黃江偉 李守杰 王 龍

(1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司，315101，寧波；2.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，300250，天津∥第一作者，高級(jí)工程師)

根據(jù)正線、場(chǎng)段內(nèi)實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示，已開(kāi)通運(yùn)行的城市軌道交通線路軌道對(duì)地過(guò)渡電阻，正線的不足5 Ω·km，停車場(chǎng)車輛段的更是不足1 Ω·km。由此可見(jiàn)，過(guò)低的過(guò)渡電阻是雜散電流泄漏的主要原因。以寧波市軌道交通1號(hào)線為例，受軌道交通雜散電流影響，江南停車場(chǎng)附近燃?xì)夤艿赖仉娢怀霈F(xiàn)了較大波動(dòng)，并超出了管道要求值。經(jīng)深入了解和實(shí)際測(cè)試和研究分析，證實(shí)雜散電流主要是從正線變電所泄漏，并經(jīng)大地、沿線金屬管線及結(jié)構(gòu)鋼筋流入線路停車場(chǎng)及車輛段，再?gòu)膱?chǎng)段內(nèi)鋼軌流回正線牽引變電所。為徹底解決雜散電流腐蝕及影響，引入專用軌回流供電系統(tǒng)。

1 不同回流方式分析

城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)主要由牽引整流機(jī)組、直流開(kāi)關(guān)柜、上網(wǎng)電纜及隔離開(kāi)關(guān)、牽引網(wǎng)和回流網(wǎng)組成，回流方式有走行軌回流和專用軌回流兩種方式。專用軌回流供電系統(tǒng)正極可采用架空接觸網(wǎng)或接觸軌，負(fù)極設(shè)置單獨(dú)的回流接觸軌。

1.1 走行軌回流方式

走行軌回流方式是利用走行軌(鋼軌)回流，走行軌安裝采用絕緣方式。但受環(huán)境條件、施工條件、工期等多方面因素影響，走行軌安裝完畢后，其絕緣水平達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的15 Ω·km，導(dǎo)致部分回流電流經(jīng)走行軌向道床及其它金屬結(jié)構(gòu)回到負(fù)極柜，從而產(chǎn)生雜散電流并形成雜散電流腐蝕。圖1為走行軌回流直流供電系統(tǒng)組成示意圖。

圖1 走行軌回流直流供電系統(tǒng)組成示意圖

1.2 專用軌回流方式

專用軌回流是增加單獨(dú)的專用回流介質(zhì)并采用絕緣方式安裝，走行軌只起車輛導(dǎo)向作用。絕緣方式安裝采用絕緣子或復(fù)合材料絕緣支架。專用軌絕緣效果遠(yuǎn)高于走行軌絕緣效果。專用軌回流直流供電系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 專用軌回流直流供電系統(tǒng)組成示意圖

1.3 專用軌回流適用性分析

目前，國(guó)內(nèi)外的專用軌回流方式主要有傳統(tǒng)“四軌”方案[2]、膠輪“四軌”方案及跨坐式單軌方案。上述方案在牽引所布點(diǎn)、載客量、隧道斷面開(kāi)挖、線路轉(zhuǎn)彎及爬坡能力上均有特殊要求，不適用于常規(guī)城市軌道交通工程。傳統(tǒng)“四軌”方案的供電電壓低、牽引變電所布點(diǎn)有所增加；且供電軌和回流軌并排安裝在走行軌側(cè)，限界范圍大；地下段需增大隧道開(kāi)挖斷面。膠輪“四軌”方案的運(yùn)量低，不適用于大城市建設(shè)；跨坐式單軌方案具有運(yùn)量大、爬坡能力強(qiáng)及轉(zhuǎn)彎半徑小的特點(diǎn)，但比較適用于地面線路。上述三種專用軌回流方案均有其特殊適用范圍。本文提出了采用架空接觸網(wǎng)結(jié)合專用軌回流的城市軌道交通供電系統(tǒng)方案。

架空接觸網(wǎng)授流與專用軌回流相結(jié)合的供電方式具體為：架空接觸網(wǎng)系統(tǒng)采用傳統(tǒng)DC 1 500 V剛性或柔性懸掛，設(shè)置全線貫通的專用回流軌作為回流通路；車輛采用鋼輪，并增設(shè)回流靴，車內(nèi)設(shè)置負(fù)極貫通母線；回流軌參考供電方案中接觸軌相關(guān)技術(shù)要求設(shè)置；全線鋼軌焊接連接并在變電所內(nèi)可靠接地；各牽引變電所處設(shè)置單向?qū)ㄑb置[3]，接于地網(wǎng)母排與專用回流軌之間。

2 專用軌回流供電系統(tǒng)性能分析

2.1 供電系統(tǒng)

2.1.1 牽引變電所布點(diǎn)

傳統(tǒng)牽引變電所布點(diǎn)主要受牽引網(wǎng)電壓降及鋼軌電位[4]兩個(gè)因素限制。一般電壓降需滿足網(wǎng)壓1 000 V、軌電位不超過(guò)90 V要求。采用專用軌回流后，不再考慮鋼軌電位，只考慮牽引網(wǎng)壓。目前2 500 A載流量的第三軌電阻為0.008 3 Ω/km，60 kg/m鋼軌的電阻為0.036 0 Ω/km，回流軌電阻約是鋼軌的三分之一。根據(jù)模擬計(jì)算，以走行軌為回流的牽引供電系統(tǒng)，牽引變電所布點(diǎn)間距在2.8～3.0 km之間；采用專用軌回流后，牽引變電所間距可在3.5～5.0 km之間。因此采用專用軌回流不僅能減少牽引變電所布點(diǎn)，還可減少相關(guān)土建面積，節(jié)省投資，優(yōu)勢(shì)明顯。

以寧波軌道交通4號(hào)線為例，根據(jù)原初步設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)方案及模擬計(jì)算結(jié)果，全線正線需設(shè)牽引降壓混合變電所14座，采用專用軌回流方案后4號(hào)線正線可減少3座牽引變電所，即正線設(shè)置11座牽引變電所即可滿足供電需求。牽引網(wǎng)正極維持DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)方式不變。模擬計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 寧波軌道交通4號(hào)線牽引所仿真模擬計(jì)算結(jié)果(按30對(duì)/h模擬)

2.1.2 雜散電流防護(hù)

采用專用軌回流供電系統(tǒng)方案后，全線回流軌采用絕緣方式安裝，基本無(wú)雜散電流泄漏，變電所內(nèi)也無(wú)需再設(shè)置雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，鋼軌無(wú)需進(jìn)行雜散電流泄漏防護(hù)，可降低運(yùn)維工作量。

2.2 軌道系統(tǒng)

鋼軌只作為行車導(dǎo)向作用，不作為回流系統(tǒng)的一部分，因此對(duì)軌道的縱向電阻、接頭焊接和鋼軌安裝要求等大大降低，只需考慮鋼軌本體剛性和鋼軌使用壽命。取消了道床內(nèi)排流網(wǎng)鋼筋，取消了鋼筋間焊接要求，取消了相關(guān)排流網(wǎng)連接端子和雜散電流測(cè)試端子。

2.3 站臺(tái)門

采用專用軌回流供電系統(tǒng)后，鋼軌、站臺(tái)門均與接地網(wǎng)可靠連接，形成等電位體，故無(wú)需再設(shè)置站臺(tái)門絕緣帶，更加提高了乘客乘車安全性。

3 專用軌回流直流牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 牽引變電所設(shè)計(jì)

采用專用軌回流供電系統(tǒng)方案后，回流軌與走行軌分離?？紤]架空接觸網(wǎng)在區(qū)間斷線后會(huì)搭在鋼軌或回流軌上這一實(shí)際情況，在原變電所設(shè)計(jì)方案中增設(shè)帶泄漏電流監(jiān)測(cè)元件的負(fù)地單向?qū)ㄑb置(見(jiàn)圖3)，裝置一端連接變電所負(fù)極母線，另一端與接地網(wǎng)連接。導(dǎo)通方向由鋼軌側(cè)導(dǎo)向負(fù)極母線側(cè)，為接觸網(wǎng)發(fā)生接地故障后提供短路通路，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)可靠動(dòng)作。

圖3 負(fù)地單向?qū)ㄑb置

另外全線鋼軌焊接連接成電氣貫通長(zhǎng)軌，采用魚(yú)尾板連接的鋼軌接頭處用電纜連接完成。鋼軌在每個(gè)變電所內(nèi)通過(guò)電纜與車站接地網(wǎng)可靠連接。接地保護(hù)故障方案分析如下：牽引網(wǎng)正極(接觸網(wǎng))對(duì)架空地線、鋼軌發(fā)生接地故障(F1)；牽引網(wǎng)正極(接觸網(wǎng))對(duì)車輛殼體發(fā)生接地故障(F2)；車輛內(nèi)正極對(duì)車輛殼體發(fā)生接地故障(F3)；車輛內(nèi)正負(fù)極對(duì)車輛殼體絕緣不良或絕緣支架絕緣不良(F4)；直流設(shè)備內(nèi)正極對(duì)設(shè)備外殼短路(F5)。各種短路情況如圖4所示。

圖4 專用軌回流各種短路示意圖

F1、F2、F3發(fā)生接地故障與走行軌回流系統(tǒng)繼電保護(hù)方案[5]一致，短路電流通過(guò)鋼軌、架空地線、車殼和接地網(wǎng)等流入負(fù)地單向?qū)ㄑb置再流回負(fù)極，保護(hù)裝置動(dòng)作。F4屬于車輛內(nèi)正負(fù)極對(duì)車輛殼體絕緣不良或回流軌支架絕緣不良，此時(shí)對(duì)地單向?qū)ㄑb置內(nèi)流過(guò)電流，監(jiān)測(cè)元件監(jiān)測(cè)到信號(hào)并發(fā)出報(bào)警，為檢修人員查找泄漏點(diǎn)提供依據(jù)。F5屬于正常的直流設(shè)備對(duì)外殼短路，傳統(tǒng)框架電壓和電流元件保護(hù)即可實(shí)現(xiàn)故障切除。

3.2 專用回流軌設(shè)計(jì)

1)專用軌回流系統(tǒng)：其組成包括專用回流軌、魚(yú)尾板及緊固件、膨脹接頭、防爬器(中心錨結(jié))、端部彎頭(高速和低速兩種)、電纜連接板及電纜連接螺栓、絕緣支撐和防護(hù)罩及其支架等。

2)專用回流軌安裝位置：正線專用回流軌地下區(qū)段一般安裝在線路行車方向的左側(cè)，高架及敞開(kāi)段區(qū)間設(shè)置在行車方向右側(cè)。在遇到道岔以及安裝條件限制時(shí)，考慮進(jìn)行換邊敷設(shè)，專用回流軌的授流面[6]與鋼軌軌面連線始終保持平行。專用回流軌安裝位置根據(jù)車輛選型、受流器安裝位置和牽引網(wǎng)額定電壓等因素確定。專用回流軌的安裝位置按專用回流軌授流面距走行軌軌面連線的高度為140 mm，專用回流軌中心距鋼軌軌面連線中心距離為1 417.5 mm。

3)專用回流軌安裝設(shè)計(jì)：全線采用整體絕緣支架進(jìn)行固定安裝。專用回流軌支撐跨距一般按3～5 m間隔進(jìn)行布置，在端部彎頭和膨脹接頭處應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行布置。專用回流軌的標(biāo)準(zhǔn)制造長(zhǎng)度一般為15 m，正線、停車場(chǎng)及車輛段根據(jù)線路中的實(shí)際布置情況進(jìn)行配軌，以減少切軌數(shù)量。普通連接接頭通過(guò)魚(yú)尾板方式將標(biāo)準(zhǔn)成品專用回流軌以及專用回流軌與端部彎頭進(jìn)行固定連接，連接處兩軌之間的縫隙不應(yīng)大于2 mm。

膨脹接頭采用整體式結(jié)構(gòu)，設(shè)置于錨段中部。膨脹接頭伸縮長(zhǎng)度需滿足專用軌回流隨環(huán)境溫度和運(yùn)行溫度條件下的伸縮要求。兩組中心錨結(jié)之間的專用回流軌稱為一個(gè)錨段，錨段長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)接觸軌的溫度伸縮補(bǔ)償范圍來(lái)確定，地面及高架段錨段長(zhǎng)度一般不大于75 m，地下隧道內(nèi)錨段長(zhǎng)度一般不大于90 m。為保證列車回流靴平滑過(guò)渡，在專用回流軌的終端設(shè)置具有適量坡度的端部彎頭。正線專用回流軌采用高速?gòu)濐^，其坡度能夠適應(yīng)車速 80 km/h的運(yùn)行要求，通過(guò)區(qū)段采用低速端部彎頭。

4)斷口設(shè)置：機(jī)械分段主要指專用回流軌自然斷開(kāi)，斷口兩端專用回流軌用電纜進(jìn)行電氣連接，以實(shí)現(xiàn)斷口電氣連通。人防門及場(chǎng)段平交道口等處，斷口長(zhǎng)度根據(jù)人防門工作區(qū)域及平交道寬度等情況確定。專用回流軌在電分段處、道岔區(qū)段、人防門處、車場(chǎng)內(nèi)平交道口及車庫(kù)庫(kù)房?jī)?nèi)等位置設(shè)置斷口。為了檢修維護(hù)方便，同時(shí)考慮系統(tǒng)的安全保護(hù)需要，專用回流軌需要設(shè)置電分段，不同電分段間利用機(jī)械分段進(jìn)行分隔。

5)回流軌絕緣支架安裝：在整體道床及高架軌道梁區(qū)段，支架安裝采用現(xiàn)場(chǎng)打孔后擴(kuò)底，用錨栓固定；在碎石道床區(qū)段，在軌枕上預(yù)留安裝孔，后期在現(xiàn)場(chǎng)用螺栓固定。

6)場(chǎng)段內(nèi)專用回流軌設(shè)置方案：在場(chǎng)段電化范圍股道進(jìn)行專用回流軌設(shè)置，可避免因在場(chǎng)段出入線設(shè)置回流轉(zhuǎn)換段而影響運(yùn)營(yíng)出車效率。按照回流通路考慮，在庫(kù)內(nèi)外設(shè)置專用軌時(shí)不需進(jìn)行線間距調(diào)整。為便于庫(kù)內(nèi)運(yùn)營(yíng)檢修及巡視，在停車列檢庫(kù)內(nèi)，專用回流軌的設(shè)置考慮間斷設(shè)置；在檢修庫(kù)內(nèi)，設(shè)置一段滿足回流的專用軌。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，采用專用軌回流供電系統(tǒng)可以從源頭杜絕雜散電流的產(chǎn)生，不僅能夠解決對(duì)城市軌道交通內(nèi)部結(jié)構(gòu)鋼筋及對(duì)周邊金屬管線的腐蝕，還能降低工程施工難度；更重要的是，在后期運(yùn)行過(guò)程中無(wú)需對(duì)雜散電流泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不用對(duì)鋼軌絕緣進(jìn)行維護(hù)；另外，可減少牽引變電所布點(diǎn)，取消雜散電流監(jiān)測(cè)及排流網(wǎng)設(shè)置，取消站臺(tái)門絕緣帶。雖然會(huì)增加部分投資，但具有非常良好的社會(huì)效益，還大大降低了施工和運(yùn)營(yíng)的難度，是目前解決國(guó)內(nèi)城市軌道交通雜散電流問(wèn)題最有效方案。