城市轨道交通牵引供电系统专用轨回流技术综述

燕振刚，田广辉，陈显志

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）

1 引言

目前，城市轨道交通直流供电系统正极授流方式主要有架空接触网和第三轨授流，负极以走行轨回流方式为主，钢轨采用绝缘安装。受潮湿环境、材料性能、施工及粉尘等多种因素影响，钢轨对地绝缘水平有限，线路开通之初钢轨对地过渡电阻很难达到15 Ω·km[1]，运营几年后，地下段钢轨对地过渡电阻减小到0.8～3.0 Ω·km，场段内电阻下降更为显著[2]。钢轨对地过渡电阻降低会使本应从钢轨直接流向负极柜的电流有一部分通过道床结构钢筋流向了大地，流向大地的大部分杂散电流再经过其他路径回流到变电所负极柜，回流路径如通过结构钢筋、周围埋地金属管网、燃气油气管线和屏蔽网等。杂散电流在途经这些介质时会对其产生电化学腐蚀，严重情况下会造成灾难性后果。

实践验证，通过增加钢轨对地绝缘水平、增设排流网、减小纵向电阻及定期清扫等措施很难彻底根治电流泄漏的难题。国内外研究表明，基于三轨供电技术衍生而来的专用轨回流，采用绝缘支架安装，对地过渡电阻理论值可以达到MΩ·km 级，能彻底解决杂散电流的泄漏。

2 专用轨回流与走行轨回流区别

2.1 牵引供电系统组成

城市轨道交通牵引供电系统主要是由整流机组、开关柜、上网隔离开关、正极架空接触网或接触轨、机车、负极回流、负极柜等构成。

在走行轨回流方式下，需设置轨电位限制装置、排流柜、杂散电流检测装置、杂散电流收集网等，走行轨回流示意如图1 所示。

图1 走行轨回流示意图

采用专用轨回流方式，取消杂散电流收集网、杂散电流监测装置、排流柜、轨电位限制装置等，增设地-负单向导通装置+泄漏电流监测元件、专用轨接地装置等，专用轨回流示意如图2 所示。

图2 专用轨回流示意图

其中，专用轨是在第三轨供电技术基础上发展起来的，主要包括钢铝复合轨、鱼尾板及紧固件、膨胀接头、防爬器、端部弯头、电缆连接板及电缆连接螺栓、绝缘支撑和防护罩及其支架等。

2.2 牵引所间距

在走行轨回流方式下，牵引变电所布点间距受接触网末端压降和轨电位大小制约，正常双边供电运行时，站台处钢轨对地电位不应大于120 V，场段库内股道钢轨对地电位不应大于60 V[3]。受以上条件约束牵引所间距一般为1.5～3.0 km。

采用专用轨回流方式，轨电位不再是制约因素，仅需要考虑接触网末端压降的影响。由于专用轨回路阻抗比钢轨减小约40%[4]，因此牵引变电所间距可增大到2.5～4.0 km[5]，变电所数量减少约为35%。

2.3 杂散电流防护

在走行轨回流方式下，杂散电流防护普遍采用的措施：一是利用道床结构钢筋作为收集网，收集杂散电流通过排流柜回到变电所负极；二是减小钢轨纵向电阻，使用大截面钢轨并焊接为长轨，钢轨间增加并联电缆和轨缝连接电缆；三是减小电流泄漏及对周围介质的影响，缩短牵引所间距；四是钢轨增设绝缘垫，增大钢轨对地绝缘电阻；五是在库内外间、出入线上场段与正线分界等处设置钢轨绝缘节和单向导通装置约束电流流向。为更有效遏制场段杂散电流和列车过出入线分界点处绝缘节打火的危害，文献[6]在出入线上分界点处设置触发式单向导通装置，当有列车通过时导通，无列车通过时截断，有效抑制打火问题。文献[7]在出入线上采用“双绝缘节+定向导通装置”方案，能够有效切断正线电流泄漏至场段的回路。但上述防护措施依然是采取“以堵为主、以排为辅”的原则，很难从根本上解决杂散电流的泄漏。

采用专用轨回流方式，因使用整体绝缘支架安装，对地绝缘电阻大，可以彻底杜绝杂散电流的泄漏。

2.4 接地方式

在走行轨回流方式下，钢轨绝缘安装，对地间有电压。由于车体与钢轨等电位，在没有安全措施的情况下，站台门与站台土建结构等电位，当乘客同时接触到车体和站台门时，车、人、站台门和大地会形成电流回路，威胁乘客的安全。同时，车体与站台板存在电位差，乘客上下车时会形成“跨步电压”[8]。因此，站台门宜与车体保持等电位，其接地要求详见GB 50157-2013《地铁设计规范》[9]，同时要求自站台边缘起向内1 m 范围的站台板地面装饰层下应进行绝缘处理。

采用专用轨回流方式，车体与回流靴间绝缘，钢轨、站台门等均直接与综合接地网相连，形成等电位体，不再有跨步电压的危害，因此，站台边缘绝缘带可以取消设置。专用轨在车站设置接地装置，用于检修维护和人员疏散时安全接地使用。

2.5 接地保护

在走行轨回流方式下的接地保护主要是采用框架泄漏保护，由电流测量元件和电压测量元件组成。电流测量元件一端接设备外壳，一端接地，用于检测设备外壳与大地之间的故障电流。电压测量元件一端接设备外壳，一端接负极，用于测量设备外壳与负极之间的电压[10]。

在专用轨回流方式下，走行轨直接接地，当接触网发生对地短路时，因专用轨绝缘安装对地电阻大，导致故障短路电流小，断路器无法及时动作切断故障。文献 [11]提出在走行轨与专用轨之间设置地-负单项导通装置+泄漏电流监测元件，为短路电流提供通路，该装置能有效减小短路时的阻抗，增大故障短路电流，可使馈线断路器及时动作切除故障。走行轨与钢轨之间增设该装置后，当发生接触网对走行轨、架空地线、车辆壳体、直流设备正极对壳体、车辆正极对壳体、车辆正负极之间发生短路故障时，直流馈线断路器均能选择性动作，接地保护方案与走行轨回流方式下一致。

2.6 列车检修静态调试

列车检修后需要进行静态调试（以下简称“静调”），在走行轨回流方式下，变电所送电到静调电源柜，列车从静调电源柜取电，电流经列车电机、轮对与钢轨回到变电所负极，完成列车静调试验。

采用专用轨回流方式，一般库前专用轨电分段与正极接触网分段要对齐，并通过带接地刀闸的双极手动隔离开关连通，实现正负极的同步断开和接通。列车静调前，库内正极接触网需断电，此时库内负极专用轨同步与库外专用轨断开，列车静调电流无法经专用轨回到变电所负极。文献[12]提出2 种方案：一是改造静调电源柜，在静调电源柜上增设负极输入和输出端，输出端与库外静调股道旁专用轨连接，输入端与变电所负极柜连接，构成调试回流通路[13]；二是在列车上增设负极回流插孔，静调电源柜改造为双极，静调时列车从静调柜正极取流，经列车回到静调柜负极，再通过电缆回流到变电所负极柜。为节省电缆，本研究认为可以将有静调功能的股道库前双极手动隔离开关改为单极开关，正负极电分段分别控制断开和接通，实现静调时库外与库内专用轨接通。为保证静调时人员的安全，在对应回流分区专用轨上设置轨电位限制装置，平时不投用，只在静调时投用。

2.7 限界

本节讨论DC1500V 供电制式下，隧道内径为5 500 mm 时的限界区别。

在走行轨回流方式下，5 500 mm 盾构内径能够满足导高4 050 mm 的架空刚性接触网的安装要求。在专用轨回流方式下，当回流接触面为下接触式时，专用轨中心线至相邻走行轨内侧工作边的水平距离，A 型车为832.5 mm、B 型车为752.5 mm，专用轨顶面至走行轨顶面的垂直高差为200 mm。如将排水管和消防水管布置在同侧，5 500 mm 盾构内径能够满足下接触式专用轨的安装，限界示意如图3 所示。当回流接触面为上接触式和侧向接触式时，安装空间要求均小于下接触式。因此，当正极采用架空接触网，负极采用专用轨回流时，5 500 mm 盾构内径满足专用轨安装限界要求。

图3 专用轨回流直线段圆形隧道建筑限界图（单位：mm）

当正极采用三轨供电，负极专用轨该如何布置以满足限界和回流要求。针对该问题有以下几种布置方案。

（1）供电轨于轨道侧面布置、专用轨于轨道中间布置方案。因信号专业在轨道中间需设置应答器，该情况下应答器位置会与专用轨位置冲突。同时，由于库内轨道中间需设置检查坑，同样不满足专用轨的安装条件，因此该布置方案不可行。

（2）供电轨和专用轨分别于轨道两侧布置方案。首先，受制于列车同侧只能有一种功能的靴，集电靴或者回流靴，供电轨或专用轨只能始终布置在行车方向同一侧，不能换边。在道岔区，供电轨或专用轨由于不能换边断口长度较大，连续道岔无电区范围增大，导致列车失电或不能回流的情况。其次，轨道两侧都布置，也不利于人员疏散时的安全，且绝缘支架数量增加1 倍，投资增加。再次，车辆折返存在双向行车的可能，这需要列车两侧的靴具备授流与回流功能互相切换的能力，对列车的电气系统要求高，较难实现。

（3）供电轨和专用轨于轨道同侧架设方案。同侧架设分为同侧下接触式、同侧上接触式和同侧侧向接触式3 种情况[13]，如图4～图6 所示。同侧同支架安装，要保证供电轨和专用轨间距不小于150 mm才能满足绝缘要求。但因二者间距较小，需要精确控制车辆集电靴和回流靴的抬升和降落高度，才能保证不发生误接触的问题。相对而言，侧向接触式由于集电靴和回流靴是水平方向的移动，更易控制。同时，地上段线路，受天气影响严重，间距较小易发生短路故障。而且同侧架设方案因其整体安装高度较高，对车辆设备限界、授流结构形式的影响较大。因此，在工程中很难推广应用。

图4 同侧下接触式示意图（单位：mm）

图5 同侧上接触式示意图（单位：mm）

（4）负极专用轨采用架空接触网的方案。该方案是将正极架空网供电+负极专用轨回流进行功能互换，对限界、车辆电气系统等影响均较小。对于已采用第三轨供电的线路，受杂散电流危害影响，需要改造为专用轨回流，可以考虑架设接触网作为回流轨，方案可实施性较高。

2.8 车辆

采用专用轨回流方式，车辆相较于走行轨回流方式需要做如下改造。

（1）在转向架上增设回流靴，与专用轨接触，流过电机的电流经回流靴到专用轨上，最终回到整流器负极。

（2）走行轨回流方式下，工作回流与车辆的保护接地全部通过车轮和走行轨实现，两者之间不需要隔离。采用专用轨回流方式，要确保专用轨电流不向走行轨泄漏，要求车辆的工作接地和保护接地之间进行绝缘隔离，并设置绝缘监测装置，用于监测车辆内部与负极母线的绝缘效果。

（3）为确保车辆经过道岔区较长断口位置时，回流通畅，车辆需设置贯通的负极回流母线将整列车的回流靴并联起来。

（4）如果存在与走行轨回流方式的线路跨线运行时，车辆还需设置2 种回流方式转换开关。

2.9 轨道设计

在走行轨回流方式下，钢轨间设均流电缆，并需要绝缘安装，满足钢轨对地过渡电阻应不低于15 Ω·km。同时，利用道床内结构钢筋作为排流网，预留排流网连接端子和测试端子等，设置排流网会导致道床结构钢筋截面增加。

采用专用轨回流方式时，走行轨只起行车导向作用，不作为回流轨使用。钢轨不需要绝缘安装，采取直接接地，也彻底解决了轨电位的问题。同时，取消设置排流网，道床结构钢筋满足钢轨承载力要求即可。

3 正线负极专用轨电分段设置原则

走行轨的主要功能是列车的导向作用，兼做回流的功能，走行轨不分段。采用专用轨回流方式时，专用轨电分段有3种方案，如表1 所示。

表1 正线负极专用轨电分段设置方案

通过上述对比分析，目前工程中负极专用轨不分段应用较多。由于道岔、人防门、防淹门处的机械断口已经相对较多，如再额外增设电分段，过多的断口势必会带来异常磨耗、打火等问题，减少专用轨分段对运营维护更有利。

近年来，部分城市对故障状态下组织临时交路运行的需求越来越强烈，通常在有折返功能的车站一端或两端设置正极接触网电分段。当一端区间出现故障时，可通过调整开关开断，切除故障区域，确保车站范围内和另一端区间的正极接触网仍能正常带电，列车在车站进行折返，组织临时小交路运营，缩小故障影响范围。当采用专用轨回流方式时，为缩小事故影响范围及安全检修需要，正负极故障切断位置应一致，只在有折返功能的车站，专用轨在与正极接触网小交路电分段对齐位置处分段，其他位置不设专用轨分段，如图7 所示。实现正负极同时切除故障区间，正负极电分段通过双极电动隔离开关相连。

图7 专用轨电分段与接触网小交路电分段对齐示意图（单位：m）

4 回流方式转换段方案研究

目前，针对牵引供电系统正极供电制式不一致设置转换段已经有不少应用案例，如DC1500V 直流供电制式与AC25kV 交流供电制式设置双流制转换段、架空接触网与接触轨过渡段设置网轨转换段等。关于不同回流方式线路的互联互通设置回流转换段的工程案例比较少。

当采用专用轨回流的线路与走行轨回流的线路跨线运行时，首先车辆要具备2 种回流方式的切换功能。其次，在分界点处设置回流方式转换段。

目前，实际应用的回流方式转换是采用停车、降弓方式来进行回流方式切换。车辆需首先在转换段内停车→降弓→切换回流方式转换开关→升弓→启动车辆，以上操作需司机人工操作完成[14]。转换段具体设置情况如下：在钢轨上设置2 处钢轨绝缘节，形成专用轨回流段、转换段、走行轨回流段三区段，转换段钢轨仍然绝缘安装。钢轨绝缘节1 与绝缘节2 的间距约等于列车总长+2×5 m。其中，绝缘节1 与接触网分段、专用轨末端弯头三者位置对齐。同时，在转换段走行轨和专用轨之间设置单向导通装置，导通方向为走行轨→专用轨，目的是为取流与回流构成的回路，遵循“从哪里来到哪里去”的原则[14]。回流方式转换段示意如图8 所示。

图8 回流方式转换段示意图（单位：m）

列车从专用轨回流方式往走行轨回流方式行进时。当列车转换段内停车后，先降弓，列车断电，切换回流方式转换开关，由专用轨回流切换为走行轨回流，再升弓，启动列车。此时受电弓1 和2 都是从专用轨回流侧接触网上取流，由于已经切换为走行轨回流方式，电流先经走行轨→单向导通装置→专用轨回到变电所负极；当受电弓1 的动车完全通过分段后，则从走行轨侧接触网上取流，此时受电弓1 对应的动车电流通过走行轨回到变电所负极，受电弓2 对应的动车电流通过走行轨→单向导通装置→专用轨回到变电所负极。待受电弓2 的动车完全通过分段后，前后两动车电流均通过走行轨回流。反向行驶，同理。

为提高通过效率，文献[15]通过引入铁路上列车断电过分相技术理念，提出不停车转换的方案，在2 个绝缘节附近各增设地面计轴设备，通过计轴设备信号判定列车是否完全驶进回流方式转换段，如果判定信号为“是”，则触发车辆受电弓断路器分合闸、回流转换开关动作，实现不停车回流方式的转换。

5 结语

在“双碳”战略背景下，城市轨道交通供电系统的低碳节能有着极其重要的意义，有助于推动我国实现绿色低碳发展。专用轨回流技术应用不仅着眼于彻底解决杂散电流泄漏带来的问题，其低电阻的特性，对系统节能和提高再生能量利用率有非常积极作用。

首先，直流供电制式下，采用专用轨回流方式，DC3000V 相较于DC1500V 牵引所间距提高近一倍，速度目标值可大于120 km/h，且2 种电压等级绝缘水平相当。因此，“DC3000V 供电+专用轨回流”技术将是未来城市轨道交通研究的重要方向之一。其次，双向变流技术的推广应用，可以实现全功率的列车牵引和制动能量自然双向变流，显著提升列车直流供电质量，并达到节能目的。因此，DC1500V 供电制式下“双向变流+专用轨回流”技术的研究和发展，将为城市轨道交通低碳节能做出重要贡献。