接触轨供电制式下专用轨回流方案研究

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原文发表于《都市快轨交通》

2025年 第1期

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孙建军1，邢春阳1，兰慧峰1，李国玉1，李传辉2，黄齐来2

1研究背景

传统城市轨道交通直流牵引供电系统采用接触轨或架空接触网供电、走行轨回流的方式。对于走行轨兼做回流轨而言，易受施工、环境等因素的影响，其对地的绝缘性能普遍未达到《地铁杂散电流腐蚀防护技术标准》(CJJ/T49—2020)中提出的过渡电阻不小于15Ω·km的标准[1-2]，列车运行时势必会产生杂散电流泄漏，引起地铁结构钢筋和沿线市政管道腐蚀等危害[3-5]。城市轨道交通直流供电系统中杂散电流腐蚀防护原则主要以抑制杂散电流产生、减少杂散电流向地铁外部扩散为主[6]，但现有杂散电流防护措施无法有效抑制杂散电流的泄漏。从国内外对杂散电流腐蚀防护的研究成果来看，采用专用轨回流是一种有效的解决方案[7-8]，已在国内外城市轨道交通线路中有成熟的应用案例，如伦敦JubileeLine采用侧部接触轨供电+底部专用轨回流方式；温哥华MillenniumLine采用同侧布置接触轨供电+专用轨回流方式；宁波轨道交通4号线、6号线，郑州轨道交通17号线，绍兴地铁2号线等地铁线路采用架空接触网供电+专用轨回流方式。国内青岛、武汉、无锡等城市的城市轨道交通以接触轨作为正极，国外城市轨道交通线路采用接触轨供电+专用轨回流方案，但其供电电压等级和车辆转向架结构均与国内地铁线路存在较大差异，无法直接适配应用。因此，本文基于接触轨供电为前提，提出4种专用轨回流方案，通过对各方案分析评价，为后续接触轨供电制式的城市轨道交通线路中专用轨回流技术的应用提供参考依据。

2专用轨回流方案影响因素

结合国内外专用轨已实施方案，按照专用轨设置位置不同，提出4种适用于接触轨供电方式的专用轨回流方案，如图1所示。结合城市轨道交通系统的特点和工程实践经验，提出影响专用轨回流方案的主要因素。

1)对区间设备系统的影响。城市轨道交通轨行区内设有不同专业的设备及管线，轨行区增设专用轨后，需要考虑专用轨是否会对轨行区的设备布置(如信号应答器、区间环网电缆等)产生影响。

2)对车辆回流的影响。传统城市轨道交通供电系统利用钢轨回流，全线钢轨连续设置能够保证车辆连续回流；而对于专用轨回流方式，由于专用轨布置受道岔区、人防门等特殊位置的限界限制，无法连续布置，需要在特殊位置断开专用轨，使得专用轨布置不连续，可能导致车辆局部区段电流无法回到变电所负极，列车失去动力，影响车辆正常运行。因此，需要考虑专用轨布置是否对车辆回流造成影响。

3)对网络化运营的影响。随着城市线网快速建设，轨道交通线路由单线运营向网络化运营发展，为了充分利用轨道交通资源提升运营效率，更多的城市提出线路间互联互通、架修资源共享的需求。因此，需要考虑专用轨回流的列车、结构、限界和回流模式转换等方面是否对网络化运营造成影响。

4)对供电系统继电保护的影响。供电系统采用专用轨回流后，负极对地绝缘性能大幅提高，需要考虑供电系统继电保护产生的影响及保护配置的优化。

5)安全性分析。城市轨道交通供电系统的回流方式发生变化，需对专用轨回流对供电系统安全性影响进行分析评估。

6)成本效益分析。城市轨道交通供电系统采用专用轨回流后，对轨道交通系统不同专业产生影响，建设投资变化，需要对建设过程的成本进行分析。综合以上6个方面，本文对提出的4种专用轨方案进行逐一分析，论证各个方案的可行性及优缺点。

3专用轨回流方案分析

接触轨授流方式主要分为上部授流、下部授流、侧部授流。目前，国内采用接触轨供电制式的线路大多数采用下部授流接触轨供电方式，接触轨在人防门、道岔、车站电分段等地均设置断口[9-10]。因此，以下部授流接触轨供电制式为例，对所提出的4种专用轨回流方案进行分析研究。

3.1对侧专用轨回流方案

本方案在接触轨对侧设置专用轨，均采用下部授流方式，专用轨安装几何尺寸、设备选型与接触轨一致。结合提出的影响因素对本方案进行可行性评价分析。

1)对区间设备系统的影响。供电系统采用走行轨回流制式时，接触轨通常布置在线路一侧，同时为保证车辆连续受电，在车辆转向架两侧设置集电靴，如图2所示。采用本节提出的专用轨回流方案时，车辆两侧对称布置正极接触轨和负极专用轨，并将车辆两侧集电靴极性调整为“一正一负”，与接触轨和专用轨布置匹配，与其他专业区间设备不存在侵限冲突情况。因此，该方案对区间设备系统无影响。

2)对车辆回流的影响。接触轨供电列车以地铁B型车辆为主，通常分为3节编组和6节编组。在道岔处专用轨与接触轨相同，均需设置断口。根据经验，当3节编组列车通过道岔时可能存在部分区段无法取流、列车失电的情况，如图3(a)所示。采用本节专用轨方案后，专用轨同样在道岔处位置断口，专用轨布置不连续，可能引起列车失电范围扩大，如图3(b)所示。依次核对不同编组车辆通过单开道岔和交叉渡线道岔时是否存在失电区，结果如表1所示，6节编组列车集电靴间距较大，本方案在各类型道岔区均不存在失电情况，列车回流不受影响。而3节编组列车在通过5m交叉渡线时存在2处列车失电区，恢复电力会对列车内部电子器件形成短时冲击，影响其设备使用寿命。因此，本方案在3节编组列车线路中会对列车回流产生一定的影响。

3)对网络化运营的影响。为满足不同回流制式线路间互联互通、架修资源共享等网络化运营需求，需要车辆同时能在专用轨回流线路和走行轨回流线路上运行。从限界和负极模式转换两个方面分析：一方面，本方案对区间设备和车辆限界(车辆在平直线线上正常运行状态下的最大动态包络线)无影响；另一方面，由于存在两种回流模式，需要车辆设置负极转换开关，在转换车站或联络线设置转换段，列车在转换段内停车进行负极转换操作。具体转换流程如图4、图5所示。列车负极模式转换过程主要操作：列车停车—切断主回路电源—关闭辅助电源—回流模式转换—闭合主回路电源—列车启动—重新投入辅助电源，整个转换过程可利用列车停车时间完成，约35s，在车辆启动出站后再操作空调重新投入，完成整个转换过程。上述分析可知，本方案能够满足网络化运营要求，对已通车线路限界也无影响。

4)对供电系统继电保护的影响。供电系统采用专用轨回流后，负极对地绝缘性能大幅提高，当正极对地、负极对地发生接地故障时，故障电流无法回到变电所负极，导致对应开关无法跳闸切除故障。因此，在现状供电系统机电保护基础之上，需要增设地-负单向导通装置，为入地短路电流提供回到负极的有效通路，保证系统保护可靠性。

5)安全性。供电系统一般配置正极可视化接地装置，线路停运或出现区间疏散等情况，将正极接地，保证人员安全。采用专用轨回流后，应在现状配置基础之上，增设专用轨接地装置，将专用轨可靠接地，保证系统安全。

6)成本效益。本方案对供电系统、轨道系统、车辆、站台门系统等方面产生影响。主要取消杂散电流系统、增加专用轨回流、优化牵引变电所布点、取消道床排流网及连接端子、车辆增加回流模式转换开关、站台门无需绝缘安装、取消区间和车站结构测防端子等。经核算，本方案增加建设投资约43万元/km。综合分析可知，本方案采用对侧专用轨回流方案对区间设备系统无影响，能够满足线网间互联互通、资源共享要求，6节编组列车通过道岔区域无失电区，3节编组列车存在2处失电区，对供电系统继电保护、安全性影响较小，增加建设投资约43万元/km。因此，本方案具备可行性和可实施性。在应用过程中，还需要提前核验和优化线路布置，满足各编组车型供电要求，规避列车失电风险；提高负极模式转换程序化，提高转换效率，降低人员误操作风险。

3.2架空接触网回流方案

在接触轨供电的基础之上，本方案在车辆上方设置架空接触网回流，如图1(b)所示。相比于现状国内已采用的接触网供电、专用轨回流方案，仅将极性互换。负极架空接触网设备选型与现状正极架空接触网方案相同。结合本文提出的影响因素对本方案进行可行性评价分析。

1)对区间设备系统的影响。由于接触轨供电线路隧道顶部空间无其他设备。因此，本方案对区间的设备安装无影响。

2)对车辆回流的影响。由于架空接触网贯通布置，列车取流效果与走行轨回流时完全一样。因此，本方案连续取流效果不受回流形式改变的影响。3)对网络化运营的影响。同理本方案从限界和负极模式转换两个方面分析。限界方面，经核实本方案对区间限界无影响。需要注意已开通线路矩形隧道断面的净空是否能够满足架空接触网的安装要求。负极模式转换方面，本方案仅考虑负极架空接触网回流与走行轨回流之间的转换，转换流程：列车停车—切断主回路电源—关闭辅助电源—回流模式转换—闭合主回路电源—列车启动—重新投入辅助电源，转换时间约35s，在车辆启动出站后再操作空调重新投入，完成整个转换过程。具体回流转换流程如图6、图7所示。上述分析可知，本方案能够满足网络化运营要求，对已通车线路限界也无影响。

4)对供电系统继电保护的影响分析。本方案对供电系统继电保护影响与方案一相同。

5)安全性。本方案负极接地要求与方案一相同，考虑在负极架空接触网设置接地装置。

6)成本效益。本方案对供电系统、轨道系统、车辆、站台门系统等产生影响。主要取消杂散电流系统、增加架空接触网回流、优化牵引变电所布点、增加接触网检修作业车、取消道床排流网及连接端子、车辆增加回流模式转换开关、站台门无需绝缘安装、取消区间和车站结构测防端子等。由于架空接触网阻抗高于接触轨阻抗，牵引变电所设置数量多于采用专用轨回流方案，同时线路存在两种接触网悬挂方式，需要增加接触网检修设备。经核算，本方案增加建设投资约80万元/km。综合分析可知，本方案采用架空接触网回流方案对区间设备系统无影响，能够满足线网间互联互通、资源共享要求，列车能够连续可靠取流，对供电系统继电保护、安全性影响较小，建设投资成本较高，增加建设投资约80万元/km。因此，本方案具备可行性和可实施性。在应用过程中，应重点考虑城市整体建设规划、城市景观要求以及增设架空接触网带来的相关运营需求。

3.3底部专用回流轨回流方案

在接触轨供电的基础之上，本方案在两根钢轨之间增加负极专用轨，如图1(c)所示。结合本文提出的影响因素对本方案进行可行性评价分析。

1)对区间设备系统的影响。本方案专用轨设置在两根钢轨之间，专用轨安装高度需要考虑集电靴浮动、弹簧动挠度、回流靴的组装公差等因素，经核算专用轨接触面高度需高于钢轨顶面105mm。由于车辆转向架底部设有齿轮箱、电机等设备，为满足车辆动态限界与专用轨安装高度要求，专用轨仅能安装在两根钢轨中间位置，这将与信号系统应答器安装位置冲突，需要重新设计应答器、车载BTM天线、主机等设备的布置方案，以满足信号系统功能需求。因此，本方案对信号设备影响大，对其他设备无影响。

2)对车辆回流效果的影响。本方案在两根钢轨中间设置专用轨，同理由于专用轨在道岔处位置需设置断口，专用轨布置不连续，可能引起列车失电范围扩大，如图8所示。依次核对不同编组车辆通过单开道岔和交叉渡线道岔时是否存在失电区，校验结果如表2所示，列车在通过道岔区时，仅3节编组列车通过5m交叉渡线时存在2处车辆失电区域，其余情况对于列车取流均无影响。因此，本方案在3节编组线路中会对列车回流产生一定的影响。

3)对网络化运营的影响。结合本方案车辆结构设计，回流靴设置在车辆底部，考虑车辆车体垂向晃动、轮对磨耗等因素，回流集电靴在自由状态最低点高于轨面20mm，两根钢轨之间设备均未低于轨面。因此，本方案车辆能够满足互联互通要求。对于回流模式转换，需要在专用轨与走行轨之间进行回流转换，停车转换流程与方案二一致。

4)对供电系统继电保护的影响。本方案对供电系统继电保护影响与方案一基本一致。

5)安全性。本方案在正极接触轨基础之上，在两根钢轨之间增设负极专用轨。由于专用轨授电接触面朝上，在人员检修、疏散时易触碰，因此需要在现状配置基础之上，增设专用轨接地装置，保证人员安全。

6)成本效益。本方案对供电系统、轨道系统、信号系统、车辆、站台门系统等产生影响。主要取消杂散电流系统、增加专用轨回流、优化牵引变电所布点、调整信号系统方案、取消道床排流网及连接端子、车辆增加回流模式转换开关、站台门无需绝缘安装、取消区间和车站结构测防端子等。由于本方案需调整信号设备方案，借鉴北京地铁机场线案例，需要增加应答器及车载主机等信号设备。经核算，本方案增加建设投资约55万元/km。综合分析可知，本方案采用两钢轨之间设置专用轨回流方案对区间信号设备系统影响大，对其他区间设备无影响，能够满足线网间互联互通、资源共享要求，6节编组列车通过道岔区域无失电区，3节编组列车存在2处失电区，对供电系统继电保护、安全性影响较小，建设投资成本增加约55万元/km。因此，本方案具备可行性和可实施性。在应用过程中，应在工程中结合线路条件优化线路布置，尽量避免失电区，全新设计车辆底部转向架和信号系统设备布置，进行相关测试，保证列车安全可靠运行，还需要考虑轨行区人员疏散问题。

3.4同侧专用回流轨回流方案

在接触轨供电基础之上，本方案在接触轨同侧设置专用轨，如图1(d)所示。专用轨与接触轨采用共架安装，专用轨设置在接触轨上方，保证正负极绝缘间距，如图9所示。结合本文提出的影响因素对本方案进行可行性评价分析。

1)对区间设备系统的影响。接触轨及专用轨安装于同侧，一般安装于行车方向右侧，与其他专业区间设备不存在侵限冲突情况。因此，该方案对区间设备系统不产生影响。

2)对车辆回流效果的影响。本方案专用轨与接触轨断轨方案一致，列车取流效果与走行轨回流时完全一样。因此，本方案连续取流效果不受回流形式改变的影响。

3)对网络化运营的影响。本方案将专用轨设置于接触轨上方。对于新建线路而言，对区间设备无影响；而对于既有线路，需要核对走行轨回流线路的疏散平台、站台门、水管等设备是否侵入专用轨回流车辆的限界，在满足限界时具备线网互联互通的条件。对于回流模式转换而言，考虑负极专用轨与走行轨之间的回流转换，需要在转换车站停车转换，转换流程与方案二一致。

4)对供电系统继电保护的影响。本方案对供电系统继电保护影响与方案一基本一致。

5)安全性。本方案在正极接触轨基础之上，同侧设置负极专用轨。人员检修、疏散时易触碰到负极专用轨，因此增设专用轨接地装置，保证人员安全。同时，由于正极与负极绝缘距离近，易发生正极与负极短路，引起变电所频繁跳闸，需在正、负极轨之间设置绝缘防护罩。

6)成本效益。本方案对供电系统、轨道系统、车辆、站台门系统等产生影响。主要取消杂散电流系统、增加专用轨回流、优化牵引变电所布点、取消道床排流网及连接端子、车辆增加回流模式转换开关、站台门无需绝缘安装、取消区间和车站结构测防端子等。经核算，本方案增加建设投资约42万元/km。综合分析可知，本方案采用侧部授流专用轨回流对区间设备系统无影响，能够满足线网间互联互通、资源共享要求，列车能够连续可靠取流，对供电系统继电保护、安全性影响较小，建设投资成本增加投资约42万元/km。因此，本方案具备可行性和可实施性。在应用过程中，应重点考虑回流集电靴易受到车辆运行晃动引起靴轨离线造成拉弧等问题，影响授流质量。同时，正、负极相距较近，空气绝缘距离小，在后续运营过程中可能发生短路停电的风险，影响正常运营。另经调研，采用侧部授流的磁悬浮线路相比于采用下部授流的地铁线路，其靴轨磨耗显著增加。因此，本方案在实施过程中，应注意优化正负极位置关系及靴轨关系，保证列车供电可靠，降低靴轨磨耗。

3.5综合对比

本文提出的4种专用轨回流设置方案均具备可行性，各有优缺点，从主要影响因素综合对比4种方案，具体如表3所示。

4专用轨回流系统对其他专业的影响

增设专用轨后对城市轨道交通其他专业会产生一定的影响，主要包括供电、轨道、车辆、站台门、限界、土建等。

1)供电系统。供电系统采用专用轨回流后，由于牵引间距不受轨电位限制，牵引网阻抗减小，可最大化发挥牵引供电能力，应适当调整牵引变电所数量；结合专用轨供电系统保护方案，需增设地-负单向导通装置、专用轨接地装置等设备，取消全线杂散电流腐蚀防护系统及全线钢轨电位限制装置；可取消线路内轨道绝缘结。

2)轨道系统。道床内可取消设置排流网及排流网连接端子、杂散电流监测端子。

3)车辆。车辆增设负极集电靴或受电弓、负极模式转换开关，调整车辆电气方案；电力工程车需采用专用轨回流，配置转换开关，其他工程车应满足限界要求。

4)站台门系统。站台门无需绝缘设计及安装；站台门系统的门体设计应直接接地，站台门内部整体等电位连接，并通过电缆与综合接地网连接。

5)限界。针对上述4种方案，部分方案设备布置存在冲突的情况，需要结合专用轨回流车辆限界进行核对调整，避免发生侵限问题。

6)土建。区间和车站结构可取消设置测防端子。

5结论

本文结合国内外研究成果，提出基于接触轨供电制式的4种专用轨回流设置方案，分别从对设备系统的影响、车辆回流、网络化运营、供电系统继电保护、安全性、成本效益等6个影响因素对各方案的可行性进行分析论证，主要结论如下。

1)4种专用轨回流方案均具备可行性。

2)每种专用轨回流方案均存在实施难点，在具体项目实施中应重点考虑。对侧专用轨回流方案需重点考虑列车转换模式简单化问题；架空接触网回流方案需综合考虑城市整体景观和增加架空接触网后对运营维护的影响；底部专用轨回流方案需要重点考虑区间人员疏散问题；同侧专用回流轨回流方案需要重点考虑正、负极绝缘距离近、侧部授流质量差、磨耗高等问题。

3)4种专用轨回流方案各有优缺点，综合考虑经济成本、技术成熟度和安全性，推荐优先采用方案一。同时各城市应结合自身轨道交通线网特点，经综合比选确定适合的专用轨回流方案，从而解决杂散电流带来的困扰。