新型城市轨道交通牵引供电制式的探讨

喻 奇

0 引言

随着经济的发展和人口的膨胀，大城市的交通拥堵越来越严重，修建地铁或轻轨已经成为解决公共交通问题的重要途径。自从1863 年世界上第一条地下铁道在英国伦敦建成通车以来，世界上已经有30 多个国家和地区的100 多个城市相继修建了地下铁道或城市轻轨。目前，国内有近30 个城市正在大力发展城市轨道交通。

1 城市轨道交通供电制式简述

城市轨道交通牵引供电系统由牵引变电所、牵引网和回流网3 部分构成。变电所通过牵引网由车辆受电器向列车馈送电能，而后经回流网返回牵引变电所。

牵引网供电制式主要指电流制、电压等级和馈电方式。目前国外城市轨道交通直流牵引电压等级有DC 600 V、DC 750 V 和DC 1 500 V 等多种；GB/T 10411《城市轨道交通直流牵引供电系统》规定了DC 1500 V 和DC 750 V 2 种电压制。牵引网的馈电方式分为架空接触网和接触轨2 种基本类型。目前国内各城市轨道交通供电系统主要采用DC 1 500 V 架空接触网馈电方式和DC 750 V 接触轨馈电方式，还有部分采用DC 1 500 V 接触轨馈电方式，普遍利用走行轨作为回流网。

在以走行轨为回流网的供电制式下，牵引回流将通过钢轨进入道床形成杂散电流。杂散电流会对钢轨、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。

为减小杂散电流腐蚀的影响，传统的处理方法通常采用以堵为主，以排为辅，堵排结合并加强监测的方针。“堵”是要增大钢轨对地间绝缘电阻，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；“测”则是通过对杂散电流收集网极化电位的测量来确定排流柜的投退。随着运营时间的增加，钢轨回流系统的绝缘电阻逐步减小，杂散电流会逐渐加大，严重影响地铁各建筑结构和金属设备的使用寿命。

2 传统供电制式存在的问题

2.1 钢轨电位问题

传统供电制式均利用走行轨作为回流网，存在钢轨电位过高问题。目前钢轨电位限值在国内城市轨道交通确定牵引变电所布点方案时起决定作用，通常按正常运行工况最大行车密度时其最高钢轨电位不大于90 V，大双边供电情况最高钢轨电位不大于120 V 设计。目前国内已经运营的地铁线路均发现钢轨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。一旦车站站台边缘地板绝缘损坏，乘客在钢轨电位过高时触碰屏蔽门将有触电危险。

2.2 杂散电流防护的问题

传统供电制式均需考虑杂散电流防护的问题。但随着运营时间的增加，各种绝缘材料的绝缘性能逐渐下降，钢轨对地绝缘电阻越来越小，杂散电流会越来越大。当采用排流法进行杂散电流腐蚀防护时，排流网变为接地系统，牵引电流经钢轨泄漏至排流网（通常利用整体道床结构钢筋作排流网），而后沿排流电缆（经排流柜）流至负母排。通过增加牵引电流沿排流网流回牵引变电所的通路，达到减小杂散电流对隧道、桥梁、建筑结构钢筋的腐蚀作用，该方法实际上增大了杂散电流对整体道床结构钢筋的腐蚀，造成牵引电流沿走行轨流回牵引变电所的比例减小，杂散电流总量增加。

为避免杂散电流腐蚀，地铁沿线各种类型金属管线尽量绝缘安装，但绝缘安装增加工程投资，而且如电缆支架的接地扁钢全线贯通，工程实施上很难做到全部绝缘安装。

2.3 供电可靠性的问题

传统供电制式牵引网均无备用，一旦发生故障容易造成全线停运，甚至造成列车停在区间内无法进入车站，牵引网供电可靠性不高。

3 新型供电制式的探讨

3.1 供电制式的选择原则

供电制式的选择原则需遵循以下3 个原则：

（1）客流量和最大站间距。客流量是轨道交通设计的基础。根据预测客流量大小选择适用的电动客车类型和列车编组数量。大运量轨道交通系统一般采用DC 1 500 V 电压；中运量轨道系统可采用DC 750 V 或DC 1 500 V。线路最大站间距是确定牵引供电电压的重要因素，如果线路有跨海段或跨江段，区间很长且无法设置区间牵引变电所的线路应选用DC 1 500 V。

（2）供电安全可靠性。轨道交通是城市交通的骨干，一旦牵引网发生故障造成列车停运，就会严重影响市民出行，引起城市交通混乱。因此，安全可靠是选择供电制式的最重要条件。

（3）工程综合投资成本。降低工程综合投资成本是城市轨道交通工程建设必须考虑的重要因素。不单要考虑供电系统的初次投资成本，还应兼顾线路后期运营成本。由于直流供电制式不可避免地带来杂散电流腐蚀问题，严重影响区间隧道、桥梁以及车站结构和沿线金属管线的使用寿命，因此需考虑对整个城市轨道交通工程综合投资成本的影响。

3.2 四轨供电技术的探讨

典型四轨系统是在三轨系统的基础上发展起来的，受电轨和回流轨采用相同类型的钢铝复合轨，受电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其他设施绝缘，不存在杂散电流腐蚀问题和钢轨电位过高问题。

四轨供电制式目前存在以下几大问题：

（1）车辆国产化。国内仅重庆采用了四轨供电制式，且其线路为单轨跨座式线路。除重庆外，国内城市轨道交通均采用1 435 mm 标准轨道，国内尚无四轨供电制式的轨道交通车辆。

（2）工程实施。目前国内轨道交通普遍采用Φ5 500 mm 的隧道盾构断面，若采用四轨供电制式，无法满足受电轨和回流轨对安装空间的要求。

3.3 新型供电制式的研究

DC 1 500 V 网轨混合型牵引供电制式是结合目前国内轨道交通常见的DC 1 500 V 接触网和DC 1 500 V 接触轨2 种供电制式而形成的新型城市轨道交通供电制式。如图1，正常情况下，采用DC 1 500 V 接触网受电向列车馈送电能，牵引电流经接触轨返回牵引变电所。当DC 1 500 V 接触网故障时，改由DC 1 500 V 接触轨受电，走行轨作回流网将牵引电流送回牵引变电所。

DC 1 500 V 网轨混合型牵引供电制式具有以下几大优点：

（1）彻底解决杂散电流腐蚀问题。由于接触网和接触轨对其他金属设施绝缘，可取消杂散电流监测系统，并取消对相关设施的杂散电流腐蚀防护的要求，仅要求钢轨采用绝缘法安装。结构工程实施由此将变得简单。

图1 网轨混合型供电制式接线示意图

（2）工程实施技术成熟。DC 1 500 V 接触网和DC 1 500 V 接触轨的建设和运营国内已有成功经验可以借鉴。

国内轨道交通普遍采用的Φ5 500 mm 盾构隧道断面可满足DC 1 500 V 接触网和DC 1 500 V 接触轨的安装空间要求，如图2 所示。

图2 网轨混合型供电制式盾构隧道断面示意图

（3）供电可靠性提高。DC 1 500 V 网轨混合型牵引供电制式史无前例地实现了牵引网的备用。传统轨道交通牵引网均无备用，一旦出现故障，必须停电抢修，严重影响市民出行，若列车停在区间内，救援疏散非常困难。DC 1 500 V 网轨混合型牵引供电制式在接触网故障时，为确保行车安全，可由接触轨代替接触网供电，采用走行轨回流，虽然带来杂散电流腐蚀的问题，但时间短暂，且钢轨仍采用绝缘法安装，杂散电流腐蚀的影响很小。

（4）工程综合成本降低。由于同时采用了接触网和接触轨造成供电系统建设总成本增加，但可取消杂散电流监测系统，取消针对轨道、相关结构及沿线金属管线的杂散电流腐蚀防护措施，相应减少了轨道、土建和沿线金属管线的建设成本。由于正常情况下钢轨无牵引电流通过，钢轨电位的问题也彻底解决，牵引变电所布点方案的确定只需满足牵引网电压的要求，因此牵引变电所的数量会减少。供电系统占整个轨道交通工程投资比例较小，一般约为4%，整个轨道交通工程初次总投资仅增加0.5%，带来的是轨道、车站及区间结构和沿线金属管线使用寿命延长，减少了后期线路运营维护的成本，且消除了许多设施的安全隐患。工程综合总成本降低，提升了整体经济效益和社会效益。

4 结束语

城市轨道交通牵引供电制式的选择应从安全可靠性、经济性、发展性等方面综合考虑。牵引供电系统必须保证轨道交通的安全运营，其中包含人身安全、相关设施及设备安全、系统故障应对措施。在安全运行的基础上，一并考虑整体经济效益和社会效益。同时还应考虑其发展性，使未来国内形成统一的城市轨道交通牵引供电制式。1 500 V 网轨混合型牵引供电制式正是基于上述要求提出的，为未来城市轨道交通牵引供电制式的发展提供了重要参考。

[1] 吴树强.城市轨道交通牵引供电制式的比较[J].城市轨道交通研究，1998，（3）：30-34.

[2] 周求定.城市轨道交通线网规划与牵引供电制式的选择[J].都市快轨交通，2004，（2）：42-45，48.

[3] 梁广深，邱庆珠.城市轨道交通供电制式分析探讨[J].城市轨道交通研究，2004，（6）：10-13.

[4] 郭其一.城市机道车辆供电制式的分析研究[J].城市轨道交通研究，2011，（8）：1-4.

[5] 陈屹.城市轨道交通四轨供电制式的探讨[J].电气化铁道，2010，（2）：49-50.