浅谈城市轨道交通四轨供电方式的优点

张智博

摘 要：本文分析了目前地铁中采用走行轨作为回流网的供电方式，重点提出了目前杂散电流防护存在的普遍问题，提出采用四轨供电方式是根本解决杂散电流防护存在问题的手段，并能在现有技术条件下予以实现。

关键词：地铁；四轨供电；杂散电流防护

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，在城市地铁和轻轨等轨道交通供电系统中，一般采用直流牵引，走行轨回流，因此，不可避免会有电流从走行轨泄入大地，对地下或地面的金属构件如结构钢筋、地下管线等产生严重的腐蚀，由于腐蚀的隐蔽性和突发性，一旦发生事故，往往会造成灾难性的后果，如煤气或石油管道的腐蚀穿孔、结构钢筋的腐蚀，会破坏混凝土的整体性，降低其强度和耐久性，给安全运营带来严重威胁。因此，对杂散电流腐蚀必须给予足够的重视。影响地铁杂散腐蚀过程的因素较多，在理论分析的基础上结合大量调查研究和实验，才能提出有针对性地治理杂散电流的技术和方法，对新建的轨道交通系统，要在设计、施工两个阶段入手，从实际出发，根据不同的线路施工、地质状况以及供电方式相结合采取相应的技术措施，才能减少杂散电流【1】。

2、传统杂散电流防护的缺陷

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，但随着运行年限的增加，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，通过对各城市地铁运营的调查发现，目前普遍存在以下几方面问题：

（1）钢轨电位高。目前国内已运营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，理论和实际相差较大，至今找不到原因。

（2）排流柜增加了杂散电流总量。当采用排流法时钢轨系统称之为接地系统，在有电流从钢筋沿排流电缆（经二极管）流至负母排时，原来负母排的负电位变为接近零电位，从而因钢轨纵向电压的限制作用使得两座牵引所间钢轨的最高对地电位增加了一倍，两座牵引所间几乎全部成为阳极区，杂散电流总量增加了近四倍，造成除牵引所附近钢筋腐蚀减少外，区间钢筋的腐蚀量上升。

（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发展的结合越来越紧密，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。

3、四轨系统的特点【2】

典型四轨系统是在三轨系统的基础上发展起来的，主要由牵引轨、回流轨、支持装置、防护罩、膨胀接头、端部弯头、中心锚结和普通接头等组成（如图2）。牵引轨和回流轨采用相同类型的钢铝复合轨，牵引轨负责向机车不间断地提供电能，回流轨与变电所负极柜相连，形成一个完整的供电回路。

地铁直流牵引四轨供电系统由于回流轨彻底与道床等设施绝缘，不存在杂散电流，也就不必考虑防杂散电流的措施和设施。

与传统直流供电模式相比，四轨供电方式具有以下几方面的优点：

（1）对轨道的纵向电阻、接头焊接、钢轨安装不再有要求。

（2）对道床结构、隧道结构以及高架结构不再有杂散电流防护要求，结构施工变得更加容易。

（3）取消了车站钢轨电位限制装置

（4）取消了排流柜，同时也减少了连接电缆和设备用房

（5）取消杂散电流监测系统

（6）取消钢轨绝缘结，消除了机车过绝缘结产生火花现象

（7）取消了盾构区间连接电缆

（8）金属结构不会被腐蚀，避免了对走行钢轨的焊接损伤

4、采用四轨供电技术需考虑的问题

目前建成的线路多采用国际电工委员会（IEC）推荐的DC 750V和DC 1500V两种电压制式，其中DC l500V电压制式具有供电距离长、电压损失小、可承受客流量大、杂散电流影响小等优点，而接触轨（第三轨）供电具有使用寿命长、维护量小等优点，因此，国内DC 75OV供电的地铁城市多采用了三轨供电，例如我国深圳地铁3号线、天津地铁4、5、6号线、无锡地铁1号线以及青岛地铁3号线的DC 1500V供电也采用第三轨供电。国际上（如加拿大、美国、马来西亚）在DC 750V（或DC 600V）电压等级采用了“四轨” 系统，但尚无DC l500V电压等级“四轨”系统的先例【3】，为此四轨供电方式需考虑以下几方面问题：

（1）受流方式，典型四轨系统通常采用侧面受流方式（如图3），而单轨跨座式线路方式，由于无法满足现有普遍采用的Φ5500 mm盾构断面的建筑限界要求，因此不是最佳的方案，结合国外类似工程和国内三轨工程的建设和运营经验，其接触方式宜采用侧部受流或下部受流方式。

（2）对车辆的影响，无论是三轨受流还是四轨受流（如图4），适用于接触轨的集电靴均安装于车辆的转向架上，目前国内尚无采用侧部受流的车辆，因此采用四轨供电方式后，传统三轨车辆的受流器部分变化较大，从集电靴安装空间上看，侧部受流比下部受流方式更容易实现。

（3）安全问题，采用四轨供电后，接触轨的安装高度会大于三轨的高度，从某种意义上讲，特别是对于侧部受流方式，其对人身的安全性相对降低，但目前国内运营的三轨线路，其安全规章制度是健全的，有着严格的操作程序，同时，目前地铁建设都考虑设有屏蔽门或安全门，区间也设有应急疏散通道，乘客几乎不可能误入带电区域，因此采用四轨供电方式仅需要在场段中加强管理即可。

（4）对恶劣天气的适应性，国内采用三轨技术已经趋于成熟，对恶劣天气具有较好的适应性，特别是接触轨均设有防护罩，在遇结冰等天气时，下部接触和侧部接触方式的线路可照常运行。

（5）国产化问题，由于四轨是三轨技术的变种，国内用于三轨的接触轨、防护系统、支撑结构均有充足的技术储备，实现国产化应不存在困难。

5、投资分析

根据国内地铁工程的建设经验，一般正线上用于杂散电流防护的费用为30万元/轨道公里，而采用四轨供电方式，需要在现有的三轨基础上加大绝缘支架，增加回流轨，估计增加费用为150万元/轨道公里，综合增加投资为120万元/轨道公里。

6、结束语

目前世界上城市轨道交通采用四轨供电方式的线路均为DC 750V供电，而随着近几年三轨技术不断地发展，采用侧或下接触方式的四轨供电模式已经具备了技术发展的基础，笔者认为，将第四回流的优越性与DC 1500V的优越性很好地结合起来，虽然工程一次投资略有增加，但带来的结构寿命延长、消除很多设备和工程隐患等效益是现有技术所无法比拟的。

参考文献：

[1]北京地下铁道科学技术研究所，地铁杂散电流防护技术规程，北京：中国计划出版社.1993.

[2]陈屹.城市轨道交通四轨供电方式的探讨.电气化铁道城市轨道交通.2010第二期.

[3]張云太.城市轨道交通第四回流轨牵引供电技术.现代城市轨道交通.2011.endprint