地铁第四轨回流系统的可行性分析

运行与维护
102丨电力系统装备 2019.14
Operation And Maintenance
2019年第14期
2019 No.14
电力系统装备
Electric Power System Equipment
作为地铁的命脉，供电系统在制式选择方面一般稳中求进。

目前，DC1500V 接触轨或接触网授流，走行轨回流方式是国内地铁主流方案。

由于采用了走行轨回流方案，不可避免地会产生杂散电流问题，引发了产权单位的大量投诉和纠纷。

基于此，国内一些城市（例如宁波、许昌、深圳等）开始提出采用专用回流轨方案，即在钢轨附近采用绝缘支架支撑一条金属轨道，
车辆通过受电靴与专用回流轨（简称第四轨）电气接触，钢轨及车辆轮对不再作为回流路径的一部分，希望从根源上杜绝杂散电流泄露。

1 钢轨回流系统的技术困难
1.1 杂散电流
钢轨回流系统下，钢轨是牵引电流的载体，与道床之间通过绝缘垫片相互隔离。

［摘 要］采用专用回流轨（第四轨）方式，可以有效解决杂散电流问题，但是国内地铁工程却从未采用过此方案。

本文通过对国外地铁四轨方案的调研，结合国内类似工程案例，对地铁工程的四轨回流系统进行了可行性研究，分析了优缺点，提出了四轨系统的适用条件。

［关键词］四轨；地铁；回流；可行性研究［中图分类号］TM76 ［文献标志码］B ［文章编号］1001–523X （2019）14–0102–02
Feasibility Analysis of the Fourth Rail Return System of the Subway
Ma De-ming
［Abstract ］The special return rail (fourth rail) method can effectively solve the stray current problem, but the domestic subway project has never used this scheme. This paper analyzes the advantages and disadvantages of the four-track scheme of foreign subways and combines similar domestic engineering cases. The feasibility study of the four-track recirculation system of the subway engineering is carried out, and the applicable conditions of the four-track system are proposed. ［Keywords ］four tracks; subway; reflow; feasibility study 地铁第四轨回流系统的可行性分析
马德明
（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）
（1）电缆铺设位置的周边可能存在一些坚硬的物质，会对外保护层造成一定的刮擦等损伤；
（2）在电缆铺设过程中，由于疏忽或其他原因而导致的外保护层刮伤，为之后故障的发生埋下伏笔；
（3）生物类的侵害也会造成一定程度的外保护层问题，如白蚁损伤。

3 高压电力电缆出现故障的原因分析
高压电力电缆出现故障的主要原因包括外力破坏、施工质量和本身质量等。

根据相关统计，在这些原因中，外力破坏相比于其他原因占据了超过一半的比例。

4.1 外力破坏
一般情况下，高压电力电缆的铺设位置与其他基础设施相邻近，所以其他基础设施在施工过程中可能会对其周围的电缆造成不同程度的损伤。

例如未经施工环境调研的机械挖掘以及由于车辆碾压等造成的地面下沉等，都会造成电缆外保护层变形破坏，使得水分渗入而致使电缆发生故障。

4.2 施工质量
在电缆的实际铺设过程中，由于施工人员工作疏忽或者铺设环境过于艰苦而出现的一些施工质量问题，例如电缆端口设置不当，电缆相接处密封性差以及铺设环境温度以及湿度较高等。

4.3 电缆本身质量
尽管关于电缆的生产制造有严格的国家规定，但是并不
排除有一部分不良商家为了节约生产成本而导致设计生产的电缆不达标，例如电缆所含杂质超标，绝缘介质中存在一定
程度的微孔而导致水分进入等。

5 高压电力电缆故障防范措施
为了提高高压电力电缆的使用安全性与寿命，降低电缆的故障发生率，需在分析故障发生原因以及位置的基础上，采取有效手段进行防范。

在铺设电缆时严格控制选材质量；铺设过程中严格遵循施工方案；加强安全检查，对电缆故障的高发位置加大检修力度；加强与其他基础设施建设单位的沟通，防止邻近设备施工而造成的外力破坏；在高压电力电缆管理方面加大岗位责任落实制度；在电缆铺设地点设置警示牌，严格禁止无关人员靠近。

6 结语
高压电力电缆在整个电力输送网络中占据重要位置，所以保证高压电力电缆的正常运行，降低其故障发生率具有重要意义。

本文分析阐述了高压电力电缆故障发生的机理，包括局部放电，树枝放电等导致的绝缘介质老化问题，以及发生的原因，包括外力破坏，施工质量，电缆本身质量对电缆造成的影响等。

并分析了电缆极易放生故障的位置，以及提出了相应的防范措施。

参考文献
[1] 李浪.高压电力电缆故障原因分析及防范措施研究[J].内江科技，2017（11）：61-62.[2] 卢强.高压电力电缆故障原因分析与试验方法探讨[J].低碳世界，2015（24）：71-72.[3] 黄世伟，李泳锡.高压电力电缆故障原因分析和试验方法的分析[J].化工管理，2017（29）：
11-12.
运行与维护
2019.14 电力系统装备丨103
Operation And Maintenance
2019年第14期
2019 No.14
电力系统装备
Electric Power System Equipment 规范施工的前提下，建设初期钢轨与道床间泄漏电阻基本满足15 Ω·km 的指标要求，随着运营时间的推移，泄露电阻会逐渐下降。

类似于腐蚀电池原理，当电流流出钢轨时，对钢轨造成腐蚀；当电流由金属管线流回钢轨的时候，又会造成金属管线的腐蚀。

仅从工程本身角度考虑，主要有以下几个原因：
（1）钢轨的多任务特性；
（2）土建工程施工粗放，监理难度大；（3）运营维护不当（钢轨维护）。

1.2 钢轨电位
由于钢轨与车体等电位，并与供电系统中的负极相连，当发生直流短路故障时，轨电位会快速上升。

为了保证乘客的安全，设置了钢轨电位限制装置（简称OVPD ）。

钢轨电位与杂散电流防护在绝大多数情况下是相互矛盾的，是杂散电流防护与人身安全的博弈。

因为回流入不畅引起钢轨电位上升，造成钢轨电位频繁动作。

由于动作过于频繁，故障的原因又非常复杂，难以核实处理。

为确保人身安全，一些线路将某些车站或场段OVPD 装置长期处于合闸状态，进一步加剧了杂散电流的扩散。

2 第四轨回流系统的历史
纵观世界轨道交通供电系统的发展历史，第四轨回流系统并不是一个新型的解决方案，恰恰相反，地铁最初的供电方式就是采用的第四轨回流方案。

图1为伦敦地铁四轨系统。

回流轨
接触轨
走行轨
图1 伦敦地铁四轨系统
第四轨回流系统并不是一种被淘汰的供电制式，而是一
种基于当时的土建施工技术上的防止杂散电流的地铁供电系统最佳方案。

随着整体道床技术的发展，第四轨回流系统的成本劣势和对检修维护的影响限制了其进一步的发展。

3 第四轨回流系统的技术优缺点
3.1 优点
3.1.1 彻底解决杂散电流腐蚀问题
通过设置专用回流轨，采用绝缘支架进行回流轨与大地的绝缘，将负极真正的实现悬浮。

由于钢轨不再作为导体，与轨道相关的工程可以大为简化，土建工程质量对供电系统的回流系统的影响可以大幅降低。

对于一些穿越大型输油管道、采矿区（瓦斯密集区）、电磁敏感地带的线路，第四轨回流系统具有特殊的适用性。

3.1.2 减少牵引变电所的数量
由于钢轨不再作为载流的导体，对乘客无任何人身危害，专用回流轨的轨电位不再是牵引所布点方案的制约条件，可以适当减少牵引变电所的数量。

3.2 缺点
3.2.1 车辆采购
采用第四轨回流方案后，车辆不再采用传统的结构复杂
的轮对回流系统，而需要增加与回流轨接触的受电靴，虽然使得车辆的电气回路更为简化，但车体机械结构需要特殊调整。

3.2.2 资源共享
在既有线是钢轨回流系统的前提下，新线若采用第四轨
回流系统的车辆，无法直接进入旧线运行或维修；既有线车
辆也难以直接进入新线运行或维修。

3.2.3 正对地故障的识别
由于专用回流轨采用了阻抗为兆欧级别的绝缘支架进行支撑，当区间接触网出现正对地故障时，故障电流极小，甚至小于正常的负荷电流。

目前在第四轨系统（例如跨坐式单轨）中常用的接地故障保护装置的原理类似于框架电压，其动作跳闸的结果无选择性，会引起大范围的牵引网断电。

3.3 推荐方案
3.3.1 回流轨布置方案
综合考虑限界布置和国内地铁车辆的设计通用性，充分利用既有设计的成果，降低车辆制造难度，推荐采用接触网授流，侧面接触轨回流方式[3]。

3.3.2 资源共享回流切换系统
综合考虑资源共享，推荐新线（适用于第四轨回流系统）采购的车辆设置两套回流系统，在需要跨线运行或维修时候进行切换。

3.3.3 正对地故障处理方案
由于区间正极与地之间的阻抗极大，电流较小，可不作为短路故障进行对待，对于设备和乘客的安全影响均在可控范围内，但仍应考虑巡检人员的跨步电压问题。

4 第四轨回流系统投资分析
以一条30 km 长的全地下敷设的地铁工程为例，将第四轨回流系统与钢轨回流系统进行投资比较，具体分析如表1 所示：
表1 投资对标比
项目名称增加费用（万元）
工程费用
轨道
-418 供电
第四轨
19826 杂散电流防护
-3044 其他
-160 站台门
-380 工程建设费用2232 预备费1806
专项费用
车辆购置费5760 建设期贷款利息1672 合计
27294
由表1可见，第四轨方案投资的增加主要是接触轨和车辆两个部分，整体投资增加约0.09亿/km 。

由于对杂散电流防护要求高的城市，往往是经济条件较好的城市，因此第四轨系统对工程投资的增加不影响工程的可行性。

5 结语
第四轨回流系统与杂散电流防护的需求密切相关，也并非是新事物。

淘汰第四轨回流方式，正是基于土建技术的进步和施工质量的有效保证，国外多数地铁线路很少出现杂散电流问题，就是很好的佐证。

地铁工程是一个多专业多系统的综合工程，在当前国内地铁土建施工精细化程度普遍偏低的现状下，第四轨回流方式增加投资不多，却能一劳永逸地解决杂散电流问题，仍然具有很强的生命力。

参考文献
[1] 潘姿华，魏庆朝，王潇.米兰地铁线网规划及其运营管理[J].都市快轨交通，2016（2）：92-96.[2] 何治新.城市轨道交通DC 1 500 V 四轨技术研究[J].电气化铁道，2008（3）：38-40.[3] 盛蓉蓉.中低速磁浮交通牵引供电系统接地保护研究[J].铁道工程学报，2016，33（10）：97-101.。