【技术前沿】城市轨道交通四轨供电方式探讨

城市轨道交通四轨供电方式探讨目前国内城市轨道交通牵引供电系统普遍采用走行轨回流。但现有的走行轨安装形式很难做到对大地的完全绝缘，故在牵引供电系统中不可避免地存在着杂散电流。虽然在地铁设计和建设中考虑了诸多杂散电流的腐蚀防护措施，但均不能彻底解决杂散电流的产生及危害问题。杂散电流的危害及防护措施1.1杂散电流的产生与危害图1杂散电流示意图随着地铁运营时间的推移，提供供电回流通道的走行轨不可避免地受到粉尘、潮湿、积水，以及走行轨打磨作业产生的金属粉末等不利因素影响，其对大地绝缘性能大幅降低，经由走行轨泄漏到大地中的杂散电流也随之增大，杂散电流流向不固定，哪里电位低就流向哪里，哪里电阻率低就流向哪里。这些杂散电流所产生的电化学腐蚀，直接影响地铁土建结构的安全和使用寿命。此外，泄露的杂散电流将在走行轨和道床或地面之间产生电位差，严重的会使站台上的乘客有触电的危险。1.2一般防护措施及存在问题为抑制杂散电流腐蚀的影响，传统的处理方法通常采用堵、排、测3种主要手段。其中“堵”是要增加钢轨对地绝缘，使钢轨回流系统形成悬浮系统。“排”是通过设置排流网与排流柜来减少杂散电流对金属结构的腐蚀，但不能从根本上解决杂散电流的腐蚀影响，随着运营年代的增加，杂散电流将越来越大。“测”则是通过对收集网电流的测量来决定排流柜的投入。由于传统的直流供电模式决定了杂散电流产生的必然性，虽然采取了各种措施，但随着运行年代的增加，各种绝缘材料的绝缘性能逐渐下降，钢轨泄漏电阻越来越小，杂散电流会越来越大。一般存在以下问题：（1）钢轨电位高。由于杂散电流增大，导致钢轨与大地之间压降越来越大，目前国内已经运行的地铁均发现钢轨的实际电位比设计值高很多，导致钢轨电位限制装置频繁动作。图2杂散电流电腐蚀示意图图3钢轨电位分布示意图（2）排流柜增加了杂散电流总量。排流装置，一端通过电缆与牵引变电所负极柜相连，另一端与排流网的收集端子相连。排流柜主回路的核心元件为硅二极管，当检测到区间杂散电流大于设定值时，利用二极管正向导通反向截止的特性，实现了杂散电流的极性排流。然而，当牵引变电所负极母排通过排流柜与道床结构钢筋（即排流网）电气连通后，原负极母排的负电位因钳制作用而接近零电位，使得两个牵引变电所之间的电位增加，几乎全称为阳极区。这样两个牵引所之间钢轨腐蚀将更加严重。（3）综合管线绝缘安装的工程难度。为避免杂散电流腐蚀，地铁沿线各种类型的综合管线宜尽量采用绝缘安装，但绝缘安装不但增加了工程投资，而且如电缆支架的接地扁钢全线贯通，因功能上的需求，很难做到全部绝缘安装，特别是这几年地铁工程的建设与城市建设的结合越来越紧密，有些车站的建筑需进行综合商业开发，建筑体量很大，其中钢筋密布，难以做到车站结构钢筋与其他结构钢筋绝缘，因此如今大型地铁车站其结构的杂散电流防护措施成为目前难以解决的问题。第四轨牵引供电技术方案综上，电客车供电回流系统中杂散电流是在从轮对到走行轨轨到回流电缆这个环节中产生的，杂散电流防护系统也是根据种情况来设置的，无论此防护系统做得多么完美，随着时间的推移和相关设备老化、绝缘下降，多多少少都会产生杂散电流。我们大胆设想一下，如果我们将这个环节取消，从电客车牵引电机负极直接引到牵混所的负极母排，理论上就可以基本上避免杂散电流的产生。而采用绝缘安装的专用回流轨（即第四轨）进行牵引回流，相当于将牵引变电所里负极柜的负极母排直接搬到了轨行区里。要在传统轮轨轨道交通基础上发展第四轨牵引供电系统，可以借鉴国内第三轨牵引供电系统建设经验。由于牵引轨（第三轨）和回流轨（第四轨）同样肩负着与列车电流的传递，可采用相同类型的钢铝复合轨参照使用。第四轨牵引供电系统的安装有如下两种基本方案:1、在架空接触网牵引供电系统中，加入绝缘安装的第四轨构成网轨混合牵引供电系统。采用此方案后，架空接触网供电模式基本不变。第四轨按照悬挂安装位置可分为第四轨安装于线路的中心或者安装于线路的侧面。以宁波地铁4号线为例，宁波4号线采用的第四轨牵引供电方案，为“架空接触网+专用回流轨”网轨混合牵引供电系统技术方案，如图所示。图4架空接触网+回流轨此种方案的优势在于：（1）彻底解决了杂散电流腐蚀问题。由于实现了接触网及专用回流轨对其他金属设备设施完全绝缘，取消了对相关设备设施的杂散电流腐蚀防护要求，只要求专用回流轨采用绝缘安装，结构工程的实施变得更加简单；（2）能保证工程实施的相关技术成熟。国内DC1500V架空接触网和DC1500V接触轨的建设和运营已有相当成功的经验可以借鉴；（3）由于正常情况下走行轨没有牵引电流通过，轨电位的问题也彻底得到了解决。牵引变电所的布置方案只需满足牵引网电压的要求，牵引变电所数量会相对减少。不足之处在于搭建第四轨时会出现安装限界不足的问题，并且投入运营后供电专业在原来传统维护基础上增加维护任务和成本。2、在第三轨牵引供电系统中，加入同样绝缘安装的第四轨构成四轨牵引供电系统，分为正极轨与负极轨。以上海地铁浦江线为例，浦江线采用的是正、负极供电轨以及接地轨安装于轨道中央，正负极供电轨位于车辆底部左右侧的集电靴受流，接地轨通过车辆接地靴接触为车体提供可靠接地。如图所示。图5正负极轨安装形式此种方案优势在于：（1）与第一种方案一样，使用绝缘安装的第四轨回流，彻底解决杂散电流腐蚀问题，此外不同于常规第三轨供电系统中正极电压为DC+750V，四轨系统中可以设置正极轨工作在DC+375V，负极轨工作在DC－375V。由于负极轨工作在DC－375V，接地系统的电压为0，此时接地的导向轨是相对于负极的较高电位，从而也降低了系统产生杂散电流的可能；（2）四轨供电系统通过专用的接地轨设计，从根源上解决了传统地铁中存在的跨步电压危险，站台门框架无需绝缘安装，变电所内直流设备无需框架保护装置，车站也无需设置轨电位限制系统，降低了系统建设成本；（3）因为四轨系统中负极轨对地绝缘，因此在电压设置上可采用±375V模式，牵引整流器输出的正、负极两相分别通过一个750Ω的接地电阻进行接地。该接地电阻将牵引整流器的DC750V输出电位钳制在±375V。当DC±375V供电系统发生单极供电轨故障接地后，其电压将被限制为0，其与另一极之间的压差仍然保持为750V，不会影响电客车正常运行，具备在单极接地故障情况下不影响列车运行的能力，极大地保障了列车运行。不足之处在于四轨供电系统送电后轨行区有极大触电风险，需严格加强安全管理。图4整流器输出电阻连接示意图结语第四轨技术与架空接触网或第三轨牵引供电制式有效结合，可有效减少杂散电流，发展前景广阔。对于地铁新线而言，可采取第三轨第四轨并行供电方式，可减少轨道交通相关防排杂散电流的设备系统，减少了轨道交通线路建设及运营维护成本，消除了许多设备设施的安全隐患