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(wǎng)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(xiàn)有技術(shù)條件下予以實現(xiàn)。

關(guān)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(tǒng)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(gòu)件如結(jié)構(gòu)鋼筋、地下管線等產(chǎn)生嚴重的腐蝕，由于腐蝕的隱蔽性和突發(fā)性，一旦發(fā)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(jié)構(gòu)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(chǔ)上結(jié)合大量調(diào)查研究和實驗，才能提出有針對性地治理雜散電流的技術(shù)和方法，對新建的軌道交通系統(tǒng)，要在設(shè)計、施工兩個階段入手，從實際出發(fā)，根據(jù)不同的線路施工、地質(zhì)狀況以及供電方式相結(jié)合采取相應(yīng)的技術(shù)措施，才能減少雜散電流【1】。

2、傳統(tǒng)雜散電流防護的缺陷

由于傳統(tǒng)的直流供電模式?jīng)Q定了雜散電流產(chǎn)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(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前普遍存在以下幾方面問題：

（1）鋼軌電位高。目前國內(nèi)已運營的地鐵均發(fā)現(xiàn)鋼軌的實際電位比設(shè)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(tǒng)稱之為接地系統(tǒng)，在有電流從鋼筋沿排流電纜（經(jīng)二極管）流至負母排時，原來負母排的負電位變?yōu)榻咏汶娢唬瑥亩蜾撥壙v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(qū)，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(qū)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(shè)與城市發(fā)展的結(jié)合越來越緊密，有些車站的建筑需進行綜合商業(yè)開發(fā)，建筑體量很大，其中鋼筋密布，難以做到車站結(jié)構(gòu)鋼筋與其他結(jié)構(gòu)鋼筋絕緣，因此如今大型地鐵車站其結(jié)構(gòu)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(tǒng)的特點【2】

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，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(jié)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(tǒng)由于回流軌徹底與道床等設(shè)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(shè)施。

與傳統(tǒng)直流供電模式相比，四軌供電方式具有以下幾方面的優(yōu)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(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)以及高架結(jié)構(gòu)不再有雜散電流防護要求，結(jié)構(gòu)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(shè)備用房

（5）取消雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)

（6）取消鋼軌絕緣結(jié)，消除了機車過絕緣結(jié)產(chǎn)生火花現(xiàn)象

（7）取消了盾構(gòu)區(qū)間連接電纜

（8）金屬結(jié)構(gòu)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(shù)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(yōu)點，而接觸軌（第三軌）供電具有使用壽命長、維護量小等優(yōu)點，因此，國內(nèi)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(tǒng)，但尚無DC l500V電壓等級“四軌”系統(tǒng)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(tǒng)通常采用側(cè)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(xiàn)有普遍采用的Φ5500 mm盾構(gòu)斷面的建筑限界要求，因此不是最佳的方案，結(jié)合國外類似工程和國內(nèi)三軌工程的建設(shè)和運營經(jīng)驗，其接觸方式宜采用側(cè)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(zhuǎn)向架上，目前國內(nèi)尚無采用側(cè)部受流的車輛，因此采用四軌供電方式后，傳統(tǒng)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(cè)部受流比下部受流方式更容易實現(xiàn)。

（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(cè)部受流方式，其對人身的安全性相對降低，但目前國內(nèi)運營的三軌線路，其安全規(guī)章制度是健全的，有著嚴格的操作程序，同時，目前地鐵建設(shè)都考慮設(shè)有屏蔽門或安全門，區(qū)間也設(shè)有應(yīng)急疏散通道，乘客幾乎不可能誤入帶電區(qū)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(yīng)性，國內(nèi)采用三軌技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，對惡劣天氣具有較好的適應(yīng)性，特別是接觸軌均設(shè)有防護罩，在遇結(jié)冰等天氣時，下部接觸和側(cè)部接觸方式的線路可照常運行。

（5）國產(chǎn)化問題，由于四軌是三軌技術(shù)的變種，國內(nèi)用于三軌的接觸軌、防護系統(tǒng)、支撐結(jié)構(gòu)均有充足的技術(shù)儲備，實現(xiàn)國產(chǎn)化應(yīng)不存在困難。

5、投資分析

根據(jù)國內(nèi)地鐵工程的建設(shè)經(jīng)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(xiàn)有的三軌基礎(chǔ)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(jié)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(shù)不斷地發(fā)展，采用側(cè)或下接觸方式的四軌供電模式已經(jīng)具備了技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，筆者認為，將第四回流的優(yōu)越性與DC 1500V的優(yōu)越性很好地結(jié)合起來，雖然工程一次投資略有增加，但帶來的結(jié)構(gòu)壽命延長、消除很多設(shè)備和工程隱患等效益是現(xiàn)有技術(shù)所無法比擬的。

參考文獻：

[1]北京地下鐵道科學技術(shù)研究所，地鐵雜散電流防護技術(shù)規(guī)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(shù).現(xiàn)代城市軌道交通.2011.endprint