燕振剛，田廣輝，陳顯志

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031）

1 引言

目前，城市軌道交通直流供電系統(tǒng)正極授流方式主要有架空接觸網(wǎng)和第三軌授流，負極以走行軌回流方式為主，鋼軌采用絕緣安裝。受潮濕環(huán)境、材料性能、施工及粉塵等多種因素影響，鋼軌對地絕緣水平有限，線路開通之初鋼軌對地過渡電阻很難達到15 Ω·km[1]，運營幾年后，地下段鋼軌對地過渡電阻減小到0.8～3.0 Ω·km，場段內(nèi)電阻下降更為顯著[2]。鋼軌對地過渡電阻降低會使本應(yīng)從鋼軌直接流向負極柜的電流有一部分通過道床結(jié)構(gòu)鋼筋流向了大地，流向大地的大部分雜散電流再經(jīng)過其他路徑回流到變電所負極柜，回流路徑如通過結(jié)構(gòu)鋼筋、周圍埋地金屬管網(wǎng)、燃氣油氣管線和屏蔽網(wǎng)等。雜散電流在途經(jīng)這些介質(zhì)時會對其產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，嚴重情況下會造成災(zāi)難性后果。

實踐驗證，通過增加鋼軌對地絕緣水平、增設(shè)排流網(wǎng)、減小縱向電阻及定期清掃等措施很難徹底根治電流泄漏的難題。國內(nèi)外研究表明，基于三軌供電技術(shù)衍生而來的專用軌回流，采用絕緣支架安裝，對地過渡電阻理論值可以達到MΩ·km 級，能徹底解決雜散電流的泄漏。

2 專用軌回流與走行軌回流區(qū)別

2.1 牽引供電系統(tǒng)組成

城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)主要是由整流機組、開關(guān)柜、上網(wǎng)隔離開關(guān)、正極架空接觸網(wǎng)或接觸軌、機車、負極回流、負極柜等構(gòu)成。

在走行軌回流方式下，需設(shè)置軌電位限制裝置、排流柜、雜散電流檢測裝置、雜散電流收集網(wǎng)等，走行軌回流示意如圖1 所示。

圖1 走行軌回流示意圖

采用專用軌回流方式，取消雜散電流收集網(wǎng)、雜散電流監(jiān)測裝置、排流柜、軌電位限制裝置等，增設(shè)地-負單向?qū)ㄑb置+泄漏電流監(jiān)測元件、專用軌接地裝置等，專用軌回流示意如圖2 所示。

圖2 專用軌回流示意圖

其中，專用軌是在第三軌供電技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要包括鋼鋁復(fù)合軌、魚尾板及緊固件、膨脹接頭、防爬器、端部彎頭、電纜連接板及電纜連接螺栓、絕緣支撐和防護罩及其支架等。

2.2 牽引所間距

在走行軌回流方式下，牽引變電所布點間距受接觸網(wǎng)末端壓降和軌電位大小制約，正常雙邊供電運行時，站臺處鋼軌對地電位不應(yīng)大于120 V，場段庫內(nèi)股道鋼軌對地電位不應(yīng)大于60 V[3]。受以上條件約束牽引所間距一般為1.5～3.0 km。

采用專用軌回流方式，軌電位不再是制約因素，僅需要考慮接觸網(wǎng)末端壓降的影響。由于專用軌回路阻抗比鋼軌減小約40%[4]，因此牽引變電所間距可增大到2.5～4.0 km[5]，變電所數(shù)量減少約為35%。

2.3 雜散電流防護

在走行軌回流方式下，雜散電流防護普遍采用的措施：一是利用道床結(jié)構(gòu)鋼筋作為收集網(wǎng)，收集雜散電流通過排流柜回到變電所負極；二是減小鋼軌縱向電阻，使用大截面鋼軌并焊接為長軌，鋼軌間增加并聯(lián)電纜和軌縫連接電纜；三是減小電流泄漏及對周圍介質(zhì)的影響，縮短牽引所間距；四是鋼軌增設(shè)絕緣墊，增大鋼軌對地絕緣電阻；五是在庫內(nèi)外間、出入線上場段與正線分界等處設(shè)置鋼軌絕緣節(jié)和單向?qū)ㄑb置約束電流流向。為更有效遏制場段雜散電流和列車過出入線分界點處絕緣節(jié)打火的危害，文獻[6]在出入線上分界點處設(shè)置觸發(fā)式單向?qū)ㄑb置，當有列車通過時導(dǎo)通，無列車通過時截斷，有效抑制打火問題。文獻[7]在出入線上采用“雙絕緣節(jié)+定向?qū)ㄑb置”方案，能夠有效切斷正線電流泄漏至場段的回路。但上述防護措施依然是采取“以堵為主、以排為輔”的原則，很難從根本上解決雜散電流的泄漏。

采用專用軌回流方式，因使用整體絕緣支架安裝，對地絕緣電阻大，可以徹底杜絕雜散電流的泄漏。

2.4 接地方式

在走行軌回流方式下，鋼軌絕緣安裝，對地間有電壓。由于車體與鋼軌等電位，在沒有安全措施的情況下，站臺門與站臺土建結(jié)構(gòu)等電位，當乘客同時接觸到車體和站臺門時，車、人、站臺門和大地會形成電流回路，威脅乘客的安全。同時，車體與站臺板存在電位差，乘客上下車時會形成“跨步電壓”[8]。因此，站臺門宜與車體保持等電位，其接地要求詳見GB 50157-2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》[9]，同時要求自站臺邊緣起向內(nèi)1 m 范圍的站臺板地面裝飾層下應(yīng)進行絕緣處理。

采用專用軌回流方式，車體與回流靴間絕緣，鋼軌、站臺門等均直接與綜合接地網(wǎng)相連，形成等電位體，不再有跨步電壓的危害，因此，站臺邊緣絕緣帶可以取消設(shè)置。專用軌在車站設(shè)置接地裝置，用于檢修維護和人員疏散時安全接地使用。

2.5 接地保護

在走行軌回流方式下的接地保護主要是采用框架泄漏保護，由電流測量元件和電壓測量元件組成。電流測量元件一端接設(shè)備外殼，一端接地，用于檢測設(shè)備外殼與大地之間的故障電流。電壓測量元件一端接設(shè)備外殼，一端接負極，用于測量設(shè)備外殼與負極之間的電壓[10]。

在專用軌回流方式下，走行軌直接接地，當接觸網(wǎng)發(fā)生對地短路時，因?qū)Ｓ密壗^緣安裝對地電阻大，導(dǎo)致故障短路電流小，斷路器無法及時動作切斷故障。文獻 [11]提出在走行軌與專用軌之間設(shè)置地-負單項導(dǎo)通裝置+泄漏電流監(jiān)測元件，為短路電流提供通路，該裝置能有效減小短路時的阻抗，增大故障短路電流，可使饋線斷路器及時動作切除故障。走行軌與鋼軌之間增設(shè)該裝置后，當發(fā)生接觸網(wǎng)對走行軌、架空地線、車輛殼體、直流設(shè)備正極對殼體、車輛正極對殼體、車輛正負極之間發(fā)生短路故障時，直流饋線斷路器均能選擇性動作，接地保護方案與走行軌回流方式下一致。

2.6 列車檢修靜態(tài)調(diào)試

列車檢修后需要進行靜態(tài)調(diào)試（以下簡稱“靜調(diào)”），在走行軌回流方式下，變電所送電到靜調(diào)電源柜，列車從靜調(diào)電源柜取電，電流經(jīng)列車電機、輪對與鋼軌回到變電所負極，完成列車靜調(diào)試驗。

采用專用軌回流方式，一般庫前專用軌電分段與正極接觸網(wǎng)分段要對齊，并通過帶接地刀閘的雙極手動隔離開關(guān)連通，實現(xiàn)正負極的同步斷開和接通。列車靜調(diào)前，庫內(nèi)正極接觸網(wǎng)需斷電，此時庫內(nèi)負極專用軌同步與庫外專用軌斷開，列車靜調(diào)電流無法經(jīng)專用軌回到變電所負極。文獻[12]提出2 種方案：一是改造靜調(diào)電源柜，在靜調(diào)電源柜上增設(shè)負極輸入和輸出端，輸出端與庫外靜調(diào)股道旁專用軌連接，輸入端與變電所負極柜連接，構(gòu)成調(diào)試回流通路[13]；二是在列車上增設(shè)負極回流插孔，靜調(diào)電源柜改造為雙極，靜調(diào)時列車從靜調(diào)柜正極取流，經(jīng)列車回到靜調(diào)柜負極，再通過電纜回流到變電所負極柜。為節(jié)省電纜，本研究認為可以將有靜調(diào)功能的股道庫前雙極手動隔離開關(guān)改為單極開關(guān)，正負極電分段分別控制斷開和接通，實現(xiàn)靜調(diào)時庫外與庫內(nèi)專用軌接通。為保證靜調(diào)時人員的安全，在對應(yīng)回流分區(qū)專用軌上設(shè)置軌電位限制裝置，平時不投用，只在靜調(diào)時投用。

2.7 限界

本節(jié)討論DC1500V 供電制式下，隧道內(nèi)徑為5 500 mm 時的限界區(qū)別。

在走行軌回流方式下，5 500 mm 盾構(gòu)內(nèi)徑能夠滿足導(dǎo)高4 050 mm 的架空剛性接觸網(wǎng)的安裝要求。在專用軌回流方式下，當回流接觸面為下接觸式時，專用軌中心線至相鄰走行軌內(nèi)側(cè)工作邊的水平距離，A 型車為832.5 mm、B 型車為752.5 mm，專用軌頂面至走行軌頂面的垂直高差為200 mm。如將排水管和消防水管布置在同側(cè)，5 500 mm 盾構(gòu)內(nèi)徑能夠滿足下接觸式專用軌的安裝，限界示意如圖3 所示。當回流接觸面為上接觸式和側(cè)向接觸式時，安裝空間要求均小于下接觸式。因此，當正極采用架空接觸網(wǎng)，負極采用專用軌回流時，5 500 mm 盾構(gòu)內(nèi)徑滿足專用軌安裝限界要求。

圖3 專用軌回流直線段圓形隧道建筑限界圖（單位：mm）

當正極采用三軌供電，負極專用軌該如何布置以滿足限界和回流要求。針對該問題有以下幾種布置方案。

（1）供電軌于軌道側(cè)面布置、專用軌于軌道中間布置方案。因信號專業(yè)在軌道中間需設(shè)置應(yīng)答器，該情況下應(yīng)答器位置會與專用軌位置沖突。同時，由于庫內(nèi)軌道中間需設(shè)置檢查坑，同樣不滿足專用軌的安裝條件，因此該布置方案不可行。

（2）供電軌和專用軌分別于軌道兩側(cè)布置方案。首先，受制于列車同側(cè)只能有一種功能的靴，集電靴或者回流靴，供電軌或?qū)Ｓ密壷荒苁冀K布置在行車方向同一側(cè)，不能換邊。在道岔區(qū)，供電軌或?qū)Ｓ密売捎诓荒軗Q邊斷口長度較大，連續(xù)道岔無電區(qū)范圍增大，導(dǎo)致列車失電或不能回流的情況。其次，軌道兩側(cè)都布置，也不利于人員疏散時的安全，且絕緣支架數(shù)量增加1 倍，投資增加。再次，車輛折返存在雙向行車的可能，這需要列車兩側(cè)的靴具備授流與回流功能互相切換的能力，對列車的電氣系統(tǒng)要求高，較難實現(xiàn)。

（3）供電軌和專用軌于軌道同側(cè)架設(shè)方案。同側(cè)架設(shè)分為同側(cè)下接觸式、同側(cè)上接觸式和同側(cè)側(cè)向接觸式3 種情況[13]，如圖4～圖6 所示。同側(cè)同支架安裝，要保證供電軌和專用軌間距不小于150 mm才能滿足絕緣要求。但因二者間距較小，需要精確控制車輛集電靴和回流靴的抬升和降落高度，才能保證不發(fā)生誤接觸的問題。相對而言，側(cè)向接觸式由于集電靴和回流靴是水平方向的移動，更易控制。同時，地上段線路，受天氣影響嚴重，間距較小易發(fā)生短路故障。而且同側(cè)架設(shè)方案因其整體安裝高度較高，對車輛設(shè)備限界、授流結(jié)構(gòu)形式的影響較大。因此，在工程中很難推廣應(yīng)用。

圖4 同側(cè)下接觸式示意圖（單位：mm）

圖5 同側(cè)上接觸式示意圖（單位：mm）

（4）負極專用軌采用架空接觸網(wǎng)的方案。該方案是將正極架空網(wǎng)供電+負極專用軌回流進行功能互換，對限界、車輛電氣系統(tǒng)等影響均較小。對于已采用第三軌供電的線路，受雜散電流危害影響，需要改造為專用軌回流，可以考慮架設(shè)接觸網(wǎng)作為回流軌，方案可實施性較高。

2.8 車輛

采用專用軌回流方式，車輛相較于走行軌回流方式需要做如下改造。

（1）在轉(zhuǎn)向架上增設(shè)回流靴，與專用軌接觸，流過電機的電流經(jīng)回流靴到專用軌上，最終回到整流器負極。

（2）走行軌回流方式下，工作回流與車輛的保護接地全部通過車輪和走行軌實現(xiàn)，兩者之間不需要隔離。采用專用軌回流方式，要確保專用軌電流不向走行軌泄漏，要求車輛的工作接地和保護接地之間進行絕緣隔離，并設(shè)置絕緣監(jiān)測裝置，用于監(jiān)測車輛內(nèi)部與負極母線的絕緣效果。

（3）為確保車輛經(jīng)過道岔區(qū)較長斷口位置時，回流通暢，車輛需設(shè)置貫通的負極回流母線將整列車的回流靴并聯(lián)起來。

（4）如果存在與走行軌回流方式的線路跨線運行時，車輛還需設(shè)置2 種回流方式轉(zhuǎn)換開關(guān)。

2.9 軌道設(shè)計

在走行軌回流方式下，鋼軌間設(shè)均流電纜，并需要絕緣安裝，滿足鋼軌對地過渡電阻應(yīng)不低于15 Ω·km。同時，利用道床內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋作為排流網(wǎng)，預(yù)留排流網(wǎng)連接端子和測試端子等，設(shè)置排流網(wǎng)會導(dǎo)致道床結(jié)構(gòu)鋼筋截面增加。

采用專用軌回流方式時，走行軌只起行車導(dǎo)向作用，不作為回流軌使用。鋼軌不需要絕緣安裝，采取直接接地，也徹底解決了軌電位的問題。同時，取消設(shè)置排流網(wǎng)，道床結(jié)構(gòu)鋼筋滿足鋼軌承載力要求即可。

3 正線負極專用軌電分段設(shè)置原則

走行軌的主要功能是列車的導(dǎo)向作用，兼做回流的功能，走行軌不分段。采用專用軌回流方式時，專用軌電分段有3種方案，如表1 所示。

表1 正線負極專用軌電分段設(shè)置方案

通過上述對比分析，目前工程中負極專用軌不分段應(yīng)用較多。由于道岔、人防門、防淹門處的機械斷口已經(jīng)相對較多，如再額外增設(shè)電分段，過多的斷口勢必會帶來異常磨耗、打火等問題，減少專用軌分段對運營維護更有利。

近年來，部分城市對故障狀態(tài)下組織臨時交路運行的需求越來越強烈，通常在有折返功能的車站一端或兩端設(shè)置正極接觸網(wǎng)電分段。當一端區(qū)間出現(xiàn)故障時，可通過調(diào)整開關(guān)開斷，切除故障區(qū)域，確保車站范圍內(nèi)和另一端區(qū)間的正極接觸網(wǎng)仍能正常帶電，列車在車站進行折返，組織臨時小交路運營，縮小故障影響范圍。當采用專用軌回流方式時，為縮小事故影響范圍及安全檢修需要，正負極故障切斷位置應(yīng)一致，只在有折返功能的車站，專用軌在與正極接觸網(wǎng)小交路電分段對齊位置處分段，其他位置不設(shè)專用軌分段，如圖7 所示。實現(xiàn)正負極同時切除故障區(qū)間，正負極電分段通過雙極電動隔離開關(guān)相連。

圖7 專用軌電分段與接觸網(wǎng)小交路電分段對齊示意圖（單位：m）

4 回流方式轉(zhuǎn)換段方案研究

目前，針對牽引供電系統(tǒng)正極供電制式不一致設(shè)置轉(zhuǎn)換段已經(jīng)有不少應(yīng)用案例，如DC1500V 直流供電制式與AC25kV 交流供電制式設(shè)置雙流制轉(zhuǎn)換段、架空接觸網(wǎng)與接觸軌過渡段設(shè)置網(wǎng)軌轉(zhuǎn)換段等。關(guān)于不同回流方式線路的互聯(lián)互通設(shè)置回流轉(zhuǎn)換段的工程案例比較少。

當采用專用軌回流的線路與走行軌回流的線路跨線運行時，首先車輛要具備2 種回流方式的切換功能。其次，在分界點處設(shè)置回流方式轉(zhuǎn)換段。

目前，實際應(yīng)用的回流方式轉(zhuǎn)換是采用停車、降弓方式來進行回流方式切換。車輛需首先在轉(zhuǎn)換段內(nèi)停車→降弓→切換回流方式轉(zhuǎn)換開關(guān)→升弓→啟動車輛，以上操作需司機人工操作完成[14]。轉(zhuǎn)換段具體設(shè)置情況如下：在鋼軌上設(shè)置2 處鋼軌絕緣節(jié)，形成專用軌回流段、轉(zhuǎn)換段、走行軌回流段三區(qū)段，轉(zhuǎn)換段鋼軌仍然絕緣安裝。鋼軌絕緣節(jié)1 與絕緣節(jié)2 的間距約等于列車總長+2×5 m。其中，絕緣節(jié)1 與接觸網(wǎng)分段、專用軌末端彎頭三者位置對齊。同時，在轉(zhuǎn)換段走行軌和專用軌之間設(shè)置單向?qū)ㄑb置，導(dǎo)通方向為走行軌→專用軌，目的是為取流與回流構(gòu)成的回路，遵循“從哪里來到哪里去”的原則[14]?；亓鞣绞睫D(zhuǎn)換段示意如圖8 所示。

圖8 回流方式轉(zhuǎn)換段示意圖（單位：m）

列車從專用軌回流方式往走行軌回流方式行進時。當列車轉(zhuǎn)換段內(nèi)停車后，先降弓，列車斷電，切換回流方式轉(zhuǎn)換開關(guān)，由專用軌回流切換為走行軌回流，再升弓，啟動列車。此時受電弓1 和2 都是從專用軌回流側(cè)接觸網(wǎng)上取流，由于已經(jīng)切換為走行軌回流方式，電流先經(jīng)走行軌→單向?qū)ㄑb置→專用軌回到變電所負極；當受電弓1 的動車完全通過分段后，則從走行軌側(cè)接觸網(wǎng)上取流，此時受電弓1 對應(yīng)的動車電流通過走行軌回到變電所負極，受電弓2 對應(yīng)的動車電流通過走行軌→單向?qū)ㄑb置→專用軌回到變電所負極。待受電弓2 的動車完全通過分段后，前后兩動車電流均通過走行軌回流。反向行駛，同理。

為提高通過效率，文獻[15]通過引入鐵路上列車斷電過分相技術(shù)理念，提出不停車轉(zhuǎn)換的方案，在2 個絕緣節(jié)附近各增設(shè)地面計軸設(shè)備，通過計軸設(shè)備信號判定列車是否完全駛進回流方式轉(zhuǎn)換段，如果判定信號為“是”，則觸發(fā)車輛受電弓斷路器分合閘、回流轉(zhuǎn)換開關(guān)動作，實現(xiàn)不停車回流方式的轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)語

在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，城市軌道交通供電系統(tǒng)的低碳節(jié)能有著極其重要的意義，有助于推動我國實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展。專用軌回流技術(shù)應(yīng)用不僅著眼于徹底解決雜散電流泄漏帶來的問題，其低電阻的特性，對系統(tǒng)節(jié)能和提高再生能量利用率有非常積極作用。

首先，直流供電制式下，采用專用軌回流方式，DC3000V 相較于DC1500V 牽引所間距提高近一倍，速度目標值可大于120 km/h，且2 種電壓等級絕緣水平相當。因此，“DC3000V 供電+專用軌回流”技術(shù)將是未來城市軌道交通研究的重要方向之一。其次，雙向變流技術(shù)的推廣應(yīng)用，可以實現(xiàn)全功率的列車牽引和制動能量自然雙向變流，顯著提升列車直流供電質(zhì)量，并達到節(jié)能目的。因此，DC1500V 供電制式下“雙向變流+專用軌回流”技術(shù)的研究和發(fā)展，將為城市軌道交通低碳節(jié)能做出重要貢獻。