城市轨道交通四轨供电方式的探讨

陈 屹

0 引言

目前国内各城市轨道交通供电系统的牵引网采用的是以接触网为正极、钢轨为负极的供电模式，其中接触轨为第三轨供电方式。

在以走行轨为回流网的供电方式下，牵引回流将通过钢轨进入道床形成杂散电流。杂散电流对钢轨、整体道床结构钢筋、隧道结构钢筋、桥梁钢筋以及地铁沿线的金属设备都将产生腐蚀，进而影响地铁各建筑结构和金属设备的使用寿命。

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”是通过设置杂散电流收集网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。

1 传统杂散电流防护存在的缺陷

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。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。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钳制作用使得 2座牵引所间钢轨的最高对地电位增加了一倍，2座牵引所间几乎全部成为阳极区，杂散电流总量增加了近4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。

2 四轨系统的特点

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。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，形成一个完整的向机车供电的回路。

地铁直流牵引四轨供电系统由于回流轨彻底与道床等其他设施绝缘，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，杂散电流监测系统，盾构区间连接电缆，屏蔽门绝缘带。

（4）取消了排流柜，同时也减少了连接电缆和设备用房，取消了钢轨绝缘结，消除了机车过绝缘结产生火花现象。

（5）金属结构不会被腐蚀，避免了对走行钢轨的焊接损伤。

3 采用四轨供电技术需考虑的问题

目前国外有加拿大、美国、马来西亚等国家采用了四轨供电技术，而国内除重庆地铁的跨座式地铁为类似四轨供电方式外尚无应用的先例，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1）。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。

图1 四轨系统侧面受流方式例图

（2）对车辆的影响。无论是三轨受流还是四轨受流，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，区间也设有紧急疏散通道，旅客几乎不可能误入带电线路。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延伸，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。

4 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。

5 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 750 V供电，而随着近几年三轨技术地不断发展，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，而且可以采用DC 1500 V的供电方式。一旦采用四轨供电模式，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好处是现有技术所达不到的效果。

[1]Kießling, Puschmann, Schmieder.电气化铁道接触网[M].中铁电气化局集团译.北京：中国电力出版社，2004.