喻 奇

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，430063，武漢∥高級(jí)工程師）

目前我國(guó)地鐵牽引供電系統(tǒng)通常采用走行軌兼做回流軌。根據(jù)文獻(xiàn)［1］中的方案三（該方案為目前國(guó)內(nèi)大規(guī)模采用的常規(guī)方案，即“絕緣+監(jiān)測(cè)+排流”方案）的要求：走行軌對(duì)結(jié)構(gòu)、對(duì)地應(yīng)保持絕緣，其過(guò)渡電阻值不應(yīng)小于15 Ω·km。依照國(guó)內(nèi)目前對(duì)雜散電流防護(hù)的重視程度，新建線路在建成時(shí)基本無(wú)法達(dá)到該技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的過(guò)渡電阻值。而且隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，受到沿線潮濕和積水、粉塵及可導(dǎo)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(duì)地鐵結(jié)構(gòu)和地的過(guò)渡電阻值越來(lái)越小，雜散電流向外擴(kuò)散問(wèn)題日益嚴(yán)重［2］。近年來(lái)，關(guān)于地鐵雜散電流影響沿線周邊的金屬管線和設(shè)施的反映陸續(xù)在國(guó)內(nèi)多個(gè)城市出現(xiàn)，不得不引起高度重視，特別是對(duì)于高度敏感的油氣管線，若發(fā)生雜散電流腐蝕造成穿孔泄漏事故，后果將不堪設(shè)想。

采用走行軌兼做回流軌，不僅帶來(lái)雜散電流腐蝕問(wèn)題，隨之也帶來(lái)鋼軌電位過(guò)高的問(wèn)題。按照GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，正常雙邊供電運(yùn)行時(shí)，站臺(tái)處走行軌對(duì)地電位不應(yīng)大于120 V，車(chē)輛基地庫(kù)線走行軌對(duì)地電位不應(yīng)大于60 V。當(dāng)走行軌對(duì)地電壓超標(biāo)時(shí)，應(yīng)采取短時(shí)接地措施［3］。該條款作為強(qiáng)制性條文，必須嚴(yán)格執(zhí)行。因此，鋼軌對(duì)地電位限值對(duì)于確定牽引變電所布設(shè)方案至關(guān)重要。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的地鐵線路大多存在鋼軌實(shí)際電位比設(shè)計(jì)值高很多的情況，導(dǎo)致鋼軌電位限制裝置頻繁動(dòng)作。一旦車(chē)站站臺(tái)邊緣地板出現(xiàn)絕緣損壞，乘客在鋼軌電位過(guò)高時(shí)觸碰站臺(tái)門(mén)，將會(huì)有觸電危險(xiǎn)［4］。

1 專用回流軌技術(shù)方案

由于采用走行軌兼做回流軌，鋼軌無(wú)法完全絕緣于道床，牽引回流電流勢(shì)必經(jīng)鋼軌向道床和其他結(jié)構(gòu)泄漏并產(chǎn)生雜散電流［5］。即使加強(qiáng)鋼軌絕緣安裝水平（比如采用絕緣軌枕），走行軌對(duì)結(jié)構(gòu)、對(duì)地的過(guò)渡電阻值才能達(dá)到100 Ω·km 級(jí)的水平，也無(wú)法從根本上解決雜散電流產(chǎn)出的問(wèn)題。若比照牽引供電網(wǎng)的絕緣強(qiáng)度（如接觸軌）來(lái)設(shè)置專用回流軌，理論上可以完全避免雜散電流的泄漏。

根據(jù)國(guó)內(nèi)地鐵建設(shè)情況和裝備技術(shù)水平，牽引供電系統(tǒng)若采用專用回流軌，有網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)和四軌牽引供電系統(tǒng)兩種方案。

1.1 網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)

網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)即采用接觸網(wǎng)授電、接觸軌回流的牽引供電系統(tǒng)。接觸網(wǎng)設(shè)置方案與常規(guī)DC 1 500 V 接觸網(wǎng)供電制式方案完全保持一致，地下區(qū)間采用剛性懸掛，高架及地面區(qū)間采用柔性懸掛；專用回流軌的設(shè)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(fù)合軌，其受流方式采用安全性相對(duì)高的下部受流，專用回流軌建議安裝于走行軌軌旁遠(yuǎn)離疏散平臺(tái)的一側(cè)。圖1為接觸網(wǎng)與專用回流軌在圓形隧道區(qū)間安裝示意。

圖1 接觸網(wǎng)與專用回流軌在圓形隧道區(qū)間安裝示意圖

由圖1 可知：國(guó)內(nèi)地鐵通常采用的5 500 mm 盾構(gòu)內(nèi)徑的圓形隧道完全可布置下接觸網(wǎng)和專用回流軌；對(duì)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(shí)布置接觸網(wǎng)和專用回流軌也沒(méi)有問(wèn)題。因此，采用網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)對(duì)土建工程并不會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)影響。已投運(yùn)的既有地鐵運(yùn)營(yíng)線路同樣具備改造成網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)的土建條件。

DC 1 500 V 的接觸網(wǎng)和接觸軌這兩種供電制式在國(guó)內(nèi)地鐵領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)豐富，尤其是DC 1 500 V 接觸網(wǎng)供電制式為大多數(shù)地鐵城市所采用。因此，從技術(shù)成熟度來(lái)看，地鐵采用網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)不存在技術(shù)困難。

對(duì)于既有車(chē)輛裝備來(lái)說(shuō)，只需對(duì)既有定型的接觸網(wǎng)制式車(chē)輛加設(shè)集電靴，同時(shí)在車(chē)體內(nèi)設(shè)置切換電路（可選用專用回流軌回流或者鋼軌回流），無(wú)需對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大改造，還可共享既有車(chē)輛基地檢修資源，可大大節(jié)省工程投資和運(yùn)營(yíng)綜合成本。

1.2 四軌牽引供電系統(tǒng)

四軌牽引供電系統(tǒng)是在三軌供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，二者的授電軌和回流軌采用相同類型的鋼鋁復(fù)合軌，授電軌負(fù)責(zé)向車(chē)輛不間斷地提供電能，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。

目前國(guó)內(nèi)外跨坐式單軌和懸掛式單軌、APM（旅客自動(dòng)運(yùn)輸）系統(tǒng)、中低速磁懸浮均是采用三軌供電、四軌回流。而英國(guó)倫敦地鐵、意大利米蘭地鐵M1 線、馬來(lái)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(tǒng)，牽引供電電壓均不超過(guò)DC 750 V。

相比DC 750 V 牽引供電系統(tǒng)，DC 1 500 V 牽引供電系統(tǒng)所需布設(shè)牽引變電所數(shù)量較少，工程經(jīng)濟(jì)性較好，且運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本更低。無(wú)論是DC 1 500 V 接觸網(wǎng)，還是DC 1 500 V 接觸軌，在我國(guó)軌道交通領(lǐng)域均有成熟的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)我國(guó)目前軌道交通建設(shè)發(fā)展情況，除原采用DC 750 V 接觸軌線路延伸，已不會(huì)再采用DC 750 V 牽引供電電壓等級(jí)。

按照車(chē)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(tǒng)可采用牽引軌和回流軌分別安裝在走行軌兩側(cè)、牽引軌和回流軌安裝在走行軌同側(cè)兩種方案。從工程可行性和節(jié)省投資方面考慮，牽引軌和回流軌在走行軌同側(cè)安裝的方案優(yōu)于在走行軌兩側(cè)安裝的方案，該方案對(duì)車(chē)輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)影響最大，車(chē)輛集電靴和牽引回流電路需作相應(yīng)調(diào)整。由于牽引軌與回流軌同時(shí)存在，兩根軌間絕緣的可靠性、對(duì)車(chē)輛構(gòu)造的影響以及受流的穩(wěn)定性應(yīng)作為重點(diǎn)考慮［6］。由于兩軌同側(cè)架設(shè)且距離很近，大大增加了發(fā)生短路故障的幾率，特別是露天段線路，受天氣影響嚴(yán)重，難以應(yīng)對(duì)雨雪天氣。

我國(guó)地鐵和輕軌若采用DC 1 500 V 四軌牽引供電系統(tǒng)，需重新研發(fā)車(chē)輛設(shè)備，并且國(guó)內(nèi)外無(wú)可借鑒的成熟運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。

綜上所述，無(wú)論從既有技術(shù)裝備水平來(lái)看，還是從建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的成熟度來(lái)看，采用網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)更符合我國(guó)當(dāng)前的國(guó)情。已將建成的寧波地鐵4 號(hào)線和正在建設(shè)之中的鄭許市域鐵路（該線按地鐵系統(tǒng)設(shè)計(jì)）均采用網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)。

2 專用回流軌電氣分段方案

由于走行軌不可能斷開(kāi)，因而當(dāng)走行軌兼做回流軌時(shí)，沒(méi)有設(shè)置電氣分段的條件。若采用專用回流軌，則具備設(shè)置電氣分段的基礎(chǔ)條件。若專用回流軌采用全線貫通的設(shè)置方案，其直流系統(tǒng)接線示意圖與常規(guī)接線方案保持一致（如圖2）。但專用回流軌全線貫通將導(dǎo)致排查回流軌對(duì)地絕緣故障的難度大大增加，易形成雜散電流，背離專設(shè)回流軌的初衷。因此很有必要對(duì)專用回流軌進(jìn)行電氣分段。其電氣分段原則可結(jié)合接觸網(wǎng)電分段設(shè)置，在接觸網(wǎng)上網(wǎng)和回流軌回流處設(shè)置雙極隔離開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)同時(shí)分?jǐn)嗪徒油?。其直流系統(tǒng)接線如圖3 所示。

已建成的寧波地鐵4 號(hào)線在正線并未設(shè)置專用回流軌電氣分段，正在建設(shè)的鄭許市域鐵路正線專用回流軌則設(shè)置有電氣分段并采用雙極隔離開(kāi)關(guān)。網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)在具體工程的應(yīng)用方案也是在實(shí)踐中不斷優(yōu)化。

圖2 全線貫通的專用回流軌直流系統(tǒng)接線圖

3 專用回流軌對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)保護(hù)配置方案

對(duì)于采用走行軌回流的直流牽引供電系統(tǒng)，其接地保護(hù)通常采用框架泄漏保護(hù)裝置，直流設(shè)備柜內(nèi)正、負(fù)極對(duì)外殼發(fā)生泄漏超標(biāo)時(shí)，保護(hù)快速動(dòng)作將故障切除，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，是一種高靈敏度的保護(hù)［7］?？蚣苄孤┍Ｗo(hù)裝置由電流元件和電壓元件組成，保護(hù)范圍通常只包含直流開(kāi)關(guān)柜、整流器柜和負(fù)極柜。

采用專用回流軌后，鋼軌不再流過(guò)牽引回流，為保證區(qū)間檢修和疏散的安全，鋼軌應(yīng)直接接地。由于專用回流軌對(duì)地絕緣良好，接觸網(wǎng)和專用回流軌對(duì)地的泄漏電阻達(dá)到MΩ·km 級(jí)以上，當(dāng)發(fā)生接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌（或地）短路故障時(shí)，故障電流太小，且不在變電所直流接地框架泄漏保護(hù)范圍內(nèi)，因此需要專設(shè)的接地保護(hù)裝置。

目前國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)的采用專用回流軌的重慶軌道交通2 號(hào)線、3 號(hào)線和長(zhǎng)沙磁懸浮快線，均采用64D接地漏電保護(hù)裝置（該裝置原理圖見(jiàn)圖4）。當(dāng)接地泄漏電流流過(guò)該裝置接地回路串接的可調(diào)電阻產(chǎn)生的電壓降達(dá)到整定值，保護(hù)裝置動(dòng)作。由于引起64D 保護(hù)動(dòng)作的故障原因很多，加之無(wú)故障定位手段，導(dǎo)致故障時(shí)需花費(fèi)大量的人力物力及時(shí)間進(jìn)行排查［8］。該保護(hù)裝置動(dòng)作將導(dǎo)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(xiàn)故障將造成3 ～4 座牽引變電所直流開(kāi)關(guān)跳閘，造成大面積停電，嚴(yán)重影響線路正常運(yùn)營(yíng)。重慶和長(zhǎng)沙兩地的實(shí)際運(yùn)營(yíng)中均發(fā)生過(guò)此類事件。

對(duì)于采用網(wǎng)軌混合的牽引供電系統(tǒng)，接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路故障較為常見(jiàn)，若仍然采用64D 接地漏電保護(hù)裝置，一旦出現(xiàn)故障將對(duì)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，如若采用在負(fù)極和地之間設(shè)置單向?qū)ㄑb置作為接地保護(hù)裝置（接線原理圖見(jiàn)圖5），當(dāng)接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌發(fā)生短路故障，故障電流流向?yàn)椋褐绷髟O(shè)備正極母線→直流饋線斷路器→接觸網(wǎng)→鋼軌→地→單向?qū)ㄑb置→負(fù)極母線。與常規(guī)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?qū)ㄑb置，由于單向?qū)ㄑb置的主回路二極管正向阻抗極小，因而兩者對(duì)應(yīng)短路電流相差很小。若采用該方案，專用回流軌對(duì)應(yīng)系統(tǒng)保護(hù)配置方案與常規(guī)直流牽引供電系統(tǒng)保護(hù)配置方案基本相同，直流保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致停電范圍也與常規(guī)走行軌回流的直流牽引供電系統(tǒng)一致，有利于延用以往的運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)。

已建成的寧波地鐵4 號(hào)線和正在建設(shè)的鄭許市域鐵路均采用在負(fù)極和地之間設(shè)置單向?qū)ㄑb置作為接地保護(hù)裝置的方案。

圖3 接觸網(wǎng)與專用回流軌同位置分段直流系統(tǒng)接線圖

圖4 64D 接地漏電保護(hù)裝置原理圖

圖5 接觸網(wǎng)對(duì)鋼軌短路電流路徑示意圖

4 專用回流軌對(duì)應(yīng)絕緣監(jiān)測(cè)方案

由于負(fù)極和地之間設(shè)置單向?qū)ㄑb置，并且鋼軌直接接地，若專用回流軌與地（或鋼軌）之間出現(xiàn)短路，系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別此類故障，更難以進(jìn)行故障定位。對(duì)于正負(fù)極均不直接接地的懸浮供電系統(tǒng)，負(fù)極出現(xiàn)接地時(shí)并不會(huì)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，但會(huì)產(chǎn)生雜散電流。若為單點(diǎn)接地，雜散電流將經(jīng)過(guò)單向?qū)ㄑb置流回負(fù)極；若為多點(diǎn)接地，就類似于走行軌回流的情況，難以準(zhǔn)確測(cè)量雜散電流總量。因此，不宜采用保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘斷電方式切除故障，以避免影響線路正常運(yùn)營(yíng)。

針對(duì)上述情況，可采用設(shè)置絕緣監(jiān)測(cè)裝置的方案，對(duì)全線負(fù)極對(duì)地絕緣情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)和比對(duì)，及早發(fā)現(xiàn)負(fù)極對(duì)地的絕緣薄弱點(diǎn)。整流器和負(fù)極柜的負(fù)極對(duì)地絕緣監(jiān)測(cè)可通過(guò)采集柜體框架對(duì)地泄漏電流進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，專用回流軌對(duì)地的絕緣監(jiān)測(cè)可采用定期測(cè)試絕緣電阻方案。各項(xiàng)測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)上傳至控制中心進(jìn)行集中比對(duì)，以便確定絕緣薄弱點(diǎn)位置。絕緣監(jiān)測(cè)接線方案如圖6 所示。

圖6 絕緣監(jiān)測(cè)裝置接線示意圖

每座牽引變電所均設(shè)絕緣監(jiān)測(cè)裝置。該裝置接受電力監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。為保證絕緣電阻測(cè)試的準(zhǔn)確性，在測(cè)試之前應(yīng)先將直流饋線斷路器和雙極上網(wǎng)回流開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，并將負(fù)極接地，以釋放殘壓，而后斷開(kāi)負(fù)極接地開(kāi)關(guān)。在各區(qū)段專用回流軌與地之間施加直流測(cè)試電壓進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試，對(duì)測(cè)試結(jié)果中單位長(zhǎng)度絕緣電阻值偏低的區(qū)段進(jìn)行重點(diǎn)清查并處理，盡可能減少泄漏電流。寧波地鐵4 號(hào)線和鄭許市域鐵路均沒(méi)有設(shè)置固定式絕緣監(jiān)測(cè)裝置，需人工搬運(yùn)試驗(yàn)裝置進(jìn)行移動(dòng)測(cè)試。

5 結(jié)語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外鋼輪制式地鐵線路絕大多數(shù)采用走行軌兼做回流軌方案，既可節(jié)省工程投資，又能減少運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量、降低運(yùn)營(yíng)成本。但其走行軌對(duì)地泄漏電阻值隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加而逐漸減小，導(dǎo)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(lái)的雜散電流問(wèn)題，在地鐵工程中采用回流軌技術(shù)是必要和可行的［10］。

本文立足于我國(guó)地鐵發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)裝備水平，為避免雜散電流對(duì)沿線管線和設(shè)施產(chǎn)生的不利影響，推薦地鐵采用網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)。對(duì)于具體工程實(shí)踐，推薦如下應(yīng)用方案：專用回流軌結(jié)合接觸網(wǎng)電分段的位置設(shè)置電氣分段，以便于排查專用回流軌對(duì)地絕緣故障；在負(fù)極和地之間設(shè)置單向?qū)ㄑb置，以保證接觸網(wǎng)發(fā)生對(duì)地短路故障時(shí)，保護(hù)裝置能快速動(dòng)作切除故障；在牽引變電所設(shè)置絕緣監(jiān)測(cè)裝置，通過(guò)電力監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程調(diào)度方式定期監(jiān)測(cè)各區(qū)段專用回流軌對(duì)地的絕緣情況，及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，而后清查處理。

目前國(guó)內(nèi)外地鐵均無(wú)網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)的成熟運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，寧波地鐵4 號(hào)線剛于2020 年12 月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，鄭許市域鐵路也還在建設(shè)中，其應(yīng)用方案還需在工程實(shí)踐中逐步優(yōu)化和完善。