【技術(shù)前沿】城市軌道交通四軌供電方式探討

城市軌道交通四軌供電方式探討目前國內(nèi)城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)普遍采用走行軌回流。但現(xiàn)有的走行軌安裝形式很難做到對大地的完全絕緣，故在牽引供電系統(tǒng)中不可避免地存在著雜散電流。雖然在地鐵設(shè)計和建設(shè)中考慮了諸多雜散電流的腐蝕防護措施，但均不能徹底解決雜散電流的產(chǎn)生及危害問題。雜散電流的危害及防護措施1.1雜散電流的產(chǎn)生與危害圖1雜散電流示意圖隨著地鐵運營時間的推移，提供供電回流通道的走行軌不可避免地受到粉塵、潮濕、積水，以及走行軌打磨作業(yè)產(chǎn)生的金屬粉末等不利因素影響，其對大地絕緣性能大幅降低，經(jīng)由走行軌泄漏到大地中的雜散電流也隨之增大，雜散電流流向不固定，哪里電位低就流向哪里，哪里電阻率低就流向哪里。這些雜散電流所產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕，直接影響地鐵土建結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命。此外，泄露的雜散電流將在走行軌和道床或地面之間產(chǎn)生電位差，嚴(yán)重的會使站臺上的乘客有觸電的危險。1.2一般防護措施及存在問題為抑制雜散電流腐蝕的影響，傳統(tǒng)的處理方法通常采用堵、排、測3種主要手段。其中“堵”是要增加鋼軌對地絕緣，使鋼軌回流系統(tǒng)形成懸浮系統(tǒng)。“排”是通過設(shè)置排流網(wǎng)與排流柜來減少雜散電流對金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕，但不能從根本上解決雜散電流的腐蝕影響，隨著運營年代的增加，雜散電流將越來越大?！皽y”則是通過對收集網(wǎng)電流的測量來決定排流柜的投入。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，但隨著運行年代的增加，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。一般存在以下問題：（1）鋼軌電位高。由于雜散電流增大，導(dǎo)致鋼軌與大地之間壓降越來越大，目前國內(nèi)已經(jīng)運行的地鐵均發(fā)現(xiàn)鋼軌的實際電位比設(shè)計值高很多，導(dǎo)致鋼軌電位限制裝置頻繁動作。圖2雜散電流電腐蝕示意圖圖3鋼軌電位分布示意圖（2）排流柜增加了雜散電流總量。排流裝置，一端通過電纜與牽引變電所負(fù)極柜相連，另一端與排流網(wǎng)的收集端子相連。排流柜主回路的核心元件為硅二極管，當(dāng)檢測到區(qū)間雜散電流大于設(shè)定值時，利用二極管正向?qū)ǚ聪蚪刂沟奶匦?，實現(xiàn)了雜散電流的極性排流。然而，當(dāng)牽引變電所負(fù)極母排通過排流柜與道床結(jié)構(gòu)鋼筋（即排流網(wǎng)）電氣連通后，原負(fù)極母排的負(fù)電位因鉗制作用而接近零電位，使得兩個牽引變電所之間的電位增加，幾乎全稱為陽極區(qū)。這樣兩個牽引所之間鋼軌腐蝕將更加嚴(yán)重。（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)與城市建設(shè)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。第四軌牽引供電技術(shù)方案綜上，電客車供電回流系統(tǒng)中雜散電流是在從輪對到走行軌軌到回流電纜這個環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的，雜散電流防護系統(tǒng)也是根據(jù)種情況來設(shè)置的，無論此防護系統(tǒng)做得多么完美，隨著時間的推移和相關(guān)設(shè)備老化、絕緣下降，多多少少都會產(chǎn)生雜散電流。我們大膽設(shè)想一下，如果我們將這個環(huán)節(jié)取消，從電客車牽引電機負(fù)極直接引到牽混所的負(fù)極母排，理論上就可以基本上避免雜散電流的產(chǎn)生。而采用絕緣安裝的專用回流軌（即第四軌）進行牽引回流，相當(dāng)于將牽引變電所里負(fù)極柜的負(fù)極母排直接搬到了軌行區(qū)里。要在傳統(tǒng)輪軌軌道交通基礎(chǔ)上發(fā)展第四軌牽引供電系統(tǒng)，可以借鑒國內(nèi)第三軌牽引供電系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗。由于牽引軌（第三軌）和回流軌（第四軌）同樣肩負(fù)著與列車電流的傳遞，可采用相同類型的鋼鋁復(fù)合軌參照使用。第四軌牽引供電系統(tǒng)的安裝有如下兩種基本方案:1、在架空接觸網(wǎng)牽引供電系統(tǒng)中，加入絕緣安裝的第四軌構(gòu)成網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)。采用此方案后，架空接觸網(wǎng)供電模式基本不變。第四軌按照懸掛安裝位置可分為第四軌安裝于線路的中心或者安裝于線路的側(cè)面。以寧波地鐵4號線為例，寧波4號線采用的第四軌牽引供電方案，為“架空接觸網(wǎng)+專用回流軌”網(wǎng)軌混合牽引供電系統(tǒng)技術(shù)方案，如圖所示。圖4架空接觸網(wǎng)+回流軌此種方案的優(yōu)勢在于：（1）徹底解決了雜散電流腐蝕問題。由于實現(xiàn)了接觸網(wǎng)及專用回流軌對其他金屬設(shè)備設(shè)施完全絕緣，取消了對相關(guān)設(shè)備設(shè)施的雜散電流腐蝕防護要求，只要求專用回流軌采用絕緣安裝，結(jié)構(gòu)工程的實施變得更加簡單；（2）能保證工程實施的相關(guān)技術(shù)成熟。國內(nèi)DC1500V架空接觸網(wǎng)和DC1500V接觸軌的建設(shè)和運營已有相當(dāng)成功的經(jīng)驗可以借鑒；（3）由于正常情況下走行軌沒有牽引電流通過，軌電位的問題也徹底得到了解決。牽引變電所的布置方案只需滿足牽引網(wǎng)電壓的要求，牽引變電所數(shù)量會相對減少。不足之處在于搭建第四軌時會出現(xiàn)安裝限界不足的問題，并且投入運營后供電專業(yè)在原來傳統(tǒng)維護基礎(chǔ)上增加維護任務(wù)和成本。2、在第三軌牽引供電系統(tǒng)中，加入同樣絕緣安裝的第四軌構(gòu)成四軌牽引供電系統(tǒng)，分為正極軌與負(fù)極軌。以上海地鐵浦江線為例，浦江線采用的是正、負(fù)極供電軌以及接地軌安裝于軌道中央，正負(fù)極供電軌位于車輛底部左右側(cè)的集電靴受流，接地軌通過車輛接地靴接觸為車體提供可靠接地。如圖所示。圖5正負(fù)極軌安裝形式此種方案優(yōu)勢在于：（1）與第一種方案一樣，使用絕緣安裝的第四軌回流，徹底解決雜散電流腐蝕問題，此外不同于常規(guī)第三軌供電系統(tǒng)中正極電壓為DC+750V，四軌系統(tǒng)中可以設(shè)置正極軌工作在DC+375V，負(fù)極軌工作在DC－375V。由于負(fù)極軌工作在DC－375V，接地系統(tǒng)的電壓為0，此時接地的導(dǎo)向軌是相對于負(fù)極的較高電位，從而也降低了系統(tǒng)產(chǎn)生雜散電流的可能；（2）四軌供電系統(tǒng)通過專用的接地軌設(shè)計，從根源上解決了傳統(tǒng)地鐵中存在的跨步電壓危險，站臺門框架無需絕緣安裝，變電所內(nèi)直流設(shè)備無需框架保護裝置，車站也無需設(shè)置軌電位限制系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)建設(shè)成本；（3）因為四軌系統(tǒng)中負(fù)極軌對地絕緣，因此在電壓設(shè)置上可采用±375V模式，牽引整流器輸出的正、負(fù)極兩相分別通過一個750Ω的接地電阻進行接地。該接地電阻將牽引整流器的DC750V輸出電位鉗制在±375V。當(dāng)DC±375V供電系統(tǒng)發(fā)生單極供電軌故障接地后，其電壓將被限制為0，其與另一極之間的壓差仍然保持為750V，不會影響電客車正常運行，具備在單極接地故障情況下不影響列車運行的能力，極大地保障了列車運行。不足之處在于四軌供電系統(tǒng)送電后軌行區(qū)有極大觸電風(fēng)險，需嚴(yán)格加強安全管理。圖4整流器輸出電阻連接示意圖結(jié)語第四軌技術(shù)與架空接觸網(wǎng)或第三軌牽引供電制式有效結(jié)合，可有效減少雜散電流，發(fā)展前景廣闊。對于地鐵新線而言，可采取第三軌第四軌并行供電方式，可減少軌道交通相關(guān)防排雜散電流的設(shè)備系統(tǒng)，減少了軌道交通線路建設(shè)及運營維護成本，消除了許多設(shè)備設(shè)施的安全隱患