地铁独立轨回流技术应用研究
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摘要：在本文中，我们讨论了地铁工程中的杂散电流腐蚀和危险问题，杂散电流腐蚀保护措施和独立轨道回流技术以及独立轨回流技术在供电系统、机车系统等系统中的适用性。分析独立轨回流和走行轨回流方法的影响，并进行技术和经济比较分析。
关键词：地铁;独立轨;走行轨;杂散电流;回流技术
中图分类号：U231文献标识码：A
1概述
1.1杂散电流的产生及危害
目前，国内和国际地铁通常使用架空接触网或接触轨来供电，并通过走行轨回流。架空接触网或第三导轨连接到陶瓷绝缘子或FRP绝缘支架，具有高介电强度，以限制漏电流到地面。运行轨道是高强度金属基座，用以支持列车质量，但它附加的机车与地面的电气隔离强度不能达到同样的强度。尽管在运行轨道和轨道床之间添加了绝缘橡胶垫以使一部分漏电流绝缘，但橡胶垫具有高强度绝缘，容易被铁粉，灰尘或湿气污染，致使不能完全与道床隔离。因此，拖曳的返回电流通过运行轨道泄漏到轨道床和其他金属结构，从而产生杂散电流。
杂散电流对地铁轨道，盾构结构，金属管道和电气设备的腐蚀程度远大于自然腐蚀。具有强度高、损伤大、射程大、随机性强等特点，这将直接影响地铁土建结构及设备的安全性和使用寿命。
1.2防护措施
（1）目前，在轨道回流直流牵引供电系统中，杂散电流防腐系统主要采取的保护措施是降低回流阻力，增加从轨道到地面的过渡阻力，增强绝缘性，增强线路设备和管道。例如沿网络增强电腐蚀保护。杂散电流监测终端位于结构中，通过埋在道床中的参比电极来归纳土建结构中的杂散电流。当监测数据超标时，设置在道床上的杂散电流排流网络将迷流电流传输到变电所负极柜的母排上。虽然上述被动保护措施可以提供某种程度的保护，但它们不能完全解决问题。
（2）通过使用独立轨回流技术解决杂散电流腐蚀是为了更好的解除迷流电流的不利影响，此技术起源于国外。在英国、意大利等国家采用的四轨供电系统的几条地铁线路中，伦敦地铁北线、马来西亚KeranaJaya系列对独立轨回流技术的应用最为广泛。电力机车动力通过牵引变电所提供，并通过独立轨回流方式返回变电所。独立轨回流方式采用较好的绝缘安装，对杂散电流泄露进行最大限度的降低，进而从根源上对杂散电流所引起的问题进行解决。
1.3国内外研究
目前，在地铁线路上，独立轨回流技术主要应用于英国，意大利，马来西亚等国家。中国的几家联合地铁公司已经开始初步研究，目前宁波新修建的地铁4号线线路也开始使用独立轨回流技术。这是对独立轨回流技术的商业化探索。独立轨道回流技术的应用研究是可行和必要的。根据相同的原理，如果使用架空接触网为电力机车提供动力，通过独立轨（第三轨）回流技术进行回流。这种方法比四轨系统更容易实现，具有很高的推广价值。
2供电系统的可行性应用分析
2.1接地保护方案
为了确保车辆内外乘客的安全，车辆电位与地面之间的电压差不能太大，必须满足相应的规范。当使用独立轨道再循环时，建议直接将轨道接地，因为运行轨道没有电流路径且不会散布杂散电流。此时，车身通过车轮和轨道直接接地，车身与地面之间的电位差为零，有效保证了乘员的安全。如果接触网或回路发生短路故障，应安装接地保护装置，及时排除故障，确保直流设备正常运行和乘客安全。
直流牵引系统在单独的轨道上再循环之后，走行轨道不用作返回路径。原始返回轨道和地面之间的小过渡电阻已被大的绝缘电阻所取代。在这种情况下，最初在行进轨道再循环系统中使用的接地保护方案不再具有可靠的監察作用，不能及时发现和消除故障。为了解决上述问题，在具有独立轨道再循环的地铁供电系统中，可以采用跨座单轨系统中的接地保护方案作为参考，以实现接地保护装置的相应保护功能。
2.2分段问题
在独立轨道回流技术中，独立回流轨作为负极，当列车在该部分中运行时回流轨中存在较大电流。因此，线路维护人员在进行检修时存在触电的风险。地铁线路一般较长，若不进行供电分区，就只能全线停电后在进行检修作业，独立回流轨也应分段设置，且分段位置应与供电轨或架空接触网供电分区一致。这样在独立回流轨维护期间接地，大大减少了操作和维护工作时间。在独立回流轨两电分段之间端部弯头的空白区段，也应在走行轨上进行回流电缆的连接，否则，也会产生杂散电流对线路产生危害。
回流轨是否分段，应分析和考虑对维护人员的影响，并结合线路的特定要求和电力系统的安全要求。如果需对独立回流轨进行拆分，则可以与接触网双极隔离开关一起使用。
2.3牵引所数量
在使用走行轨回流的地铁供电系统中，放电网络的轨道电位和极化电位是确定牵引力是否合理的重要标准。牵引所之间的距离越大，轨道的电位越高，排流网络的极化电位越高。为了降低轨道电位以及排流网络的极化电位，牵引所之间的距离不应太大，否则会增加牵引所的数量和工程投资。
独立轨道回流技术允许运行轨道直接接地，列车本身也通过轨道接地，车体与地面之间没有潜在的差异，以确保乘客安全。此外，由于独立回流轨和地之间的良好隔离，杂散电流泄漏非常有限所以可以取消排流网络。因此，可以增加牵引所与牵引所之间的距离，因为牵引网络的压降和牵引动力系统的供电能力不受轨道的潜力和排流网络的极化能力的影响。
3车辆系统的应用分析
（1）回流设备
独立轨道回流技术是在第三轨供电技术发展的基础上发展起来的，并与用于三轨系统的车辆技术相同。依据接触流动表面的位置，车辆设有相应形式的回流。回流设备可满足不同项目的实际需求，对车辆动态范围和限制新回流设备对其影响，从而满足不同工程进展的实际需求。
（2）无电区分析
没有电区，例如地铁架空接触网在常规供电设置当中虽然存在电分段，但因地铁用分段绝缘器长度较短且机车首尾都架设受电弓，不会出现机车无电现象。而作为负极的独立回流轨不可避免地在道岔处断轨，或为方便检修人为设置的断轨，但这并不会造成无电区。在独立回流轨断开位置会在走行轨上设置回流装置，以满足回流要求。在实际工程设计中，需要根据列车中出现的最长非电气区域的长度和列车上可积电装置的数量来选择与回流装置相关联的电气部件，以满足车辆的正常工作需要。
（3）车辆接地保护
为了确保车身和乘员的安全，可以在车辆的正负母线与车身之间设置接地保护装置，这些保护装置可以检测故障信号以及提醒驾驶员和调度中心。
（4）独立轨回流和走行轨回流方式的切换
当机车的集电靴与独立回流轨的钢铝复合轨接触时，电车供电系统与回流系统组成回路，列车则以恒定的电势运行。但若线路维护人员此时靠近独立复合轨会有触电的危险。此外，安装在走行轨外侧的独立回流轨也会占据轨道侧面限界，减少了维护人员的检修空间。因此，当列车返回列检库检修时，必须切换到走行轨回流模式。列车从线路正线返回车辆段或停车场需要独立轨回流以及走行轨回流再循环模式。大多数城市铁路都是成网络化分布的，城市中有需经转多条路线的列车，还有用于线路联络的专用路线以及车辆段和停车场。如果电力机车同时具备独立轨回流与走行轨回流两种回流能力，那么电力机车的适用性将得到增强，资源共享将得到显著改善，使用同时具备两个系统能力的车辆将可共享停车场与车辆段资源，减少财政支出与土地占用面积。
4结束语：
总而言之，有必要在地铁工程中采用独立的轨道回流技术，这将彻底解决轨道上金属结构轨道再循环引起的杂散电流和安全问题的负面影响。鉴于中国地铁采用独立的铁路回流技术还处于摸索阶段，相关设备和机车制造商应尽快进行研发，并逐步应用于中国城市轨道交通的发展，才不会被时代所抛弃。
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