CN201824902U - 应用于城市轨道交通的dc1500v四轨安装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于城市轨道交通的DC1500V四轨安装结构，包括牵引轨、回流轨和两列走行轨，所述走行轨的一侧安装有绝缘支架，所述牵引轨和回流轨夹持在绝缘支架的绝缘块内。本实用新型所述城市轨道交通直流牵引四轨供电系统，由于四轨(回流轨)彻底与道床等其他设施绝缘，不存在杂散电流，也就不再考虑防杂散电流的措施和设施。其最大的优点是保护了车站、隧道等结构钢筋和金属管线不被杂散电流腐蚀，提高了轨道交通中隧道、桥梁、管线等的使用寿命，保证了城市轨道交通系统的安全。

Description

应用于城市轨道交通的DC1500V四轨安装结构

技术领域

本实用新型涉及城市轨道交通中为电力机车提供牵引动力的供电系统，特别是一种应用于城市轨道交通的DC1500V四轨(回流轨)安装结构。

背景技术

城市轨道交通供电系统牵引网是为电力机车提供牵引动力的供电系统，它由接触网和回流网组成，接触网为正极，回流网为负极，分别与牵引变电所连接。接触网按安装位置和接触导线的不同分为接触轨和架空接触网。目前世界上城市轨道交通线路的回流网大部分均利用走行轨作为回流轨。现阶段我国城市轨道交通不论采用DC1500V或DC750V电压制式，均通过架空接触网或接触轨(也称“三轨”)向车辆供电，并通过钢轨流回牵引变电所，形成供电回路。

在这种供电制式下，虽要求钢轨作为回流轨与道床绝缘安装，但由于工程实施及运营条件，钢轨不可能完全绝缘于道床，导致牵引回流通过钢轨泄漏阻抗流出钢轨，泄漏形成杂散电流。杂散电流对钢轨、整体道床结构钢筋、隧道结构钢筋以及城市轨道交通沿线的金属设备都将产生腐蚀，影响城市轨道交通钢轨、隧道结构钢筋和金属设备的使用寿命，关系到隧道的综合使用寿命，后果非常严重。虽然在以往的城市轨道交通供电制式中考虑在整体道床内设置杂散电流收集网来减少杂散电流对金属结构的腐蚀，但杂散电流腐蚀防护措施只能减少杂散电流对金属腐蚀程度，不能够完全解决杂散电流的腐蚀影响，随着运营年代的增加，杂散电流泄漏量将逐步增大。同时牵引回流通过钢轨时在钢轨上产生电位差，通过车轮传导到车厢内，对旅客的人身安全产生威胁，需要在车站上设置钢轨电位限制装置，这种方案虽然能够解决钢轨电位对旅客的影响，但频繁的动作又将可能影响到供电系统运行的可靠性。

目前世界上城市轨道交通的直流牵引网电压等级繁多，主要有DC600V、DC750V、DC825V、DC1200V、DC1500V等几种，其中后期建成的线路多采用DC750V和DC1500V电压制式，也是国际电工委员会(IEC)推荐采用的电压等级。DC1500V电压制式具有供电距离长、电压损失小、可承受客流量大、杂散电流影响小等优点，我国目前建设的城市轨道交通多采用DC1500V的牵引供电电压制式。另外，接触轨具有不影响城市景观、使用寿命长、维护量小等优点。我国多个城市轨道交通中也采用了接触轨的牵引网系统。

发明内容

基于上述情况，本实用新型提出一种应用于城市轨道交通的DC1500V四轨安装结构，实现将四轨回流的优越性与DC1500V供电制式的优越性有效地结合起来，用以消除城市轨道交通中的杂散电流。

本实用新型所采用的技术方案：一种应用于城市轨道交通的DC1500V四轨安装结构，包括牵引轨、回流轨和两列走行轨，所述走行轨的一侧安装有绝缘支架，所述牵引轨和回流轨夹持在绝缘支架的绝缘块内。

上述牵引轨和回流轨的轨道接触面为向上设置，与机车上的集电靴通过同侧上部受流方式接触，形成供电回路。

上述牵引轨和回流轨的轨道接触面为向下设置，与机车上的集电靴通过同侧下部受流方式接触，形成供电回路。

上述牵引轨和回流轨的轨道接触面朝向走行轨的一侧设置，与机车上的集电靴通过同侧侧面受流方式接触，形成供电回路。

上述牵引轨的上方设有防护罩。

上述牵引轨和回流轨在车站站台处，布置在站台的对侧。所述牵引轨和回流轨在区间设置疏散平台时，设置在疏散平台的对侧。

本实用新型所述城市轨道交通直流牵引四轨供电系统，由于四轨(回流轨)彻底与道床等其他设施绝缘，不存在杂散电流，也就不再考虑防杂散电流的措施和设施。其最大的优点是保护了车站、隧道等结构钢筋和金属管线不被杂散电流腐蚀，提高了轨道交通中隧道、桥梁、管线等的使用寿命，保证了城市轨道交通系统的安全。

附图说明

图1为列车在两牵引所之间运行时钢轨的电位示意图；

图2为本实用新型所述牵引轨和回流轨同侧上部受流方式的安装结构示意图；

图3为本实用新型所述牵引轨和回流轨同侧下部受流方式的安装结构示意图；

图4为本实用新型所述牵引轨和回流轨同侧侧面受流方式的安装结构示意图；

图5为本实用新型所述接触轨在车站站台处的安装结构示意图。

图中：1-防护罩，2-牵引轨，3-回流轨，4-防护罩，5-走行轨，6-绝缘支架，10-接触轨。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的作进一步的描述。

一、城市轨道交通中杂散电流的产生和传统防护方法：

1.杂散电流的产生

现有城市轨道交通的牵引供电系统基本是以架空接触网或接触轨(三轨)供电、走行轨为回流通路的直流牵引供电系统。由于运营环境、经济及其它方面因素的限制，走行轨不可能完全绝缘于道床结构，因此钢轨不可避免地向道床及车站、隧道结构泄漏电流，即杂散电流。

在实际工程中钢轨采用了绝缘法安装，在每个钢轨安装点增加了绝缘垫和绝缘套管，钢轨回流系统是一个悬浮系统。采用这种方法安装完成后钢轨对地实际上是非绝缘的，钢轨对地(整体道床)存在泄漏电阻，不同的国家对钢轨泄漏电阻的要求不一样，一般在5～100Ω·km范围。我国《城市轨道交通杂散电流腐蚀防护技术规程》中规定新建成的城市轨道交通线路走行轨与隧道主体结构(或大地)之间的过渡电阻值不应小于15Ω·km，对于运行线路不应小于3Ω·km。

当列车在两牵引所间运行时，钢轨的电位如图1所示，列车位置处为阳极区，钢轨电位为正；牵引所附近为阴极区，钢轨电位为负。城市轨道交通整体道床或隧道结构为零电位。所以高电位的钢轨电流通过钢轨与道床或隧道之间的泄漏电阻流向道床或隧道内的结构钢筋形成杂散电流。杂散电流的大小，就是图1中阴影区段从钢轨泄漏至地下电流密度的积分。

2.杂散电流对钢筋的腐蚀及防护原理

杂散电流对结构钢筋的腐蚀为电化学腐蚀，当杂散电流进入结构钢筋时，对结构钢筋不产生腐蚀；而当杂散电流流出结构钢筋时，对钢筋产生腐蚀。其腐蚀的原理是钢筋与四周的水泥硅酸盐发生电化学反应，钢筋释放铁离子与周围电解质反应生成其它化合物。

若电流密度小于0.6mA/dm²，则电化学反应发生后会在钢筋表面形成一层电阻率较大的化合物。随着时间的延续当该化合物厚度达到一定程度时，就会成为包裹钢筋的一层外绝缘层，从而阻止钢筋与外部水泥硅酸盐电解质的继续接触，阻止了杂散电流对钢筋的继续腐蚀，该状态称为腐蚀钝化状态。当电位继续升高时，钝化状态被破坏，钢筋正离子继续游离出钢筋从而对钢筋产生腐蚀。

杂散电流对金属结构的腐蚀有四个方面：钢轨、道床结构钢筋、隧道结构钢筋、地网、城市轨道交通外部其它公共设施。

杂散电流从钢轨流出时，要对钢轨产生腐蚀。当杂散电流泄漏至地下时，根据城市轨道交通结构，首先泄漏至道床钢筋，道床钢筋若纵向形成电气通路则为杂散电流向下泄漏过程中遇到的第一个电气畅通通路，并沿此通路流向牵引所方向，在牵引所流出钢筋后至钢轨。在阳极区道床钢筋不可能收集所有的杂散电流，总还有部分继续泄漏至隧道结构，同样若隧道钢筋纵向形成电气通路则成为杂散电流遇到的第二个电气畅通通路，并沿此通路至牵引所方向，在牵引所区域(阴极区)流回至道床钢筋，并流回至钢轨。在阳极区还有从隧道泄入大地的部分杂散电流在牵引所处经隧道或地网返回钢轨。

杂散电流从隧道结构钢筋里流回牵引变电所的同时，还有部分杂散电流流出结构钢筋到车站接地网或者隧道外的其他公共设施。这部分杂散电流最后还要回到牵引变电所，在流出接地网或其他公共设施的同时对接地网或公共设施产生腐蚀。

3.防护措施

一方面，控制全线杂散电流总量上的减少，另一方面，对城市轨道交通系统内结构钢筋而言，尽量减少杂散电流流出金属结构的电流密度，阻止杂散电流对钢筋的腐蚀，是杂散电流防护系统采用的最根本措施。

在实际工程中采取的防护措施如下：

(1)减小牵引变电所间距：杂散电流产生的大小与牵引变电所的之间的长度的3次方成正比，牵引变电所间距越小产生的杂散电流就越小。

(2)减小钢轨纵向电阻：钢轨的纵向电阻越小，回流在钢轨上产生的压降越小，产生的杂散电流就越小。

(3)增大钢轨泄漏电阻：钢轨安装时的绝缘性能越好，钢轨泄漏电阻越大，从钢轨泄漏的杂散电流就越少。

(4)在道床内设置排流网：根据杂散电流对钢筋的腐蚀及防护原理，在整体道床内设置一定截面的钢筋，全线电气连通(即排流网)，使得从钢筋流出的电流密度控制在钝化状态范围内(0.6mA/dm²)，则尽管有一定数量杂散电流流出钢筋但却不会使道床结构钢筋受到腐蚀。

(5)在牵引变电所增设排流柜：在牵引变电所设置排流柜，将排流柜的一端接变电所直流负母排，另一端接整体道床排流端子、隧道结构排流端子以及接地网，使得在整体道床和隧道结构排流网以及接地网的中的杂散电流直接流回牵引变电所，防止了杂散电流对结构钢筋和公共设施的腐蚀。

4.传统杂散电流防护措施的缺陷

由于传统的直流供电模式决定了杂散电流产生的必然性，虽然采取了各种措施，但是杂散电流还是会对钢轨、道床结构钢筋、隧道结构钢筋和其他公共设施产生腐蚀，随着运行年代的增加，各种绝缘材料的绝缘性能逐渐下降，钢轨泄漏电阻越来越小，杂散电流会越来越大。在实际运行的过程中发现这种直流供电模式存在一些无法解决的问题。

(1)钢轨电位高

在目前已运行的城市轨道交通线路中，均发现钢轨的实际电位比设计值高，导致钢轨电位限制装置频繁动作的现象，为了保证供电系统的安全以及旅客的人身安全，只能采用对钢轨电位高的变电所钢轨电位限制装置长期合闸的措施，形成了较大的杂散电流。

(2)排流柜增加了杂散电流总量

当采用排流法时，钢轨系统称之为接地系统，因为在有电流从钢筋沿排流电缆(经二极管)流至负母排时，原来负母排的负电位变为接近零电位，从而因钢轨纵向电压的钳制作用使得两牵引所间钢轨的最高对地电位增加了一倍，两牵引所间几乎全部成为阳极区，杂散电流总量增加了近四倍。由于杂散电流的总量增加太多，除牵引所附近钢筋腐蚀减少外，在区间的钢轨的腐蚀量将上升，区间钢筋有可能腐蚀量上升。

(3)排流网增加了轨道和信号的设计难度

排流网的设置改变了整体道床内结构钢筋的布置，结构钢筋距钢轨太近，不能满足信号专业要求的结构钢筋和钢轨的间距。同时结构钢筋的增多使得整体道床浇注后产生裂缝，影响整体道床的安全。

二、DC1500V四轨系统的安装结构

如图2～4所示，本实用新型所述四轨系统的接触轨10主要由牵引轨2、回流轨3、支持装置、防护罩1、膨胀接头、端部弯头、中心锚结和普通接头等组成。其中，牵引轨2和回流轨3采用相同类型的钢铝复合轨，牵引轨2负责向机车不间断地提供电能，回流轨3与变电所负极柜相连，形成一个完整的向机车供电的回路。

四轨系统通常采用侧面受流方式，其受流方式按照安装位置的不同，可分为牵引轨和回流轨分别安装在线路的两侧、牵引轨和回流轨分别安装在线路的同侧两种方式。从经济性和工程可实行性上考虑，牵引轨和回流轨分别安装在线路两侧的悬挂方式并不可取，本实用新型采用牵引轨与回流轨同侧安装的方式。

另外，按照悬吊方式的不同，牵引轨和回流轨同侧安装时，又可分为上部受流、下部受流和侧面受流三种方式。三种受流方式的安装示意图如图2、图3、图4所示。

如图2所示，同侧上部受流方式安装的牵引轨2和回流轨3均被夹持在绝缘支架6顶部的绝缘块内，可以保证牵引轨2和回流轨3均随着温度变化自由伸缩。防护罩1连接覆盖在牵引轨之上，使得牵引轨和回流轨均自轨顶面以上全部受到保护。其中，牵引轨2和回流轨3相对安装于走行轨5(钢轨)的同一侧，列车通过集电靴从上面与牵引轨、回流轨接触受流。

该方案的优点是安装方便，零部件相对成熟，在原有上部受流模式三轨零件的基础上稍加修改即可满足使用。但与侧面受流方式相比，集电靴从上面和牵引轨和回流轨同时接触，取流不稳定。

如图3所示，同侧下部受流方式安装的牵引轨2和回流轨3均被夹持在绝缘支架6顶部的绝缘块内，处于“悬挂”状态，从而可以保证牵引轨2和回流轨3均随着温度变化自由伸缩。防护罩4连接覆盖在牵引轨之上，使得牵引轨和回流轨均自轨顶面以上全部受到保护。其中，牵引轨2和回流轨3相对安装于走行轨5(钢轨)的同一侧，列车通过集电靴从下面与牵引轨、回流轨接触受流。

该方案的优点是安装方便，零部件相对成熟，在原有下部受流模式三轨零件的基础上稍加修改即可满足使用。但与侧面受流方式相比，集电靴从下面和牵引轨和回流轨同时接触，取流不稳定。

如图4所示，同侧侧面受流方式安装的牵引轨2和回流轨3均被夹持在绝缘支架6的侧面的绝缘块内，使受流面朝向走行轨5，牵引轨2和回流轨3均随着温度变化可以自由伸缩。防护罩1连接覆盖在牵引轨之上，使得牵引轨和回流轨均自轨顶面以上全部受到保护。其中，牵引轨2和回流轨3相对安装于走行轨5(钢轨)的同一侧，列车通过集电靴从侧面与牵引轨、回流轨接触受流。该方案整体结构简单，安装方便，集电靴取流更趋稳定。

以上所述的三种四轨系统不仅适用于地下隧道中，也适用于地上轨道、高架桥等线路条件，其安装结构与地下隧道的安装类似，在此不再赘述。通过上述三种方案的说明可以看出，以上受流方案都可满足四轨供电的要求。总体上来说，三种受流方案的技术和经济性能基本相当。下面简要分析两种受流方案对其它相关专业的影响。

1)对限界专业的影响

同侧上部受流及同侧下部受流方式由于牵引轨和回流轨同侧上下安装，因此绝缘支架高度增加，接触网专业需要的限界增大，与DC1500V三轨系统相比，垂直方向净空约增加350mm，水平方向限界基本不变；侧面受流方式由于牵引轨和回流轨侧面安装，与DC1500V三轨系统相比，垂直方向净空增加约200mm，水平方向增加约50mm。

2)对车辆专业的影响

与传统供电方式车辆相比，三种方式对车辆专业的影响重大，车辆的牵引供电系统需彻底改变。但对于三种方式而言，同侧上部受流方式和同侧下部受流方式要求车辆集电靴在空间上距离比同侧侧面受流方式要大，至少多一个轨高，因此对车辆整体构造影响较大。

3)对其它专业的影响

对于消防水管和弱电等需要避开强电流干扰的专业来说，应尽可能安装在接触轨的对侧，在接触轨换边布置不可避开时，应尽可能抬高敷设，以保证两者间的安全距离。对此三种种受流方式的影响一致。

通过上述综合比较，可以得出如下表所示的基本结论。

从经济性和工程可实行性上考虑，牵引轨和回流轨分别安装在线路两侧的悬挂方式不可取。而牵引轨和回流轨同侧安装方式，由于供电轨(牵引轨)与回流轨同时存在，两轨之间绝缘的可靠性以及对车辆构造的影响应重点考虑。若采用同侧上部受流或同侧下部受流方式，一方面由于集电靴取流时位于两根轨之间，为满足绝缘距离要求，两根轨之间距离较大，增加四轨系统安装的空间要求；另一方面，又增大正负集电靴在竖直方向的距离要求，从而影响到机车的整体构造。因此，DC1500V四轨系统在牵引轨和回流轨同时存在的模式下，最佳方案可采用同侧侧面受流方式。

如图5所示，在车站站台处，接触轨10(包括牵引轨、回流轨等)布置在站台的对侧；在区间设置疏散平台时，设置在疏散平台的对侧，以使接触轨远离旅客，减少旅客跌落线路或运营人员发生电击事故的可能性。

本实用新型的主要目的是解决杂散电流的腐蚀问题，而在城市轨道交通，隧道内及高架桥上杂散电流的防护是技术重点。因此，在考虑DC1500V四轨系统工程适用性时，需要突出考虑其杂散电流防护方面的技术优势。DC1500V四轨系统与DC1500V三轨系统相比，对于土建的要求基本一致，隧道净空要求可以不变，仅在四轨安装处安装空间较大，部分地段可能需其它综合管线进行适当调整避让。

城市轨道交通直流牵引四轨供电系统由于四轨(回流轨)彻底与道床等其他设施绝缘，不存在杂散电流，也就不再考虑防杂散电流的措施和设施。与传统直流供电模式(如三轨系统)相比，具有以下优点：

(1)对轨道的纵向电阻、接头焊接、钢轨安装无要求；

(2)对道床结构、隧道结构以及高架结构无要求；

(3)取消车站钢轨电位限制装置；

(4)取消排流柜；

(5)取消杂散电流监测系统；

(6)取消钢轨绝缘结；

(7)取消盾构区间连接电缆；

(8)取消屏蔽门绝缘带；

(9)保证金属结构不会被腐蚀。

现有城市轨道交通线路由于利用支撑机车运行的钢轨回流，不可避免的会产生杂散电流泄漏，从而腐蚀结构钢筋、降低隧道或桥梁的使用寿命。而采用本实用新型所述的四轨回流技术，可以完全避免杂散电流腐蚀的危害，提高了隧道、桥梁、管线等的使用寿命，保证了城市轨道交通系统的安全。

Claims (7)

1.一种应用于城市轨道交通的DC1500V四轨安装结构，其特征在于：包括牵引轨(2)、回流轨(3)和两列走行轨(5)，所述走行轨(5)的一侧安装有绝缘支架(6)，所述牵引轨(2)和回流轨(3)夹持在绝缘支架(6)的绝缘块内。

2.根据权利要求1所述应用于城市轨道交通的DC1500V四轨安装结构，其特征在于，所述牵引轨(2)和回流轨(3)的轨道接触面为向上设置，与机车上的集电靴通过同侧上部受流方式接触，形成供电回路。

3.根据权利要求1所述应用于城市轨道交通的DC1500V四轨安装结构，其特征在于，所述牵引轨(2)和回流轨(3)的轨道接触面为向下设置，与机车上的集电靴通过同侧下部受流方式接触，形成供电回路。

4.根据权利要求1所述应用于城市轨道交通的DC1500V四轨安装结构，其特征在于，所述牵引轨(2)和回流轨(3)的轨道接触面朝向走行轨(5)的一侧设置，与机车上的集电靴通过同侧侧面受流方式接触，形成供电回路。

5.根据权利要求2至4中任一权利要求所述应用于城市轨道交通的DC1500V四轨安装结构，其特征在于，所述牵引轨(2)的上方设有防护罩。

6.根据权利要求1至4中任一权利要求所述应用于城市轨道交通的DC1500V四轨安装结构，其特征在于，所述牵引轨(2)和回流轨(3)在车站站台处，布置在站台的对侧。

7.根据权利要求1至4中任一权利要求所述应用于城市轨道交通的DC1500V四轨安装结构，其特征在于，所述牵引轨(2)和回流轨(3)在区间设置疏散平台时，设置在疏散平台的对侧。

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