不可能斷開，因而當走行軌兼做回流軌時，沒有設置電氣分段的條件。若采用專用回流軌，則具備設置電氣分段的基礎條件。若專用回流軌采用全線貫通的設置方案，其直流系統接線示意圖與常規接線方案保持一致（如圖2）。但專用回流軌全線貫通將導致排查回流軌對地絕緣故障的難度大大增加，易形成雜散電流，背離專設回流軌的初衷。因此很有必要對專用回流軌進行電氣分段。其電氣分段原則可結合接觸網電分段設置，在接觸網上網和回流軌回流處設置雙極隔離開關實現同時分斷和接通。其直流系統接線如圖3 所示。

已建成的寧波地鐵4 號線在正線并未設置專用回流軌電氣分段，正在建設的鄭許市域鐵路正線專用回流軌則設置有電氣分段并采用雙極隔離開關。網軌混合牽引供電系統在具體工程的應用方案也是在實踐中不斷優化。

圖2 全線貫通的專用回流軌直流系統接線圖

3 專用回流軌對應的系統保護配置方案

對于采用走行軌回流的直流牽引供電系統，其接地保護通常采用框架泄漏保護裝置，直流設備柜內正、負極對外殼發生泄漏超標時，保護快速動作將故障切除，以保證系統的安全運行，是一種高靈敏度的保護［7］。框架泄漏保護裝置由電流元件和電壓元件組成，保護范圍通常只包含直流開關柜、整流器柜和負極柜。

采用專用回流軌后，鋼軌不再流過牽引回流，為保證區間檢修和疏散的安全，鋼軌應直接接地。由于專用回流軌對地絕緣良好，接觸網和專用回流軌對地的泄漏電阻達到MΩ·km 級以上，當發生接觸網對鋼軌（或地）短路故障時，故障電流太小，且不在變電所直流接地框架泄漏保護范圍內，因此需要專設的接地保護裝置。

目前國內已運營的采用專用回流軌的重慶軌道交通2 號線、3 號線和長沙磁懸浮快線，均采用64D接地漏電保護裝置（該裝置原理圖見圖4）。當接地泄漏電流流過該裝置接地回路串接的可調電阻產生的電壓降達到整定值，保護裝置動作。由于引起64D 保護動作的故障原因很多，加之無故障定位手段，導致故障時需花費大量的人力物力及時間進行排查［8］。該保護裝置動作將導致本所所有直流斷路器及鄰所向本所方向供電的直流饋線斷路器跳閘，一旦出現故障將造成3 ～4 座牽引變電所直流開關跳閘，造成大面積停電，嚴重影響線路正常運營。重慶和長沙兩地的實際運營中均發生過此類事件。

對于采用網軌混合的牽引供電系統，接觸網對鋼軌短路故障較為常見，若仍然采用64D 接地漏電保護裝置，一旦出現故障將對運營產生嚴重影響。因此，如若采用在負極和地之間設置單向導通裝置作為接地保護裝置（接線原理圖見圖5），當接觸網對鋼軌發生短路故障，故障電流流向為：直流設備正極母線→直流饋線斷路器→接觸網→鋼軌→地→單向導通裝置→負極母線。與常規的走行軌回流的同類型地鐵線路相比，其短路電流路徑僅多了單向導通裝置，由于單向導通裝置的主回路二極管正向阻抗極小，因而兩者對應短路電流相差很小。若采用該方案，專用回流軌對應系統保護配置方案與常規直流牽引供電系統保護配置方案基本相同，直流保護動作導致停電范圍也與常規走行軌回流的直流牽引供電系統一致，有利于延用以往的運營管理經驗。

已建成的寧波地鐵4 號線和正在建設的鄭許市域鐵路均采用在負極和地之間設置單向導通裝置作為接地保護裝置的方案。

圖3 接觸網與專用回流軌同位置分段直流系統接線圖

圖4 64D 接地漏電保護裝置原理圖

圖5 接觸網對鋼軌短路電流路徑示意圖

4 專用回流軌對應絕緣監測方案

由于負極和地之間設置單向導通裝置，并且鋼軌直接接地，若專用回流軌與地（或鋼軌）之間出現短路，系統無法準確識別此類故障，更難以進行故障定位。對于正負極均不直接接地的懸浮供電系統，負極出現接地時并不會影響系統正常運行，但會產生雜散電流。若為單點接地，雜散電流將經過單向導通裝置流回負極；若為多點接地，就類似于走行軌回流的情況，難以準確測量雜散電流總量。因此，不宜采用保護裝置動作跳閘斷電方式切除故障，以避免影響線路正常運營。

針對上述情況，可采用設置絕緣監測裝置的方案，對全線負極對地絕緣情況進行監測和比對，及早發現負極對地的絕緣薄弱點。整流器和負極柜的負極對地絕緣監測可通過采集柜體框架對地泄漏電流進行在線監測，專用回流軌對地的絕緣監測可采用定期測試絕緣電阻方案。各項測試數據通過變電所綜合自動化系統上傳至控制中心進行集中比對，以便確定絕緣薄弱點位置。絕緣監測接線方案如圖6 所示。

圖6 絕緣監測裝置接線示意圖

每座牽引變電所均設絕緣監測裝置。該裝置接受電力監控系統調度，實現遠程監測。為保證絕緣電阻測試的準確性，在測試之前應先將直流饋線斷路器和雙極上網回流開關斷開，并將負極接地，以釋放殘壓，而后斷開負極接地開關。在各區段專用回流軌與地之間施加直流測試電壓進行絕緣電阻測試，對測試結果中單位長度絕緣電阻值偏低的區段進行重點清查并處理，盡可能減少泄漏電流。寧波地鐵4 號線和鄭許市域鐵路均沒有設置固定式絕緣監測裝置，需人工搬運試驗裝置進行移動測試。

5 結語

國內外鋼輪制式地鐵線路絕大多數采用走行軌兼做回流軌方案，既可節省工程投資，又能減少運營維護工作量、降低運營成本。但其走行軌對地泄漏電阻值隨著運營時間增加而逐漸減小，導致雜散電流不斷增大，其影響已不容忽視［9］。為徹底解決走行軌回流帶來的雜散電流問題，在地鐵工程中采用回流軌技術是必要和可行的［10］。

本文立足于我國地鐵發展現狀和技術裝備水平，為避免雜散電流對沿線管線和設施產生的不利影響，推薦地鐵采用網軌混合牽引供電系統。對于具體工程實踐，推薦如下應用方案：專用回流軌結合接觸網電分段的位置設置電氣分段，以便于排查專用回流軌對地絕緣故障；在負極和地之間設置單向導通裝置，以保證接觸網發生對地短路故障時，保護裝置能快速動作切除故障；在牽引變電所設置絕緣監測裝置，通過電力監控系統遠程調度方式定期監測各區段專用回流軌對地的絕緣情況，及早發現問題，而后清查處理。

目前國內外地鐵均無網軌混合牽引供電系統的成熟運營經驗，寧波地鐵4 號線剛于2020 年12 月開通運營，鄭許市域鐵路也還在建設中，其應用方案還需在工程實踐中逐步優化和完善。