模塊2　城市軌道交通供電系統認知

城市軌道交通供電系統是城市軌道交通總系統中的一個重要組成部分，其有效運行是城市軌道交通總系統安全可靠運行的重要保障。本模塊是城市軌道交通供電系統認知的核心部分，是在其他模塊基礎上提升。

1.2.1　學習目標

1.掌握城市軌道交通供電系統組成；

2.掌握供電系統向牽引變電所的供電方式；

3.掌握城市軌道交通供電系統的運行方式；

4.熟悉雜散電流形成機制；

5.掌握雜散電流腐蝕的防護與監測。

1.2.2　知識準備

1.2.2.1　城市軌道交通供電系統概述

1.城市軌道交通供電系統的供電制式

城市軌道交通的供電系統，由變電所、接觸網（接觸軌）和回流網三部分構成。變電所通過接觸網（接觸軌），由車輛受電器向電動客車饋送電能，回流網是牽引電流返回變電所的導體。

牽引網的供電制式主要指電流制、電壓等級和饋電方式。目前城市軌道交通的直流牽引電壓等級有DC600V、DC750V和DC1500V等多種。我國國家標準《地鐵直流牽引供電系統》規定了DC750V和DC1500V兩種電壓制式。

牽引網的饋電方式分為架空接觸網和接觸軌兩種基本類型。其中電壓制式與饋電方式是密不可分的。一般架空接觸網饋電方式電壓等級采用DC1500V。目前第三軌饋電方式電壓等級主要采用DC750V，但有向DC1500V發展的趨勢。

供電制式選擇的原則是：

（1）供電制式與客流量相適應

客流量是軌道交通設計的基礎，應根據預測客流量大小，選擇適用的電動客車類型和列車編組數量。一般大運量的軌道交通系統，采用DC1500V電壓和架空接觸網饋電，中運量的系統采用DC750V電壓和接觸軌饋電方式。

（2）供電安全可靠

城市軌道交通是城市交通的骨干，一旦牽引網發生故障，造成列車停運，就會影響市民出行，引起城市交通混亂。因此，安全可靠是選擇供電制式的最重要條件。

（3）便于安裝和事故搶修

選用的牽引網應便于施工安裝和日常維修，一旦發生牽引網故障，應便于搶修，盡快恢復運營。

（4）牽引網的使用壽命長，維修工作量小，是降低軌道交通運營成本的重要條件。

（5）城市軌道交通是城市的基礎設施，應注重環境和景觀效果。

2.國外軌道交通供電系統的發展

電力牽引用于軌道交通系統已有100多年的歷史，隨著經濟和科學技術的不斷發展，用于軌道交通的電力牽引方式有許多不同的制式出現。這里所說的制式是指供電系統向電動車輛或電力機車供電所采用的電流和電壓制式，如直流制或交流制、電壓等級、交流制中的頻率（工頻或低頻）以及交流制中是單相或三相等。

為了便于理解電力牽引制式的變化和發展原因，首先介紹一下對城市軌道交通牽引列車的電動車輛或電力機車特性的基本要求：

（1）啟動加速性能。要求啟動加速力大而且平穩，即恒定的大啟動力矩，便于列車快速平穩啟動。

（2）動力設備容量利用。對列車的主要動力設備——牽引電動機的基本性能要求為：列車輕載時，運行速度可以高一些，而列車重載時運行速度可以低一些。這樣無論列車重載或輕載都可以達到牽引電動機容量的充分利用，因為列車的牽引力與運行速度的乘積為其功率容量，這時近于常數。

（3）調速性能。城市軌道交通運輸，要求有不同的運行速度，即調速。在調速過程中既要達到變速，還要盡可能經濟，不要有太大的能量損耗，同時還希望容易實現調速。

了解了以上對列車牽引的基本特性要求以后，不難看出，直流串激電動機的性能是很符合這個要求的，即其機械特性（轉矩與轉速的關系特性）正符合重載時速度低，輕載時速度高的要求。更形象一點說，它具有牛馬特性，牛可以拉得多一些，但跑得慢；馬跑得快，但力氣小，拉得少一些。

此外，從直流串激電動機的啟動和調速方法看，也是比較容易實現的。為了限制直流串激電動機剛接通電源時啟動電流太大和正常運行時為了降速而降低其端電壓，最早采用在電動機回路中串聯大功率電阻的方法來達到限流和降壓的目的。這種方法實現是容易的，但在啟動和調速過程中卻帶來了大量的能量損耗，很不經濟。盡管如此，由于局限于一定時期的技術發展水平，采用直流串激電動機作為牽引動力就成為最早也是迄今為止被長期應用的形式，這就是供電系統直接以直流電向電動車輛或電力機車供電的電力牽引“直流制式冶。

隨著城市軌道交通客流量的不斷增加，城軌列車需要的功率愈來愈大，如果采用直流供電制式，因受直流串激電動機（牽引電動機）端電壓不能太高的限制，會導致供電電流很大，因而供電系統的電壓損失和能量損耗必然增大。因此出現了“低頻單相交流制冶。

低頻單相交流制是交流供電方式，交流電可以通過變壓器升降壓，因此可以升高供電系統的電壓，到了列車以后再經車上的變壓器將電壓降低到適合牽引電動機應用的電壓等級。由于早期整流技術的關系，這種制式采用的牽引電動機在原理上與直流串激電動機相似的單相交流整流子電動機。這種電動機存在著整流換向問題，其困難程度隨電源頻率的升高而增大，因此采用了“低頻冶單相交流制，它的供電頻率和電壓有25Hz、6.5～11kV和15～等類型。由于用了低頻電源使供電系統復雜化，需由專用低頻電廠供電，或由變頻電站將國家統一工頻電源轉變成低頻電源再送出，因此在城市軌道交通中沒有得到廣泛應用，只在少量國家的工礦或干線上應用。

由于低頻單相交流制存在以上缺點，長期以來，人們一直在尋求一種更理想的牽引供電方式，這就是“工頻單相交流制冶。這種制式既保留了交流制可以升高供電電壓的長處，又仍舊采用直流串激電動機作為牽引電動機的優點，在電力機車上裝設降壓變壓器和大功率整流設備，它們將高壓電源降壓，再整流成適合直流牽引電動機應用的低壓直流電，電動機的調壓調速可以通過改變降壓變壓器的抽頭或可控制整流裝置電壓來達到。工頻單相交流制是當前世界各國干線電氣化鐵路應用較普遍的牽引供電制式。我國干線電氣化鐵路即采用這種制式，其供電電壓為25kV。

在牽引制的發展過程中曾出現過“三相交流制冶的形式，但由于供電網比較復雜，必須要有兩根（兩相）架空接觸線和走行軌道構成三相交流電路，兩根架空接觸線之間又要高壓絕緣，造成的困難和投資更大，因此被淘汰。

關于直流制式的電壓等級應用情況大致如下：干線電氣化鐵路的供電電壓有3kV的，電壓沒有再提高是因為受到直流牽引電動機端電壓的限制，其值一般為1.5kV左右，用3kV供電，一般就需要將兩臺電動機串聯，再提高供電電壓，其連接就更復雜，還涉及當時整流裝置絕緣水平的問題。這種制式在前蘇聯和東歐一些國家應用最普遍。

由于大功率半導體整流元件（晶閘管）的出現，在直流制電動車輛上，采用以晶閘管為主體的快速電子開關（整流器），可對直流串激牽引電動機進行調壓調速，消除了用串聯電阻啟動和降壓調速的不經濟方法，給直流制增添了新的生命力。

另外還由于快速晶閘管的出現，近年來發展為由快速晶閘管等組成逆變器，不但將直流電逆變成交流電，而且頻率可以調節，這樣就解決了多年來想采用結構簡單、結實的鼠籠式異步電動機作為牽引電動機的愿望。用變頻率改變異步電動機速度的方法（簡稱變頻調速），使異步牽引電動機性能滿足牽引列車特點的要求。這種方法在國外無論在城市軌道交通還是在工礦和干線電牽引車輛上都應用較多。上海市地鐵2號線的電動車輛就采用這種形式。不過，盡管電動車輛上采用的是交流異步牽引電動機，其架線供電電壓還是直流的，所以還屬于直流制式的范疇，這就給直流制的應用打開一個更寬廣的天地，使它更有生命力。

從1863年倫敦建成世界上第一條地下鐵道以來，在150多年的時間內，世界各國已有近百座城市修建了城市軌道交通。城市軌道交通幾乎毫無例外地都采用直流供電制式，這是因為城市軌道交通運輸需要的列車功率并不是很大，其供電半徑（范圍）也不大，因此供電電壓不需要太高；還因為沒有電抗壓降直流制比交流制的電壓損失小（同樣電壓等級下）。另外由于城市內的軌道交通，供電線路都處在城市建筑群之間，為確保安全，供電電壓不宜太高。基于以上原因，世界各國城市軌道交通的供電電壓都在DC550～1500V，但其擋級很多，這是由各種不同交通形式，不同發展歷史時期造成的。現在國際電工委員會擬定的電壓標準為：600V、750V和1500V三種。后兩種為推薦值。我國國標也規定為750V和1500V，不推薦現有的600V。DC1500V接觸網和DC750V第三軌饋電都是可行的。從世界范圍來看，采用第三軌饋電的占多數。

目前，為了降低工程造價，各國城市軌道交通有向地面線和高架線發展的趨向。隨著人們環保意識的增強，越來越重視軌道交通的城市景觀效果，因此，新建的軌道交通系統采用第三軌饋電的日益增多。例如，1990年建成的新加坡地鐵，號稱集中了世界最先進的技術，為保護旅游城市環境，采用第三軌饋電。近年新建的吉隆坡輕軌、曼谷地鐵、德黑蘭地鐵，都采用DC750V第三軌饋電。

近年來，有人說第三軌饋電是陳舊落后的技術，接觸網是先進技術。這是一種片面的說法。衡量一條城軌線路是否先進，應該是它的自動化水平高低，計算機技術和信息技術應用程度，以及是否符合環保要求和景觀效果，而不是采用了哪種供電方式。

3.國內軌道交通供電系統的發展現狀

我國自1969年建成北京第一條地下鐵道以后，相繼已有上海、廣州、南京等城市軌道交通投入商業運營。國內在運營或者將要運營的軌道交通的供電系統主要采用架空式接觸網和第三軌式（又稱接觸軌式）兩種饋電類型。其中北京、天津等地鐵采用DC750V的第三軌饋電，無錫地鐵采用DC1500V的第三軌饋電，電壓提高到1500V是第三軌饋電技術發展的一個方向；上海、南京等地鐵采用DC1500V架空式接觸網饋電。

下面我們從不同的角度對以上的兩種供電制式進行分析比較。

（1）設備施工安裝比較

架空接觸網懸掛在鋼軌軌面上方，由承力索、滑觸線、饋電線、架空地線、絕緣子、支柱、支持與懸掛零部件、隔離開關、電纜及下錨裝置等組成，結構比較復雜，零部件較多。架空接觸網施工安裝時，因作業面較高，作業不方便，安裝調整比較困難。需要使用專用的架線車和大型機具，施工費用較高。

第三軌安裝在車輛走行軌外側，由導電接觸軌、絕緣子、絕緣支架、防護罩、隔離開關和電纜組成，結構比較簡單，零部件較少。第三軌安裝高度較低，鋼鋁復合接觸軌每延米重量為14.25kg，施工安裝方便，施工機具簡單，施工安裝費用較低。

（2）設備投資比較

現以青島地鐵為例，對兩種供電制式的設備投資進行比較。青島地鐵第一期工程長約16.455km，全部為地下線，設13座車站。采用以主變電所為主的混合式供電方案。除去兩種供電制式相同部分設備的投資（2座主變電所、車輛段的1座牽引降壓混合變電所和兩座降壓變電所、10kV電纜網絡），對兩種供電制式下可比部分的設備投資比較如下。

①DC1500V架空接觸網方案

青島地鐵第一期工程，采用DC1500V架空接觸網方案，正線上設牽引降壓混合變電所6座，設降壓變電所7座。按牽引降壓混合變電所每座造價1000萬元，降壓變電所每座造價400萬元，架空接觸網（柔性隧道內）每公里造價165萬元計算，系統中可比部分的造價為14262萬元。

②DC750V低碳鋼接觸軌方案

采用DC750V低碳鋼接觸軌方案，正線上設9座牽引降壓混合變電所，設4座降壓變電所。該方案變電所的單價與DC1500V架空接觸網方案相同，接觸軌每公里造價按103萬元計算，系統中可比部分的造價為14009萬元。

③DC750V鋼鋁復合接觸軌方案

鋼鋁復合接觸軌是由不銹鋼帶，通過機械方法，與鋁合金型材相結合制成的接觸軌。其特點一是重量輕，每延米重14.75kg；二是電阻率低，牽引網損耗小；三是供電距離較長。

青島地鐵第一期工程，采用DC750V鋼鋁復合接觸軌方案，正線上設7座牽引降壓混合變電所（接觸網方案為6座），設6座降壓變電所。鋼鋁接觸軌每公里造價按125萬元計算。系統中可比部分的造價為13538萬元。

由此可見，以設備投資而論，架空接觸網方案和低碳鋼接觸軌方案基本持平，鋼鋁復合接觸軌方案造價最低。

（3）供電可靠性比較

地鐵每天運營18h，必須保證不間斷地供電。一旦供電中斷，就會造成地鐵停運，打亂城市交通秩序。因此，安全可靠的供電是選擇供電制式的重要條件。

①架空接觸網系統

柔性架空接觸網結構復雜，固定支持零部件較多，所以薄弱環節也多。一旦某個零部件發生問題，會引起滑觸線脫落，甚至發生刮弓等惡性事故。

另外，架空接觸網靠導線張力維持其工作狀態，經過多年磨損及電弧燒傷，導線的截面會逐漸減小，其強度也隨之降低。加上導線材料的缺陷，在拉錨裝置及故障電流作用下，極易發生滑觸線斷線事故，造成地鐵停運。

香港地鐵采用DC1500V架空接觸網供電。建成后多次發生架空線斷裂，造成地鐵長時間停運，引起地面交通癱瘓。

上述事實說明，架空接觸網供電的可靠性較差。一旦發生斷線事故，因高空作業也不便于搶修。上述架空線事故，國內幾家地鐵也已發生多起。

②接觸軌系統

接觸軌系統的零部件少，結構比較簡單，堅固耐用，不存在斷軌和刮碰受流器等事故隱患，北京和天津地鐵的三軌系統使用近30年，從未發生過因接觸軌故障造成列車停運事故。由此可見，接觸軌供電系統的可靠性較高。一旦發生事故，搶修也方便快捷。

（4）使用壽命比較

接觸網的使用壽命，關系到接觸網更新改造的再投資，磨耗到限的導線必須及時更換。國產架空接觸導線的設計使用壽命為15年，進口接觸線的使用壽命可達20年。就是說采用架空接觸網供電，系統每隔15～20年就需要更換一次滑觸導線。

接觸軌的特點是堅固耐磨，使用壽命長。我國地鐵考查人員在倫敦地鐵看到了使用100多年的第三軌。前幾年，北京地鐵曾對低碳鋼接觸軌磨耗狀況進行過檢測，經過20多年的運營，其磨耗量不到5％。按此推算，接觸軌使用100年其磨耗量也不到25％。

因此，從使用壽命和節約投資考慮，接觸軌方案具有較大優勢。

（5）維修費用比較

①架空接觸網系統

架空接觸網在運營中維修調整工作量較大，需要組建接觸網維修工區。一個接觸網工區定員需25人，配備專用的接觸網檢查車，承擔10km左右線路接觸網的維修任務。按此計算，一條20km長的地鐵，需要設兩個接觸網工區，定員約50人。

接觸網工區的車輛、機具設備以及人員工資福利等，使運營管理單位每年要付出一筆很大的維修費用及管理費用。

另外，在日常運營中，若接觸網發生斷線事故，由于作業面高，搶修很困難。香港地鐵最長的搶修時間達12h。

②接觸軌系統

采用第三軌供電，其結構簡單，堅固耐用，幾乎不用維修。北京地鐵沒有專職的三軌維修人員，由線路維修人員兼顧三軌維修。

平常三軌維修的內容有：擦拭絕緣瓷瓶、檢查饋電線接頭焊點、調整三軌安裝位置、檢查防爬設備、調整三軌彎頭。這些簡單的維修工作，不需要大型機具設備，所花維修費用較少。

（6）土建費用比較

快速軌道交通的土建費用，與工程地質條件和施工方法有關。地下車站明挖施工，與供電制式無關，盾構法施工的區間隧道斷面，兩種供電制式相同，不需要進行比較。

用明挖法施工的區間隧道，兩種供電制式的凈空高度不同，具有可比性。

我國地下鐵道限界標準規定，DC1500V架空線系統的隧道凈空高度為4.5m；DC750V三軌系統的隧道凈空高度為4.2m。兩者相差0.3m。

按此計算，DC750V三軌系統，每延米區間隧道（雙線），可節約鋼筋混凝土0.42m3，每公里隧道可節約投資46萬元。

用礦山法施工的直墻拱形隧道，DC1500V系統與DC750V系統，凈空高度相差0.25m。每公里隧道減少開挖量2350m3，可節約投資約70萬元。

（7）城市景觀效果比較

隨著人們環保意識的增強，越來越重視城市環境和景觀。上海地鐵3號線建成以后，人們開始反思架空接觸網對城市景觀的負面影響，實際上這個問題十年以前在國外已經引起重視。

1990年建成的新加坡地鐵67km線路，1998年馬來西亞吉隆坡建成的兩條高架輕軌，以及1999年建成的泰國曼谷輕軌，從城市景觀效果考慮，均采用第三軌饋電。

北京地鐵13號線，以地面線和高架線為主，采用第三軌饋電，其景觀效果受到了市民的稱贊。廣州地鐵總結了過去的經驗，已確定在地鐵4號線上采用DC1500V電壓的第三軌饋電方式。

從城市景觀效果考慮，三軌饋電系統有較大的優勢。

（8）人身安全比較

系統采用DC1500V架空接觸網，其滑觸線懸掛在線路上方4m處，不會對軌道維修人員及發生事故時人員快速疏散帶來影響，安全性較好。正在研究中的城際間快速軌道交通系統，采用地面線和高架線形式，城市景觀退居次要地位。出于人身安全考慮，傾向于采用架空接觸網饋電。

DC750V三軌系統，接觸軌安裝在走行軌旁邊，高度較低，在接觸軌帶電情況下，人員進入隧道，或發生事故時人員快速疏散有一定的危險性。因此，從人身安全考慮，架空接觸網系統具有優勢。實踐說明，由于在三軌上安裝有絕緣防護罩，北京地鐵運營30多年來也未發生工作人員和乘客被電擊傷的事故。

（9）牽引網能量損耗比較

牽引網系統的能量損耗，與牽引網的電壓制和饋電方式有關。在列車功率相同的條件下，牽引網電壓和列車電流成反比，即牽引網電壓提高一倍，其列車電流減少一倍。因此DC1500V系統比DC750V系統的列車電流減小。

變電所的間距增大，牽引網的饋線電流成正比增大。DC1500V系統的變電所間距比DC750V系統大，二者牽引網上的實際饋線電流不是1頤2的關系，而應該是1頤1.5的關系。

另一方面，架空接觸網上的線路電阻為23～27m贅/km，而鋼鋁復合三軌的線路電阻為8m贅/km，僅為架空接觸網電阻的1/3。根據電能消耗公式W=I2Rt計算，鋼鋁復合軌牽引網的電能消耗要比架空接觸網的能耗小。

綜上所述，通過對兩種供電制式的比較，可以看出：從工程一次投資比較，DC1500V架空接觸網方案最高，DC750V低碳鋼三軌方案次之，DC750V鋼鋁復合軌方案最低；DC1500V架空接觸網方案，在人身安全方面具有優勢；DC750V三軌方案具有6大優勢，即施工安裝和故障搶修方便，區間隧道土建費用低，供電可靠性高，使用壽命長，維修工作量小且維修費用和管理費用低，城市景觀效果好。

一般來說，預測客流量較大，選用A型車8輛編組，車組重量達440t。按照這樣大的負荷確定系統采用DC1500V架空線供電比較合適。對于一些中等城市，客流量不是很大，選用B型車6輛編組，車組重量不超過300t。在這種線路上，選用第三軌供電比較合適。

架空接觸網適合用在地下線，如用在高架橋上和地面線上，將影響城市景觀。特別是旅游城市更要考慮到城市景觀效果，應該采用第三軌供電。

1.2.2.2　城市軌道交通供電系統的組成

城市軌道交通作為城市電網的一個用戶，一般都直接從城市電網取得電能，無需單獨建設電廠；城市電網也把城市軌道交通看成一個重要用戶。城市軌道交通供電系統由電源系統（城市電網、主變電所）和牽引供電系統、動力照明供電系統和電力監控系統組成。其中牽引供電系統包括牽引變電所和牽引網兩大部分，動力照明供電系統包括降壓變電所與動力照明配電系統。

城市軌道交通的供電系統可分為交流高中壓（HMV）、牽引供電（TPS）、接觸網（OCS）、電力監控（SCA）等子系統。

1.電源系統

我國和大多數國家一樣，電力生產由國家經營管理，因此無論是干線電氣化鐵路，還是工礦電力牽引和城市軌道交通電力牽引用電均由國家統一電網供給。

為了說明電力牽引供電系統各個組成部分的關系和作用，下面以城市軌道交通直流電力牽引供電系統為例，如圖1.4所示。

圖1.4　城市軌道交通電力牽引供電系統

1—發電廠（站）；2—升壓變壓器；3—電力網；4—主降壓變電站；5—直流牽引變電所；6—饋電線；7—接觸網；8—走行軌道；9—回流線

生產電能的發電廠（站）由于它所利用的能源的不同，可以分為火力發電廠（用煤、油為燃料）、水力發電廠、原子能發電廠以及風力、地熱、太陽能和潮汐發電廠等。電廠可能與其用戶相距甚遠，必須將輸電電壓升高，以減少線路的電壓損失和能量損耗，因此在發電廠的輸出端接入升壓變壓器以提高輸電電壓。目前我國用得最普遍的輸電電壓等級為110～220kV。

通常國家供電系統總是把在同一個區域（或大區）的許多發電廠通過高壓輸電線和變電所聯結起來成為一個大的統一的供電系統，向該區域的負荷供電。這樣由各級電壓輸電線將發電廠、變電所和電力用戶聯結起來的一個發電、輸電、變電、配電和用戶的統一體被稱為電力系統。組成統一的電力系統有如下的一些優越性：

（1）可以充分利用動力資源。火力發電廠發出多少電能就需要相應的消耗多少燃料，而其他的某些類型發電廠，它能發出多少電能取決于當時該發電廠的動力資源情況，如水電站的水位高低，它隨自然條件的變化而變化。因此，組成統一的電力系統以后，在任何時候，可以動態地調整各種動力資源，以求其發揮最大效益。

（2）減少燃料運輸，降低發電成本。大容量火力發電廠所消耗的燃料是很可觀的，如果不用高壓遠距離輸電，則發電廠必然要建在負荷中心附近而不能建在燃料資源的生產地，這樣就要大量運輸燃料，造成發電成本升高。采用高壓輸電電力系統以后就可以解決以上問題，將發電廠建在動力資源豐富的地方。

（3）提高供電的可靠性。由于供電區域內的負荷是由多個發電廠組成的電力系統共同供電的，與單個發電廠獨立向自己的負荷供電比較起來，對負荷的供電可靠性就可以提高很多，因為系統內發電廠之間可以起到互為后備的作用。與此同時，整個系統的發電設備容量也可以減少很多，降低了設備的投資費用。

（4）提高發電效率。沒有組成電力系統之前，每個發電廠的容量是按照它的供電負荷大小來設計選擇的，如果該地區負荷小，則發電設備單機容量就小。通常單機小容量的發電設備總是比大容量的設備運行效率低些，因此組成電力系統以后，不但各發電廠的單機容量可以盡可能選得大一些，以提高單機的運行效率，而且總機組數目也可減少，還不受各地區負荷大小的牽制，因為它們是由統一系統供電的，這就達到了提高發電效率的目的。

通常高壓輸電線到了各城市或工業區以后通過區域變電所（站）將電能轉配或降低一個等級（如10～35kV）向附近各用電中心送電。城市軌道交通牽引用電既可從區域變電所高壓線路得電，也可以從下一級電壓的城市地方電網得電，這取決于系統和城市地方電網具體情況以及牽引用電容量大小。

對于直接從系統高壓電網獲得電力的城市軌道交通系統，往往需要再設置一級主降壓變電站，將系統輸電電壓如110～220kV降低到10～35kV以適應直流牽引變電所的需要。從管理的角度上看，主降壓變電站可以由電力系統（電業部門）直接管理，也可以歸屬于城市軌道交通部門管理。

從發電廠（站）經升壓、高壓輸電網、區域變電站至主降壓變電站部分通常被稱為牽引供電系統的“外部（或一次）供電系統冶。主降壓變電站（當它不屬于電力部門時）及其以后部分統稱為“牽引供電系統冶，它應該包括：主降壓變電站、直流牽引變電所、饋電線、接觸網、走行軌及回流線等。直流牽引變電所將三相高壓交流電變成適合電動車輛應用的低壓直流電。饋電線是將牽引變電所的直流電送到接觸網上。接觸網是沿列車走行軌架設的特殊供電線路，電動車輛通過其受流器與接觸網的直接接觸而獲得電能，走行軌道構成牽引供電回路的一部分，回流線將軌道回流引向牽引變電所。

2.向牽引變電所的供電方式

城市電網對城軌交通的供電方式有如下三種。

（1）集中供電方式

沿著城軌交通線路，根據用電容量和城軌交通線路的長短，建設城軌交通專用的主變電所。主變電所電壓一般為進線電源AC110kV，由發電廠或區域變電所對其供電，再由主變電所降壓為城軌交通內部供電系統所需的電壓級（AC35kV或AC10kV）。各主變電所具有兩路獨立的AC110kV電源。集中供電方式有利于城軌交通公司的運營和管理，各牽引變電所和降壓變電所由環網電纜供電，具有很高的可靠性。廣州、深圳、上海和香港城軌交通即為此種供電方式。集中供電方式如圖1.5所示。

圖1.5　集中供電方式的環網供電示意圖

①主變電所

城軌負荷作為一級負荷，主變電所進線一般為雙電源。雙電源的設計有兩種：一是兩路電源均為專用線路，電源可靠性高；另一種是一路電源為專用線路，另一路T接于供電線路與其他用戶共享電源。T接電源可靠性相對來說有所下降，但也能滿足地鐵供電的要求。兩路電源分列運行，相互備用。同時，在設計中通過地鐵環網電纜將兩座主變電所的母線進行連接，即使兩路外部電源同時發生故障，也可以實現主變電所之間的相互支援，提高了外部電源的安全可靠性。

主變電所進線電源側可采用橋形接線或線路變壓器組接線，如圖1.6所示。采用何種接線形式，主要考慮外部電源的可靠程度和電力部門的要求。橋形接線的可靠性要略高于線路變壓器組接線，主要體現在當一路進線電源故障時，完全不影響地鐵供電系統的運行，而此時線路變壓器組接線就只能單臺主變壓器運行。主變電所中壓側采用單母線分段接線方式，當其中1臺主變壓器或一路中壓進線不能正常運行時，通過母聯開關合閘保證地鐵供電的可靠性。當外部電源不穩定時，通過主變壓器有載調壓開關保證地鐵電源的穩定性和可靠性。

圖1.6　主變電所電氣主接線示意圖

②中壓交流環網系統

城市軌道交通的中壓交流環網系統可采用牽引與動力照明相對獨立的網絡形式，也可采用牽引與動力照明混合的網絡形式。對于牽引與動力照明相對獨立的網絡，牽引供電網絡與動力照明網絡的電壓等級可以相同，也可以不同。供電系統中的中壓網絡應按列車運行的遠期通過能力來設計，對互為備用線路，一路退出運行時，另一路應能承擔其一、二級負荷的供電，線路末端電壓損失不宜超過5％。

一個運行可靠、調度靈活的環網供電系統，一般需滿足以下設計原則和技術條件：

a.供電系統應滿足經濟、可靠、接線簡單、運行靈活的要求。

b.供電系統（含牽引供電）容量按遠期高峰小時負荷設計，根據路網規劃的設計可預留一定裕度。

c.供電系統按一級負荷設計，即平時由兩路互為備用的獨立電源供電，以實現不間斷供電。

d.環網設備容量應滿足遠期最大高峰小時負荷的要求，并滿足當一個主變電所發生故障時（不含中壓母線故障），另一個主變電所能承擔全線牽引負荷及全線動力照明一、二級負荷的供電。

e.電纜載流量也滿足最大高峰小時負荷的要求，同時當主變電所正常運行，環網中一條電纜故障時，應能保證城市軌道交通正常運行。此時可不考慮主變電所和環網電纜同時故障的情況，但考慮主變電所與一個牽引變電所同時故障時，能正常供電（三級負荷除外）。

在中壓環網電壓等級的選取上，國內一般有35kV/33kV和10kV兩種等級，環網電壓高則可相應減少主變電所的個數和降低線路損耗。目前，國內已經開通和即將開通的地鐵線路多數采用集中供電方式，中壓環網電壓多采用35kV/33kV等級。

（2）分散供電方式

根據城軌交通供電系統的需要，在城軌交通沿線直接從城市電網引入多路電源，由區域變電所直接對城軌交通牽引變電所和降壓變電所供電，稱為分散供電。這種供電方式多為AC10kV電壓級，因為我國各大城市的電網在逐漸取消或改造AC35kV這一電壓級，要想在10～30km的范圍內引入多路AC35kV電源是不現實的。分散供電方式要保證每座牽引變電所和降壓變電所都能獲得雙路電源。沈陽城軌、北京城軌5號線即為此種供電方式。分散供電方式如圖1.7所示，可以看到，無論是牽引變電所還是降壓變電所，其電源都由不同地方的電源提供。

圖1.7　分散供電方式示意圖

采用分散供電方式可以取消地鐵主變電所，從而節省主變電所的投資，但是地鐵電源系統能否采用這種方式與城市電網發達情況密切相關。采用集中供電方式可使地鐵供電系統與外界的接點減少，便于日后的運營維護。

（3）混合供電方式

混合供電方式是前兩種供電方式的結合，以集中供電方式為主，個別地段引入城市電網電源作為集中供電方式的補充，使供電系統更加完善和可靠。武漢軌道交通、北京城軌交通1號線和2號線即為此種供電方式。

1.2.2.3　城市軌道交通供電系統的特點

1.牽引供電系統

（1）概述

城軌交通牽引供電系統由牽引變電所或牽引降壓混合變電所（為便于敘述，以下統稱為牽引變電所）和接觸網系統構成，共同完成向城軌交通列車輸送電能的任務。

牽引變電所是牽引供電系統的核心，一般由進出線單元、變壓變流單元及饋出單元構成。其主要功能是將中壓環網的AC35kV或AC10kV電源經變壓變流單元轉換為城軌交通列車所需的電能，并分配到上下行區間供列車牽引用。在城軌交通工程中，由于地下土建工程造價較高，所以在地面有條件時最好將牽引變電所建于地面，但降壓變電所由于壓損的要求仍應設在車站內，這樣可以有效地節約工程造價。

在設備選型上，隨著設備制造技術的發展，設備在防火、減小占地面積等方面都有所進步。例如，干式變壓器在防火、防潮濕等方面的優勢都使其更適合城軌交通的運行環境；SF6氣體絕緣開關柜（GIS）占地面積要比傳統的空氣絕緣開關柜（AIS）小，地下變電站中采用GIS柜可降低工程造價，尤其在35kV電壓等級下采用GIS柜的優勢更為突出。

接觸網系統負責將牽引變電所饋出的電能輸送到列車上，一般有架空接觸網和接觸軌兩種形式。從電壓等級看，國內有DC1500V和DC750V兩種等級，DC1500V采用架空接觸網形式，DC750V采用接觸軌形式。

采用DC1500V接觸網制式與DC750V接觸軌形式相比，由于電壓等級高，可以節省沿線牽引變電所的數量，并且由于接觸網是架空懸掛，其安全性較好。但采用接觸網形式對城市景觀影響較大，運營后的維護工作量也較大。在具體的工程中可從一次投資、城市景觀、安全因素和維護工作量等方面進行綜合比選來確定受流方式。

在接觸軌材料的選擇上，國內已運行的城軌交通線路大多采用低碳鋼，在國外，有些城軌交通采用鋼鋁復合軌。與低碳鋼三軌相比，鋼鋁復合軌載流量大，可以減少牽引變電所的數量，降低運營維修費用，減少運行損耗。現在，國內武漢輕軌和天津地鐵均已采用該材料。

（2）組成與要求

在城市軌道交通牽引供電系統中，電能從牽引變電所經饋電線、接觸網輸送給電動車組，再從電動列車經鋼軌（稱軌道回路）、回流線流回牽引變電所。由饋電線、接觸網、軌道回路及回流線組成的供電網絡稱為牽引網。牽引供電系統即由牽引變電所和牽引網組成，其中牽引變電所和接觸網是牽引供電系統的主要組成部分。接觸網按其結構可分為架空式和接觸軌式，按其懸掛方式又可分為柔性接觸網和剛性接觸網。習慣上，由于接觸軌式是沿線路敷設的與軌道平行的附加軌，故又稱第三軌；而采用架空方式時，才稱為“接觸網冶。

城市軌道交通牽引供電系統如圖1.8所示，其各部分功能簡述如下。

圖1.8　牽引供電系統示意圖

1—牽引變電所；2—饋電線；3—接觸網（軌）；4—電動列車；5—鋼軌；6—回流線；7—電分段

①牽引變電所：供給城市軌道交通一定區域內牽引電能的變電所。

②接觸網（或接觸軌）：經過電動列車的受電器向電動列車供給電能的導電網（有接觸軌方式和架空接觸網兩種方式）。

③饋電線：從牽引變電所向接觸網輸送牽引電能的導線。

④回流線：用以供牽引電流返回牽引變電所的導線。

⑤電分段：為便于檢修和縮小事故范圍，將接觸網分成若干段，稱為電分段。

⑥軌道：列車行走時，利用走行軌作為牽引電流回流的電路。在采用跨座式單軌電動車組時，需沿線路專門敷設單獨的回流線。

在城市軌道交通牽引供電系統中采用直流供電制。我國早期建成的北京城市軌道交通供電電壓采用750V，上海、廣州、南京、深圳城市軌道交通采用1500V。

牽引變電所的數量、容量和設置距離是根據牽引計算的結果，并對經濟技術條件比較后確定的。它們一般設置在城市軌道交通沿線若干車站及車輛段附近。每個牽引變電所按其所需容量設置兩組牽引整流機組并列運行，沿線任一牽引變電所故障解列，由兩側相鄰的牽引變電所共同承擔該區段的全部牽引負荷

牽引變電所的容量和設置距離一般需考慮以下設計原則和技術條件：

①正線任一牽引變電所故障時，其相鄰牽引變電所應采用越區供電方式，負擔起該區段的全部牽引負荷，此負荷應滿足遠期高峰小時負荷。

②牽引變電所的數量及其在線路上的位置，應滿足在事故情況下越區或單邊供電時，接觸網的電壓水平。直流牽引供電系統的電壓及其波動范圍應符合表1.1的規定。

表1.1　直流牽引供電系統電壓值

③在任何運行方式下，接觸網最高電壓不得高于最高值，高峰小時負荷時，全線任一點的電壓不得低于最低值。

（3）運行方式

牽引變電所向接觸網（或接觸軌）供電方式有兩種，即單邊供電和雙邊供電。城市軌道交通接觸網（或接觸軌）在每個牽引變電所附近由電分段進行電氣隔離，分成兩個供電分區，每個供電分區也稱為一個供電臂。如列車只從所在供電臂上的一個牽引變電所獲得電能，這種供電方式稱為單邊供電。如一個供電臂同時從相鄰兩個牽引變電所獲得電能，則稱為雙邊供電。

一般，車輛段內采用單邊供電方式，正線采用雙邊供電方式。在采用雙邊供電時，當某一牽引變電所故障退出運行時，該段接觸網就成為單邊供電。正常運行時，列車從B牽引變電所和C牽引變電所以雙邊供電方式獲得電能，越區隔離開關QS2斷開。當B牽引變電所因故障退出運行時，合上越區隔離開關QS2，通過越區隔離開關由A牽引變電所和C牽引變電所進行大雙邊供電。正線上任何牽引變電所故障退出運行時，均由相鄰牽引變電所越區供電。在越區供電方式下，供電末端的接觸網（或接觸軌）電壓較低，電能損耗較大，因此，視情況要適當減少同時處在該供電區段的列車數目。另外，直流饋線保護整定時還需考慮大雙邊供電方式下的靈敏度。因此，越區供電只是在不得已的情況下，短時采用的一種運行方式。

2.動力照明系統

動力照明系統為除城軌交通列車以外的其他所有地鐵用電負荷提供電能，其中包括通信、信號、事故照明和計算機系統等許多一級負荷。這些一級負荷均與城軌交通正常運營密不可分，所以在設計、設備選型和施工過程中都應對動力照明系統給予足夠的重視。城軌交通降壓變電所與城網10kV變電所一樣，都是將中壓電經變壓器變為380V/220V電源供動力照明負荷用電。在引入電源方面，每座降壓變電所均從中壓環網引入兩路電源，有條件時還應從相鄰變電所或市電引一路備用電源，對于特別重要的負荷如控制系統計算機設備等負荷還應設蓄電池作為備用電源。

3.電力監控系統

電力監控系統是貫穿于整個供電系統的監視控制部分，是控制技術在電力系統中的應用。電力監控系統由控制中心、通信通道和被控站系統組成，對全線變電所及沿線供電設備實行集中監視、控制和測量。控制中心由數據服務器、通信前置機、工程師工作站及模擬盤顯示器等組成，完成對所采集數據的分析、計算、存儲、設備狀態監視以及控制命令的發送等功能。被控站系統由變電所上位PLC或后臺計算機、所內通信通道及下位PLC組成，完成對設備狀態、信號等數據的采集、整理、簡單分析計算及所內控制等功能。

4.城軌交通供電系統對電源的基本要求

一般工廠企業用電多集中在一個地方，而城軌交通用電則在沿線路幾十公里的范圍內，這是城軌交通與其他用戶不同的地方。城軌交通作為城市電網的重要用戶，屬于1級負荷。城軌交通供電系統的主變電所、牽引變電所、降壓變電所，都要求能獲得兩路電源。城軌交通供電系統對電源的基本要求是：

（1）兩路電源要求來自不同的變電所或同一變電所的不同母線。

（2）每個進線電源的容量應滿足變電所全部1、2級負荷的要求。

（3）兩路電源應分列運行，互為備用，當1路電源發生故障時，由另1路電源恢復供電。

（4）為便于運營管理和減少損耗，要求集中式供電的主變電所的站位和分散式供電的電源點，要盡量靠近城軌交通線路，減少引入城軌交通的電纜通道的長度。

5.城軌交通供電系統的電壓等級

城軌交通供電系統電壓等級主要有如下幾種：

（1）AC110kV、AC63kV：為主變電所的電源電壓，其中AC63kV電壓級為東北電網所特有。

（2）AC35kV：為主變電所電源電壓或牽引供電系統電源電壓，如北京、青島城軌交通的主變電所電源電壓和上海、廣州、深圳、香港的牽引供電系統電源電壓屬于AC35kV等級。AC35kV這一電壓級在各大城市電網中將逐漸消失，而由AC110kV取代。作為城軌交通內部和環網供電專用，AC35kV電壓級還將繼續存在下去。環網供電的電壓如果不采用AC35kV，則可采用AC10kV。

（3）AC10kV：牽引供電系統、動力照明供電系統和電力監控系統適用這一電壓級。

（4）AC380V/220V：城軌交通動力照明等低壓負荷用電的電源電壓。

（5）AC36V：安全照明電源電壓。

（6）DC1500V或DC750V：接觸網（軌）電源電壓。

（7）DC220V或DC110V：變電所直流操作電源電壓和事故照明電壓。

6.城市軌道交通雜散電流

（1）雜散電流的形成

直流牽引供電系統在理想的狀況下，牽引電流由牽引變電所的正極出發，經由接觸網、電動列車和回流軌（即走行軌）返回牽引變電所的負極。但鋼軌與隧道或道床等結構鋼之間的絕緣電阻不是無限大，這樣勢必造成流經牽引軌的牽引電流不能全部經由鋼軌流回牽引變電所的負極，有一部分的牽引電流會泄漏到隧道或道床等結構鋼上，然后經過結構鋼和大地流回牽引變電所的負極，這部分泄漏到隧道或道床等結構鋼上的電流就是雜散電流，也稱作迷流。圖1.9（a）為直流牽引地下雜散電流示意圖。

走行軌鋪設在軌枕、道砟和大地上，由于軌枕等的絕緣不良和大地的導電性能，地下的雜散電流如圖1.9（a）所示雜散地流入大地，然后在某些地方又重新流回鋼軌和牽引變電所的負極。在走行軌附近埋有地下金屬管道和其他任何金屬結構時，雜散電流的一部分就會從導電的金屬體上流過，如圖1.10所示。此時鋼軌和地下金屬各點對大地的電位分布如圖1.9（b）和（c）所示。

圖1.9　地下雜散電流和電位

（2）雜散電流的影響和危害

城市軌道中的雜散電流是一種有害的電流，會對地鐵中的電氣設備、設施的正常運行造成不同程度的影響，以及對隧道、道床的結構鋼和附近的金屬管線造成危害。這種危害主要表現在如下幾個方面。

①若地下雜散電流流入電氣接地裝置，將引起過高的接地電位，使某些設備無法正常工作。

②若鋼軌（走行軌）局部或整體對地的絕緣變差，則此鋼軌（走行軌）對大地的泄漏電流增大，地下雜散電流增大，這時有可能引起牽引變電所的框架保護動作。而框架保護動作，則整個牽引變電所的斷路器會跳閘，全所失電，同時還會聯跳相鄰牽引變電所對應的饋線斷路器，從而造成較大范圍的停電事故，影響地鐵的正常運營。

③對城市軌道隧道、道床或其他建筑物的結構鋼筋以及附近的金屬管線（如電纜、金屬管件等）造成電腐蝕。如果這種電腐蝕長期存在，將會嚴重損壞地鐵附近的各種結構鋼筋和地下金屬管線，破壞了結構鋼的強度，縮短其使用壽命。

（3）地下金屬結構被雜散電流腐蝕的基本原理

①腐蝕過程

直流牽引供電方式所形成的迷流及其腐蝕部位如圖1.10所示。圖中的I為牽引電流，Ix、Jy分別為走行軌回流和泄漏的雜散電流。

由圖1.10可知，雜散電流所經過的路徑可等效地看成為兩個串聯的腐蝕電池。其中電池玉為A鋼軌（陽極區）→B道床、土壤→C金屬管線（陰極區）；電池域為D金屬管線（陽極區）→E土壤、道床→F鋼軌（陰極區）。

當雜散電流由圖1.10中兩個陽極區、鋼軌（A）和金屬管線（D）部位流出時，該部位的金屬鐵（Fe）便與其周圍的電解質發生陽極過程的電解作用，此處的金屬隨即遭到腐蝕。這種腐蝕的過程，實際可能發生兩種氧化還原反應。其中之一是當金屬鐵（Fe）周圍的介質是酸性電解質，即pH<7時，發生的氧化還原反應是析氫腐蝕；二是當金屬鐵（Fe）周圍的介質是堿性電解質，即pH>7時，發生的氧化還原反應為吸氧腐蝕。兩種腐蝕的化學反應方程式如下：

圖1.10　地鐵雜散電流腐蝕原理圖

a.在析氫腐蝕時。

陽極：2Fe2Fe2++4e-。

陰極：4H++4e-4OH-+2H2↑（無氧環境）。

b.在吸氧腐蝕時。

陽極：2Fe2Fe2++4e-。

陰極：O2+2H2O十4e-4OH-（有氧的堿性環境）。

Fe（OH）2，，被氧化形成Fe（OH）3。生成的Fe（OH）2繼續被介質中的O2氧化成Fe（OH）3，而Fe（OH）3可進一步生成Fe3O4（黑銹的主要成分）。

②腐蝕特點

雜散電流腐蝕的一般特點有：腐蝕激烈，集中于局部位置；當有防腐層時，又往往集中于防腐層的缺陷部位。雜散電流腐蝕和自然腐蝕有較大的差異，具體如表1.2所示。

表1.2　雜散電流腐蝕和自然腐蝕的差異

（4）雜散電流腐蝕的防護與監測

①雜散電流腐蝕防護的原則

城市軌道中雜散電流腐蝕防護應遵循以下基本原則。

a.采取措施，以治本為主，將城市軌道雜散電流減小至最低限度。

b.采取措施，限制雜散電流向軌道外部擴散。

c.軌道附近的地下金屬管線結構，應采取有效的防蝕措施。

②雜散電流的防護措施

雜散電流的防護設計應采取“以堵為主，以排為輔，防排結合，加強監測冶的原則。

a.堵。就是隔離和控制所有可能的雜散電流泄漏途徑，減少雜散電流進入城市軌道的主體結構、設備及可能與其相關的設施。

b.排。就是通過雜散電流的收集及排流系統，提供雜散電流返回至牽引變電所負母線的通路，防止雜散電流繼續向本系統外泄漏，以減少腐蝕。

c.監測。設計完備的雜散電流監測系統，監視、測量雜散電流的大小，為運營維護提供依據。

③雜散電流防護的措施

a.確保牽引回流系統的暢通，使牽引電流通過回流系統流回牽引變電所，從根本上減少雜散電流的產生。

b.為保護整體道床的結構鋼筋不受雜散電流腐蝕及減少雜散電流擴散，利用整體道床內結構鋼筋的可靠電氣連接，建立主要的雜散電流收集網，收集由鋼軌泄漏出來的雜散電流，在陰極區經鋼軌流回牽引變電所。

c.對于需設置浮動道床的區段，浮動道床內的縱向鋼筋也應電氣連接，并和整體道床內的雜散電流收集網電氣連接使隧道內所有的道床收集網鋼筋在電氣上連為一體

d.在條件允許的情況下，盡可能增強整體道床結構與隧道、車站間的絕緣。

e.為保護地下隧道、車站結構鋼筋不受雜散電流腐蝕及減少雜散電流向外部的擴散，利用隧道、車站結構鋼筋的可靠電氣連接，建立輔助雜散電流收集網，收集由整體道床泄漏出來的雜散電流，在陰極區經整體道床和鋼軌流回牽引變電所。

f.在盾構區間隧道，采用隔離法對盾構管片結構鋼筋進行保護。在盾構區間相鄰的車站，兩車站的結構鋼筋用電纜連接起來，使全線的雜散電流輔助收集網在電氣上連續。

g.在高架橋區段，橋梁與橋墩之間加橡膠絕緣墊，實現橋梁內部結構鋼筋與橋墩結構鋼筋絕緣，防止雜散電流對橋墩結構鋼筋的腐蝕。為保護高架橋梁的結構鋼筋及減少雜散電流的擴散，利用橋梁頂層結構鋼筋和軌道梁內結構鋼筋的可靠電氣連接，建立雜散電流收集網，收集由鋼軌泄漏出來的雜散電流，使之在陰極區經鋼軌流回牽引變電所。

h.在高架橋車站內，車站結構鋼筋和車站內高架橋結構鋼筋要求在電氣上絕緣，防止雜散電流對車站結構鋼筋的腐蝕。

i.牽引變電所設置雜散電流排流裝置，以便在軌道絕緣能力降低致使雜散電流增大時，及時安裝排流裝置使收集網（主收集網、輔助收集網）中雜散電流有暢通的電氣回路。

j.直流供電設備、回流軌采用絕緣法安裝。

k.各類管線設備應盡量從材質或其他方面采取措施，減少雜散電流對其腐蝕及通過其向軌道外部泄漏。

l.軌道專業應采取以下的一些措施：走行回流鋼軌盡量選用重型軌（如60kg/m軌），并焊接成長鋼軌。鋼軌接頭的電阻應小于5m長的回流鋼軌的電阻值，以減少回流電阻。若采用短鋼軌，則應用鋼軌接頭夾板（魚尾板）連接，并在道岔與轍岔的連接部位的兩根鋼軌之間加焊一根120mm2及以上的絕緣銅電纜連接線，并應做到焊接可靠。

鋼軌與軌枕或整體道床間采用絕緣法安裝，保證鋼軌對軌枕或整體道床的泄漏電阻不小于15贅·km。為了達到此要求，在鋼軌與混凝土軌枕之間，在緊固螺栓、道釘與混凝土軌枕之間，以及在扣件與混凝土軌枕之間采取絕緣措施，加強軌道對道床的絕緣，以減少鋼軌對地的泄漏電流。其具體做法是：鋼軌下加絕緣墊；使用絕緣扣件；鋼軌采用絕緣套管固定安裝；軌枕下加絕緣墊；道岔處加強絕緣；在有導軌處，導軌與走行軌之間加絕緣；鋼軌底部與整體道床之間的間隙不小于30mm；利用整體道床內結構鋼筋形成雜散電流收集網。

m.隧道、地下車站采取的措施：隧道、地下車站主體結構的防水層，必須具有良好的防水性能和電氣絕緣性能；車站、隧道內應設有暢通的排水措施，不允許有積水現象。

為保護隧道、地下車站結構鋼筋不受雜散電流腐蝕及減少雜散電流向外擴散，利用這些結構鋼筋的可靠電氣連接，建立輔助雜散電流收集網。其所收集的由整體道床泄漏出來的雜散電流，經整體道床、鋼軌或單向導通裝置流回牽引變電所。

在盾構區間隧道，采用隔離法對盾構管片結構鋼筋進行保護。

在過江隧道的軌道兩端設立單向導通裝置與其他線路單向隔離。

車站動力照明采用TN-S系統接地形式。

車站屏蔽門應絕緣安裝并與鋼軌有可靠的電氣連接。

（5）雜散電流的監測

①雜散電流腐蝕監測原理

a.極化電壓的正向偏移平均值

雜散電流難以直接測量，通常利用結構鋼極化電壓的測量來判斷結構鋼筋是否受到雜散電流的腐蝕作用。極化電壓的正向偏移平均值不應超過0.5V。一般在電化學腐蝕測量中，測量管、地電位差的標準方法如圖1.11所示。

圖1.11　管、地電位的標準測量方法

此方法在電化學腐蝕測量中稱為近參比法。目的是為了使測量結果更為精確。此法的測量要點是把參比電極（通常用長效銅/硫酸銅電極）盡量靠近被測構筑物或金屬管路表面，如果被測表面帶有良好的覆蓋層，參比電極對應處應是覆蓋層的露鐵點。在地鐵系統中，埋地金屬結構對地電位的測量方法亦采用如上所述的近參比法，需要使用長效參比電極作為測量傳感器，在沒有雜散電流擾動的情況下，測量的電位分布呈現一穩定值，此穩定電位我們稱之為自然本體電位U0，當存在雜散電流擾動的情況下，測量電位出現偏離，所測電位為U1，其偏移值為駐U。一般情況下，我們將測量電壓為正的稱為正極性電壓，測量電壓為負的稱為負極性電壓。

埋地金屬結構受雜散電流干擾的影響，其對地電位，也就是相對于參比電極的電壓會偏離自然本體電位U0。在雜散電流流入金屬結構的部位，金屬結構呈現陰極，此部位的電位會向負向偏離，陰極區域的金屬不受雜散電流腐蝕。在雜散電流流出金屬結構的部位，金屬結構呈現陽極性，此部位的電位會向正向偏離，陽極區域的金屬受到雜散電流腐蝕影響。因為腐蝕是一個長期作用的結果，而瞬間雜散電流的變化是雜亂無序的，僅測量瞬間金屬結構對參比電極的電壓不能直接反映測量點雜散電流的腐蝕情況，所以應該測量計算在一定時間內偏移自然本體電位U0的正向平均值，《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》（CJJ49—1992）規定：測量時間為半小時，其計算公式如下：

式中 ——所有正極性電壓瞬時值和絕對值小于U0值的負極性電壓各瞬時值之和；

p——所有正極性電壓瞬時值讀取次數及絕對值小于U0值的負極性電壓各瞬時值讀取次數之和；

n——總的測量次數；

U0——自然本體電位；

Ua（+）——極化電壓的正向偏移平均值。

b.半小時軌道電位最大值測量

由于雜散電流的泄漏受軌道電位的影響很大，所以軌道電位的測量監測也是非常重要的。軌道電位嚴格意義上來講應是以無限遠的大地為基準，而鋼軌電位測量以無限遠的大地為基準是很難實現的，在測量中測量鋼軌對埋地金屬結構的電壓來代表軌道電位。由于軌道電位的瞬時值變化很大，實際測量過程中，其監測和計算的參數為測量時間內的最大值Umax，即半小時軌道電位的最大值。

c.自然本體電位U0的測量

自然本體電位U0是一個非常重要的測量參數，而我們探討的測量方法最終要實現自動在線測量，所以測量裝置本身應該能夠測量自然本體電位U0。城市軌道交通的特點是一天內有幾個小時的完全停止運營，在列車停止運行2h后，可以進行自然本體電位U0的自動測量。

②于雜散電流監測系統

雜散電流監測系統有分散式監測系統和集中式監測系統兩種。分散式雜散電流監測系統由參考電極、道床收集網測試端子、高架橋梁收集網測試端子、隧道收集網測試端子、測試盒、測試電纜、雜散電流綜合測試端子箱及雜散電流綜合測試裝置構成。集中式雜散電流監測系統由參考電極、道床收集網測試端子、高架橋梁收集網測試端子、隧道收集網測試端子、傳感器、數據轉接器、測試電纜及雜散電流綜合測試裝置構成。

其中道床收集網測試端子、高架橋梁收集網測試端子、隧道收集網測試端子可利用伸縮縫處的連接端子，不單獨引出測試端子。

a.分散式雜散電流監測系統（圖1.12）

圖1.12　分散式雜散電流監測原理框圖

在每個車站變電所的控制室或檢修室內安裝一臺雜散電流測試端子箱，將該車站區段內的參考電極端子和測試端子接至接線盒，由統一的測量電纜引入至變電所測試端子箱內的連接端子，將來用移動式微機型綜合測試裝置分別對每個變電所進行雜散電流測試及數據處理。

b.集中式雜散電流監測系統（圖1.13）

圖1.13　集中式雜散電流監測原理框圖

在每個測試點，將參考電極端子和測試端子接至傳感器。將該車站區段內的上下行傳感器通過測量電纜，分別連接到車站變電所的控制室或檢修室內的數據轉接器。車站的數據轉接器通過測量電纜接至固定式雜散電流綜合測試裝置。綜合測試裝置至傳感器的傳輸距離最遠不超過10km，由此來考慮每條線路需設置幾個雜散電流綜合測試室。

以上兩種監測系統均能滿足雜散電流監測要求，采用哪種方案根據需要進行選擇。

某地鐵線的雜散電流監測系統構成原理如圖1.14所示，主要監測整體道床排流網的極化電位、本體電位，隧道側壁結構鋼的極化電位、本體電位，監測點的軌道電位等。整個系統為一分布式計算機監測系統。傳感器是一個以單片機為核心的數據采集處理系統，可以實時采集處理測量點排流網和結構鋼的自然本體電位U0，正向平均值Ua（+），半小時內的軌道電壓最大值Umax，并把采集運算得到的參數送入指定的內存存儲起來。由于整個地鐵線路較長，通信距離比較長，為保證傳感器的數據可靠傳送到中央控制室的上位機，轉接器起到了通信傳輸的中繼作用。監測裝置通過轉接器向各個傳感器要監測數據，同時可以計算各個供電區間的軌地過渡電阻和軌道縱向電阻。上位機與監測裝置連接，把所有監測點監測和計算的有關雜散電流的信息參數以數據庫的形式存入計算機。上位機軟件具有查詢、統計和預測功能，在上位機上可以實時查詢到地鐵沿線雜散電流腐蝕的防護情況。

圖1.14　地鐵雜散電流監測系統原理框圖

（6）雜散電流防護系統的維護

①定期利用雜散電流綜合測試裝置（雜散電流監測系統）在高峰小時測試整體道床結構鋼筋、車站隧道結構鋼筋、高架橋梁結構鋼筋相對周圍混凝土介質平均電位，以此電位作為判斷有無雜散電流對結構鋼筋腐蝕的依據。如測試到某段結構鋼筋電位超過標準0.5V的，則該區段雜散電流超標，應對鋼軌回路及鋼軌泄漏電阻進行測試檢查，然后結合測試結果進行維護。

②每月定期對全線軌道線路清掃，保持線路清潔干燥，尤其是軌道扣件及鋼軌絕緣墊要保持清潔干燥，不能有易導電的物質在鋼軌扣件和絕緣墊表面，因為這些物質將導致軌道對地的泄漏電阻下降。

③在前面所述監測及測試后，針對測試結果，查出引起雜散電流腐蝕嚴重的原因，若是鋼軌回流系統出現“斷點冶（如鋼軌間的接續線是否連接良好和脫落等），則應及時將“斷點冶處焊接及連接至設計要求標準；若是某處鋼軌泄漏電阻太小，則應檢查鋼軌是否為積水、灰塵污染或鋼軌安裝絕緣設備破壞所引起，并及時清掃或對絕緣設備維護。

④如果全線鋼軌泄漏電阻普遍降低，簡單清掃或維護不能解決問題時，則應將牽引變電所的排流柜開通（如果牽引變電所內裝有排流柜的話），使雜散電流收集網與整流機組負極柜單向連通，以單向排流來保護結構鋼筋免受雜散電流腐蝕。

⑤定期檢查各雜散電流收集網之間的連接線是否連接良好，連接螺栓是否生銹等，如果這些連接部件狀態不良，則應及時進行修復。

⑥定期檢查負回流電纜及均流電纜的連接是否良好，如有問題，要及時修復。

⑦定期檢查并測試單向導通裝置的工作狀態是否良好（檢查單向導通裝置中的二極管、隔離開關、消弧角等的工作狀態），發現問題及時處理。

⑧定期檢查雜散電流監測系統的參比電極、智能傳感器、轉接器及其連接是否良好，發現問題予以處理。

（7）鋼軌電位異常的處理

在直流牽引供電系統中，不論是接觸軌式系統還是架空接觸網式系統均是利用走行鋼軌作為牽引回流媒介流回變電所的負極。因此，鋼軌也是牽引供電系統中的重要組成部分。同時，我們也知道鋼軌除為列車提供走行導向外，還為軌道交通的信號系統提供通路；另外，在裝設站臺屏蔽門的系統中，為了保證乘客的安全，還將屏蔽門的非導電金屬部分與鋼軌相連。于是，為了運營安全和防護雜散電流，必須要求城市軌道交通供電部門與車輛維修、工務、信號等部門緊密聯系、加強溝通，共同做好對鋼軌的維護工作。下面介紹兩例可能出現的鋼軌電位異常及其處理方法。

①鋼軌電位升高造成電壓型框架保護動作

在直流牽引供電系統中，為了防止直流牽引供電設備內部絕緣能力降低時造成設備危害而設置了直流系統框架泄漏保護，該保護包含反映直流泄漏電流的過電流保護和反映接觸電壓的過電壓保護。當鋼軌電位升高造成電壓型框架保護動作時，該牽引變電所供電區域的牽引負荷全部失電。其故障引起的斷電范圍較大，因此對行車影響亦較大，須引起足夠的重視。

一般來說，引起鋼軌電位升高的原因較復雜，可能與車輛的牽引特性、鋼軌的絕緣程度（含信號裝置）、屏蔽門絕緣程度、變電所牽引設備絕緣情況、變電所保護配置等有關。

在對整個系統進行檢查時，需詳細了解車輛的牽引狀況；全面仔細檢查鋼軌的絕緣程度，是否存在多個鋼軌直接接地的情況；檢查信號裝置的安裝情況，特別是道岔處信號裝置的接地情況；檢查屏蔽門非金屬部分的接地情況是否良好等。

在運行的應急處理中，當確認電壓型框架保護動作是由于該變電所牽引供電設備內部絕緣能力降低引起的，可將該牽引變電所退出運行，使用越區供電方式來保證牽引供電。而在判斷為由于系統鋼軌電位異常升高導致電壓型框架保護動作時，作為臨時應急措施，可強行合上鋼軌電位限值裝置，以抑制鋼軌電位。

②其他接口裝置絕緣不佳，導致鋼軌電位升高

當由于某種原因，信號裝置、屏蔽門的非導電的金屬框架的接地情況不佳、接觸電阻增加時，可能引起該裝置的接地處有放電現象，甚至起火，導致鋼軌電位升高。此時應詳細檢查相關接口裝置的接地良好情況及絕緣安裝的情況。

1.2.3　工作任務

1.調研一條城市軌道交通線路的供電系統

（1）調查其組成及主要技術參數；

（2）列出其供電方式并畫出示意圖；

（3）列出其主變電所、牽引變電所、降壓變電所的布置并畫出示意圖；

（4）調查其接觸網類型及主要設備；

（5）調查其采取的雜散電流腐蝕的防護與監測措施。

2.調研一個變電所

（1）列出其引入電源的等級、名稱；

（2）列出其供電范圍并畫出示意圖；

（3）調研其主要設備組成。

1.2.4　分析與思考

本任務的目的是為了認知城市軌道交通供電系統，目前在實際工作中最常遇見的問題如下：

1.城市軌道交通供電系統中各子系統如何進行相互配合，保證其有效運行？

2.城市軌道交通供電系統中各子系統在哪里分界？