模块2　城市轨道交通供电系统认知

城市轨道交通供电系统是城市轨道交通总系统中的一个重要组成部分，其有效运行是城市轨道交通总系统安全可靠运行的重要保障。本模块是城市轨道交通供电系统认知的核心部分，是在其他模块基础上提升。

1.2.1　学习目标

1.掌握城市轨道交通供电系统组成；

2.掌握供电系统向牵引变电所的供电方式；

3.掌握城市轨道交通供电系统的运行方式；

4.熟悉杂散电流形成机制；

5.掌握杂散电流腐蚀的防护与监测。

1.2.2　知识准备

1.2.2.1　城市轨道交通供电系统概述

1.城市轨道交通供电系统的供电制式

城市轨道交通的供电系统，由变电所、接触网（接触轨）和回流网三部分构成。变电所通过接触网（接触轨），由车辆受电器向电动客车馈送电能，回流网是牵引电流返回变电所的导体。

牵引网的供电制式主要指电流制、电压等级和馈电方式。目前城市轨道交通的直流牵引电压等级有DC600V、DC750V和DC1500V等多种。我国国家标准《地铁直流牵引供电系统》规定了DC750V和DC1500V两种电压制式。

牵引网的馈电方式分为架空接触网和接触轨两种基本类型。其中电压制式与馈电方式是密不可分的。一般架空接触网馈电方式电压等级采用DC1500V。目前第三轨馈电方式电压等级主要采用DC750V，但有向DC1500V发展的趋势。

供电制式选择的原则是：

（1）供电制式与客流量相适应

客流量是轨道交通设计的基础，应根据预测客流量大小，选择适用的电动客车类型和列车编组数量。一般大运量的轨道交通系统，采用DC1500V电压和架空接触网馈电，中运量的系统采用DC750V电压和接触轨馈电方式。

（2）供电安全可靠

城市轨道交通是城市交通的骨干，一旦牵引网发生故障，造成列车停运，就会影响市民出行，引起城市交通混乱。因此，安全可靠是选择供电制式的最重要条件。

（3）便于安装和事故抢修

选用的牵引网应便于施工安装和日常维修，一旦发生牵引网故障，应便于抢修，尽快恢复运营。

（4）牵引网的使用寿命长，维修工作量小，是降低轨道交通运营成本的重要条件。

（5）城市轨道交通是城市的基础设施，应注重环境和景观效果。

2.国外轨道交通供电系统的发展

电力牵引用于轨道交通系统已有100多年的历史，随着经济和科学技术的不断发展，用于轨道交通的电力牵引方式有许多不同的制式出现。这里所说的制式是指供电系统向电动车辆或电力机车供电所采用的电流和电压制式，如直流制或交流制、电压等级、交流制中的频率（工频或低频）以及交流制中是单相或三相等。

为了便于理解电力牵引制式的变化和发展原因，首先介绍一下对城市轨道交通牵引列车的电动车辆或电力机车特性的基本要求：

（1）启动加速性能。要求启动加速力大而且平稳，即恒定的大启动力矩，便于列车快速平稳启动。

（2）动力设备容量利用。对列车的主要动力设备——牵引电动机的基本性能要求为：列车轻载时，运行速度可以高一些，而列车重载时运行速度可以低一些。这样无论列车重载或轻载都可以达到牵引电动机容量的充分利用，因为列车的牵引力与运行速度的乘积为其功率容量，这时近于常数。

（3）调速性能。城市轨道交通运输，要求有不同的运行速度，即调速。在调速过程中既要达到变速，还要尽可能经济，不要有太大的能量损耗，同时还希望容易实现调速。

了解了以上对列车牵引的基本特性要求以后，不难看出，直流串激电动机的性能是很符合这个要求的，即其机械特性（转矩与转速的关系特性）正符合重载时速度低，轻载时速度高的要求。更形象一点说，它具有牛马特性，牛可以拉得多一些，但跑得慢；马跑得快，但力气小，拉得少一些。

此外，从直流串激电动机的启动和调速方法看，也是比较容易实现的。为了限制直流串激电动机刚接通电源时启动电流太大和正常运行时为了降速而降低其端电压，最早采用在电动机回路中串联大功率电阻的方法来达到限流和降压的目的。这种方法实现是容易的，但在启动和调速过程中却带来了大量的能量损耗，很不经济。尽管如此，由于局限于一定时期的技术发展水平，采用直流串激电动机作为牵引动力就成为最早也是迄今为止被长期应用的形式，这就是供电系统直接以直流电向电动车辆或电力机车供电的电力牵引“直流制式冶。

随着城市轨道交通客流量的不断增加，城轨列车需要的功率愈来愈大，如果采用直流供电制式，因受直流串激电动机（牵引电动机）端电压不能太高的限制，会导致供电电流很大，因而供电系统的电压损失和能量损耗必然增大。因此出现了“低频单相交流制冶。

低频单相交流制是交流供电方式，交流电可以通过变压器升降压，因此可以升高供电系统的电压，到了列车以后再经车上的变压器将电压降低到适合牵引电动机应用的电压等级。由于早期整流技术的关系，这种制式采用的牵引电动机在原理上与直流串激电动机相似的单相交流整流子电动机。这种电动机存在着整流换向问题，其困难程度随电源频率的升高而增大，因此采用了“低频冶单相交流制，它的供电频率和电压有25Hz、6.5～11kV和15～等类型。由于用了低频电源使供电系统复杂化，需由专用低频电厂供电，或由变频电站将国家统一工频电源转变成低频电源再送出，因此在城市轨道交通中没有得到广泛应用，只在少量国家的工矿或干线上应用。

由于低频单相交流制存在以上缺点，长期以来，人们一直在寻求一种更理想的牵引供电方式，这就是“工频单相交流制冶。这种制式既保留了交流制可以升高供电电压的长处，又仍旧采用直流串激电动机作为牵引电动机的优点，在电力机车上装设降压变压器和大功率整流设备，它们将高压电源降压，再整流成适合直流牵引电动机应用的低压直流电，电动机的调压调速可以通过改变降压变压器的抽头或可控制整流装置电压来达到。工频单相交流制是当前世界各国干线电气化铁路应用较普遍的牵引供电制式。我国干线电气化铁路即采用这种制式，其供电电压为25kV。

在牵引制的发展过程中曾出现过“三相交流制冶的形式，但由于供电网比较复杂，必须要有两根（两相）架空接触线和走行轨道构成三相交流电路，两根架空接触线之间又要高压绝缘，造成的困难和投资更大，因此被淘汰。

关于直流制式的电压等级应用情况大致如下：干线电气化铁路的供电电压有3kV的，电压没有再提高是因为受到直流牵引电动机端电压的限制，其值一般为1.5kV左右，用3kV供电，一般就需要将两台电动机串联，再提高供电电压，其连接就更复杂，还涉及当时整流装置绝缘水平的问题。这种制式在前苏联和东欧一些国家应用最普遍。

由于大功率半导体整流元件（晶闸管）的出现，在直流制电动车辆上，采用以晶闸管为主体的快速电子开关（整流器），可对直流串激牵引电动机进行调压调速，消除了用串联电阻启动和降压调速的不经济方法，给直流制增添了新的生命力。

另外还由于快速晶闸管的出现，近年来发展为由快速晶闸管等组成逆变器，不但将直流电逆变成交流电，而且频率可以调节，这样就解决了多年来想采用结构简单、结实的鼠笼式异步电动机作为牵引电动机的愿望。用变频率改变异步电动机速度的方法（简称变频调速），使异步牵引电动机性能满足牵引列车特点的要求。这种方法在国外无论在城市轨道交通还是在工矿和干线电牵引车辆上都应用较多。上海市地铁2号线的电动车辆就采用这种形式。不过，尽管电动车辆上采用的是交流异步牵引电动机，其架线供电电压还是直流的，所以还属于直流制式的范畴，这就给直流制的应用打开一个更宽广的天地，使它更有生命力。

从1863年伦敦建成世界上第一条地下铁道以来，在150多年的时间内，世界各国已有近百座城市修建了城市轨道交通。城市轨道交通几乎毫无例外地都采用直流供电制式，这是因为城市轨道交通运输需要的列车功率并不是很大，其供电半径（范围）也不大，因此供电电压不需要太高；还因为没有电抗压降直流制比交流制的电压损失小（同样电压等级下）。另外由于城市内的轨道交通，供电线路都处在城市建筑群之间，为确保安全，供电电压不宜太高。基于以上原因，世界各国城市轨道交通的供电电压都在DC550～1500V，但其挡级很多，这是由各种不同交通形式，不同发展历史时期造成的。现在国际电工委员会拟定的电压标准为：600V、750V和1500V三种。后两种为推荐值。我国国标也规定为750V和1500V，不推荐现有的600V。DC1500V接触网和DC750V第三轨馈电都是可行的。从世界范围来看，采用第三轨馈电的占多数。

目前，为了降低工程造价，各国城市轨道交通有向地面线和高架线发展的趋向。随着人们环保意识的增强，越来越重视轨道交通的城市景观效果，因此，新建的轨道交通系统采用第三轨馈电的日益增多。例如，1990年建成的新加坡地铁，号称集中了世界最先进的技术，为保护旅游城市环境，采用第三轨馈电。近年新建的吉隆坡轻轨、曼谷地铁、德黑兰地铁，都采用DC750V第三轨馈电。

近年来，有人说第三轨馈电是陈旧落后的技术，接触网是先进技术。这是一种片面的说法。衡量一条城轨线路是否先进，应该是它的自动化水平高低，计算机技术和信息技术应用程度，以及是否符合环保要求和景观效果，而不是采用了哪种供电方式。

3.国内轨道交通供电系统的发展现状

我国自1969年建成北京第一条地下铁道以后，相继已有上海、广州、南京等城市轨道交通投入商业运营。国内在运营或者将要运营的轨道交通的供电系统主要采用架空式接触网和第三轨式（又称接触轨式）两种馈电类型。其中北京、天津等地铁采用DC750V的第三轨馈电，无锡地铁采用DC1500V的第三轨馈电，电压提高到1500V是第三轨馈电技术发展的一个方向；上海、南京等地铁采用DC1500V架空式接触网馈电。

下面我们从不同的角度对以上的两种供电制式进行分析比较。

（1）设备施工安装比较

架空接触网悬挂在钢轨轨面上方，由承力索、滑触线、馈电线、架空地线、绝缘子、支柱、支持与悬挂零部件、隔离开关、电缆及下锚装置等组成，结构比较复杂，零部件较多。架空接触网施工安装时，因作业面较高，作业不方便，安装调整比较困难。需要使用专用的架线车和大型机具，施工费用较高。

第三轨安装在车辆走行轨外侧，由导电接触轨、绝缘子、绝缘支架、防护罩、隔离开关和电缆组成，结构比较简单，零部件较少。第三轨安装高度较低，钢铝复合接触轨每延米重量为14.25kg，施工安装方便，施工机具简单，施工安装费用较低。

（2）设备投资比较

现以青岛地铁为例，对两种供电制式的设备投资进行比较。青岛地铁第一期工程长约16.455km，全部为地下线，设13座车站。采用以主变电所为主的混合式供电方案。除去两种供电制式相同部分设备的投资（2座主变电所、车辆段的1座牵引降压混合变电所和两座降压变电所、10kV电缆网络），对两种供电制式下可比部分的设备投资比较如下。

①DC1500V架空接触网方案

青岛地铁第一期工程，采用DC1500V架空接触网方案，正线上设牵引降压混合变电所6座，设降压变电所7座。按牵引降压混合变电所每座造价1000万元，降压变电所每座造价400万元，架空接触网（柔性隧道内）每公里造价165万元计算，系统中可比部分的造价为14262万元。

②DC750V低碳钢接触轨方案

采用DC750V低碳钢接触轨方案，正线上设9座牵引降压混合变电所，设4座降压变电所。该方案变电所的单价与DC1500V架空接触网方案相同，接触轨每公里造价按103万元计算，系统中可比部分的造价为14009万元。

③DC750V钢铝复合接触轨方案

钢铝复合接触轨是由不锈钢带，通过机械方法，与铝合金型材相结合制成的接触轨。其特点一是重量轻，每延米重14.75kg；二是电阻率低，牵引网损耗小；三是供电距离较长。

青岛地铁第一期工程，采用DC750V钢铝复合接触轨方案，正线上设7座牵引降压混合变电所（接触网方案为6座），设6座降压变电所。钢铝接触轨每公里造价按125万元计算。系统中可比部分的造价为13538万元。

由此可见，以设备投资而论，架空接触网方案和低碳钢接触轨方案基本持平，钢铝复合接触轨方案造价最低。

（3）供电可靠性比较

地铁每天运营18h，必须保证不间断地供电。一旦供电中断，就会造成地铁停运，打乱城市交通秩序。因此，安全可靠的供电是选择供电制式的重要条件。

①架空接触网系统

柔性架空接触网结构复杂，固定支持零部件较多，所以薄弱环节也多。一旦某个零部件发生问题，会引起滑触线脱落，甚至发生刮弓等恶性事故。

另外，架空接触网靠导线张力维持其工作状态，经过多年磨损及电弧烧伤，导线的截面会逐渐减小，其强度也随之降低。加上导线材料的缺陷，在拉锚装置及故障电流作用下，极易发生滑触线断线事故，造成地铁停运。

香港地铁采用DC1500V架空接触网供电。建成后多次发生架空线断裂，造成地铁长时间停运，引起地面交通瘫痪。

上述事实说明，架空接触网供电的可靠性较差。一旦发生断线事故，因高空作业也不便于抢修。上述架空线事故，国内几家地铁也已发生多起。

②接触轨系统

接触轨系统的零部件少，结构比较简单，坚固耐用，不存在断轨和刮碰受流器等事故隐患，北京和天津地铁的三轨系统使用近30年，从未发生过因接触轨故障造成列车停运事故。由此可见，接触轨供电系统的可靠性较高。一旦发生事故，抢修也方便快捷。

（4）使用寿命比较

接触网的使用寿命，关系到接触网更新改造的再投资，磨耗到限的导线必须及时更换。国产架空接触导线的设计使用寿命为15年，进口接触线的使用寿命可达20年。就是说采用架空接触网供电，系统每隔15～20年就需要更换一次滑触导线。

接触轨的特点是坚固耐磨，使用寿命长。我国地铁考查人员在伦敦地铁看到了使用100多年的第三轨。前几年，北京地铁曾对低碳钢接触轨磨耗状况进行过检测，经过20多年的运营，其磨耗量不到5％。按此推算，接触轨使用100年其磨耗量也不到25％。

因此，从使用寿命和节约投资考虑，接触轨方案具有较大优势。

（5）维修费用比较

①架空接触网系统

架空接触网在运营中维修调整工作量较大，需要组建接触网维修工区。一个接触网工区定员需25人，配备专用的接触网检查车，承担10km左右线路接触网的维修任务。按此计算，一条20km长的地铁，需要设两个接触网工区，定员约50人。

接触网工区的车辆、机具设备以及人员工资福利等，使运营管理单位每年要付出一笔很大的维修费用及管理费用。

另外，在日常运营中，若接触网发生断线事故，由于作业面高，抢修很困难。香港地铁最长的抢修时间达12h。

②接触轨系统

采用第三轨供电，其结构简单，坚固耐用，几乎不用维修。北京地铁没有专职的三轨维修人员，由线路维修人员兼顾三轨维修。

平常三轨维修的内容有：擦拭绝缘瓷瓶、检查馈电线接头焊点、调整三轨安装位置、检查防爬设备、调整三轨弯头。这些简单的维修工作，不需要大型机具设备，所花维修费用较少。

（6）土建费用比较

快速轨道交通的土建费用，与工程地质条件和施工方法有关。地下车站明挖施工，与供电制式无关，盾构法施工的区间隧道断面，两种供电制式相同，不需要进行比较。

用明挖法施工的区间隧道，两种供电制式的净空高度不同，具有可比性。

我国地下铁道限界标准规定，DC1500V架空线系统的隧道净空高度为4.5m；DC750V三轨系统的隧道净空高度为4.2m。两者相差0.3m。

按此计算，DC750V三轨系统，每延米区间隧道（双线），可节约钢筋混凝土0.42m3，每公里隧道可节约投资46万元。

用矿山法施工的直墙拱形隧道，DC1500V系统与DC750V系统，净空高度相差0.25m。每公里隧道减少开挖量2350m3，可节约投资约70万元。

（7）城市景观效果比较

随着人们环保意识的增强，越来越重视城市环境和景观。上海地铁3号线建成以后，人们开始反思架空接触网对城市景观的负面影响，实际上这个问题十年以前在国外已经引起重视。

1990年建成的新加坡地铁67km线路，1998年马来西亚吉隆坡建成的两条高架轻轨，以及1999年建成的泰国曼谷轻轨，从城市景观效果考虑，均采用第三轨馈电。

北京地铁13号线，以地面线和高架线为主，采用第三轨馈电，其景观效果受到了市民的称赞。广州地铁总结了过去的经验，已确定在地铁4号线上采用DC1500V电压的第三轨馈电方式。

从城市景观效果考虑，三轨馈电系统有较大的优势。

（8）人身安全比较

系统采用DC1500V架空接触网，其滑触线悬挂在线路上方4m处，不会对轨道维修人员及发生事故时人员快速疏散带来影响，安全性较好。正在研究中的城际间快速轨道交通系统，采用地面线和高架线形式，城市景观退居次要地位。出于人身安全考虑，倾向于采用架空接触网馈电。

DC750V三轨系统，接触轨安装在走行轨旁边，高度较低，在接触轨带电情况下，人员进入隧道，或发生事故时人员快速疏散有一定的危险性。因此，从人身安全考虑，架空接触网系统具有优势。实践说明，由于在三轨上安装有绝缘防护罩，北京地铁运营30多年来也未发生工作人员和乘客被电击伤的事故。

（9）牵引网能量损耗比较

牵引网系统的能量损耗，与牵引网的电压制和馈电方式有关。在列车功率相同的条件下，牵引网电压和列车电流成反比，即牵引网电压提高一倍，其列车电流减少一倍。因此DC1500V系统比DC750V系统的列车电流减小。

变电所的间距增大，牵引网的馈线电流成正比增大。DC1500V系统的变电所间距比DC750V系统大，二者牵引网上的实际馈线电流不是1颐2的关系，而应该是1颐1.5的关系。

另一方面，架空接触网上的线路电阻为23～27m赘/km，而钢铝复合三轨的线路电阻为8m赘/km，仅为架空接触网电阻的1/3。根据电能消耗公式W=I2Rt计算，钢铝复合轨牵引网的电能消耗要比架空接触网的能耗小。

综上所述，通过对两种供电制式的比较，可以看出：从工程一次投资比较，DC1500V架空接触网方案最高，DC750V低碳钢三轨方案次之，DC750V钢铝复合轨方案最低；DC1500V架空接触网方案，在人身安全方面具有优势；DC750V三轨方案具有6大优势，即施工安装和故障抢修方便，区间隧道土建费用低，供电可靠性高，使用寿命长，维修工作量小且维修费用和管理费用低，城市景观效果好。

一般来说，预测客流量较大，选用A型车8辆编组，车组重量达440t。按照这样大的负荷确定系统采用DC1500V架空线供电比较合适。对于一些中等城市，客流量不是很大，选用B型车6辆编组，车组重量不超过300t。在这种线路上，选用第三轨供电比较合适。

架空接触网适合用在地下线，如用在高架桥上和地面线上，将影响城市景观。特别是旅游城市更要考虑到城市景观效果，应该采用第三轨供电。

1.2.2.2　城市轨道交通供电系统的组成

城市轨道交通作为城市电网的一个用户，一般都直接从城市电网取得电能，无需单独建设电厂；城市电网也把城市轨道交通看成一个重要用户。城市轨道交通供电系统由电源系统（城市电网、主变电所）和牵引供电系统、动力照明供电系统和电力监控系统组成。其中牵引供电系统包括牵引变电所和牵引网两大部分，动力照明供电系统包括降压变电所与动力照明配电系统。

城市轨道交通的供电系统可分为交流高中压（HMV）、牵引供电（TPS）、接触网（OCS）、电力监控（SCA）等子系统。

1.电源系统

我国和大多数国家一样，电力生产由国家经营管理，因此无论是干线电气化铁路，还是工矿电力牵引和城市轨道交通电力牵引用电均由国家统一电网供给。

为了说明电力牵引供电系统各个组成部分的关系和作用，下面以城市轨道交通直流电力牵引供电系统为例，如图1.4所示。

图1.4　城市轨道交通电力牵引供电系统

1—发电厂（站）；2—升压变压器；3—电力网；4—主降压变电站；5—直流牵引变电所；6—馈电线；7—接触网；8—走行轨道；9—回流线

生产电能的发电厂（站）由于它所利用的能源的不同，可以分为火力发电厂（用煤、油为燃料）、水力发电厂、原子能发电厂以及风力、地热、太阳能和潮汐发电厂等。电厂可能与其用户相距甚远，必须将输电电压升高，以减少线路的电压损失和能量损耗，因此在发电厂的输出端接入升压变压器以提高输电电压。目前我国用得最普遍的输电电压等级为110～220kV。

通常国家供电系统总是把在同一个区域（或大区）的许多发电厂通过高压输电线和变电所联结起来成为一个大的统一的供电系统，向该区域的负荷供电。这样由各级电压输电线将发电厂、变电所和电力用户联结起来的一个发电、输电、变电、配电和用户的统一体被称为电力系统。组成统一的电力系统有如下的一些优越性：

（1）可以充分利用动力资源。火力发电厂发出多少电能就需要相应的消耗多少燃料，而其他的某些类型发电厂，它能发出多少电能取决于当时该发电厂的动力资源情况，如水电站的水位高低，它随自然条件的变化而变化。因此，组成统一的电力系统以后，在任何时候，可以动态地调整各种动力资源，以求其发挥最大效益。

（2）减少燃料运输，降低发电成本。大容量火力发电厂所消耗的燃料是很可观的，如果不用高压远距离输电，则发电厂必然要建在负荷中心附近而不能建在燃料资源的生产地，这样就要大量运输燃料，造成发电成本升高。采用高压输电电力系统以后就可以解决以上问题，将发电厂建在动力资源丰富的地方。

（3）提高供电的可靠性。由于供电区域内的负荷是由多个发电厂组成的电力系统共同供电的，与单个发电厂独立向自己的负荷供电比较起来，对负荷的供电可靠性就可以提高很多，因为系统内发电厂之间可以起到互为后备的作用。与此同时，整个系统的发电设备容量也可以减少很多，降低了设备的投资费用。

（4）提高发电效率。没有组成电力系统之前，每个发电厂的容量是按照它的供电负荷大小来设计选择的，如果该地区负荷小，则发电设备单机容量就小。通常单机小容量的发电设备总是比大容量的设备运行效率低些，因此组成电力系统以后，不但各发电厂的单机容量可以尽可能选得大一些，以提高单机的运行效率，而且总机组数目也可减少，还不受各地区负荷大小的牵制，因为它们是由统一系统供电的，这就达到了提高发电效率的目的。

通常高压输电线到了各城市或工业区以后通过区域变电所（站）将电能转配或降低一个等级（如10～35kV）向附近各用电中心送电。城市轨道交通牵引用电既可从区域变电所高压线路得电，也可以从下一级电压的城市地方电网得电，这取决于系统和城市地方电网具体情况以及牵引用电容量大小。

对于直接从系统高压电网获得电力的城市轨道交通系统，往往需要再设置一级主降压变电站，将系统输电电压如110～220kV降低到10～35kV以适应直流牵引变电所的需要。从管理的角度上看，主降压变电站可以由电力系统（电业部门）直接管理，也可以归属于城市轨道交通部门管理。

从发电厂（站）经升压、高压输电网、区域变电站至主降压变电站部分通常被称为牵引供电系统的“外部（或一次）供电系统冶。主降压变电站（当它不属于电力部门时）及其以后部分统称为“牵引供电系统冶，它应该包括：主降压变电站、直流牵引变电所、馈电线、接触网、走行轨及回流线等。直流牵引变电所将三相高压交流电变成适合电动车辆应用的低压直流电。馈电线是将牵引变电所的直流电送到接触网上。接触网是沿列车走行轨架设的特殊供电线路，电动车辆通过其受流器与接触网的直接接触而获得电能，走行轨道构成牵引供电回路的一部分，回流线将轨道回流引向牵引变电所。

2.向牵引变电所的供电方式

城市电网对城轨交通的供电方式有如下三种。

（1）集中供电方式

沿着城轨交通线路，根据用电容量和城轨交通线路的长短，建设城轨交通专用的主变电所。主变电所电压一般为进线电源AC110kV，由发电厂或区域变电所对其供电，再由主变电所降压为城轨交通内部供电系统所需的电压级（AC35kV或AC10kV）。各主变电所具有两路独立的AC110kV电源。集中供电方式有利于城轨交通公司的运营和管理，各牵引变电所和降压变电所由环网电缆供电，具有很高的可靠性。广州、深圳、上海和香港城轨交通即为此种供电方式。集中供电方式如图1.5所示。

图1.5　集中供电方式的环网供电示意图

①主变电所

城轨负荷作为一级负荷，主变电所进线一般为双电源。双电源的设计有两种：一是两路电源均为专用线路，电源可靠性高；另一种是一路电源为专用线路，另一路T接于供电线路与其他用户共享电源。T接电源可靠性相对来说有所下降，但也能满足地铁供电的要求。两路电源分列运行，相互备用。同时，在设计中通过地铁环网电缆将两座主变电所的母线进行连接，即使两路外部电源同时发生故障，也可以实现主变电所之间的相互支援，提高了外部电源的安全可靠性。

主变电所进线电源侧可采用桥形接线或线路变压器组接线，如图1.6所示。采用何种接线形式，主要考虑外部电源的可靠程度和电力部门的要求。桥形接线的可靠性要略高于线路变压器组接线，主要体现在当一路进线电源故障时，完全不影响地铁供电系统的运行，而此时线路变压器组接线就只能单台主变压器运行。主变电所中压侧采用单母线分段接线方式，当其中1台主变压器或一路中压进线不能正常运行时，通过母联开关合闸保证地铁供电的可靠性。当外部电源不稳定时，通过主变压器有载调压开关保证地铁电源的稳定性和可靠性。

图1.6　主变电所电气主接线示意图

②中压交流环网系统

城市轨道交通的中压交流环网系统可采用牵引与动力照明相对独立的网络形式，也可采用牵引与动力照明混合的网络形式。对于牵引与动力照明相对独立的网络，牵引供电网络与动力照明网络的电压等级可以相同，也可以不同。供电系统中的中压网络应按列车运行的远期通过能力来设计，对互为备用线路，一路退出运行时，另一路应能承担其一、二级负荷的供电，线路末端电压损失不宜超过5％。

一个运行可靠、调度灵活的环网供电系统，一般需满足以下设计原则和技术条件：

a.供电系统应满足经济、可靠、接线简单、运行灵活的要求。

b.供电系统（含牵引供电）容量按远期高峰小时负荷设计，根据路网规划的设计可预留一定裕度。

c.供电系统按一级负荷设计，即平时由两路互为备用的独立电源供电，以实现不间断供电。

d.环网设备容量应满足远期最大高峰小时负荷的要求，并满足当一个主变电所发生故障时（不含中压母线故障），另一个主变电所能承担全线牵引负荷及全线动力照明一、二级负荷的供电。

e.电缆载流量也满足最大高峰小时负荷的要求，同时当主变电所正常运行，环网中一条电缆故障时，应能保证城市轨道交通正常运行。此时可不考虑主变电所和环网电缆同时故障的情况，但考虑主变电所与一个牵引变电所同时故障时，能正常供电（三级负荷除外）。

在中压环网电压等级的选取上，国内一般有35kV/33kV和10kV两种等级，环网电压高则可相应减少主变电所的个数和降低线路损耗。目前，国内已经开通和即将开通的地铁线路多数采用集中供电方式，中压环网电压多采用35kV/33kV等级。

（2）分散供电方式

根据城轨交通供电系统的需要，在城轨交通沿线直接从城市电网引入多路电源，由区域变电所直接对城轨交通牵引变电所和降压变电所供电，称为分散供电。这种供电方式多为AC10kV电压级，因为我国各大城市的电网在逐渐取消或改造AC35kV这一电压级，要想在10～30km的范围内引入多路AC35kV电源是不现实的。分散供电方式要保证每座牵引变电所和降压变电所都能获得双路电源。沈阳城轨、北京城轨5号线即为此种供电方式。分散供电方式如图1.7所示，可以看到，无论是牵引变电所还是降压变电所，其电源都由不同地方的电源提供。

图1.7　分散供电方式示意图

采用分散供电方式可以取消地铁主变电所，从而节省主变电所的投资，但是地铁电源系统能否采用这种方式与城市电网发达情况密切相关。采用集中供电方式可使地铁供电系统与外界的接点减少，便于日后的运营维护。

（3）混合供电方式

混合供电方式是前两种供电方式的结合，以集中供电方式为主，个别地段引入城市电网电源作为集中供电方式的补充，使供电系统更加完善和可靠。武汉轨道交通、北京城轨交通1号线和2号线即为此种供电方式。

1.2.2.3　城市轨道交通供电系统的特点

1.牵引供电系统

（1）概述

城轨交通牵引供电系统由牵引变电所或牵引降压混合变电所（为便于叙述，以下统称为牵引变电所）和接触网系统构成，共同完成向城轨交通列车输送电能的任务。

牵引变电所是牵引供电系统的核心，一般由进出线单元、变压变流单元及馈出单元构成。其主要功能是将中压环网的AC35kV或AC10kV电源经变压变流单元转换为城轨交通列车所需的电能，并分配到上下行区间供列车牵引用。在城轨交通工程中，由于地下土建工程造价较高，所以在地面有条件时最好将牵引变电所建于地面，但降压变电所由于压损的要求仍应设在车站内，这样可以有效地节约工程造价。

在设备选型上，随着设备制造技术的发展，设备在防火、减小占地面积等方面都有所进步。例如，干式变压器在防火、防潮湿等方面的优势都使其更适合城轨交通的运行环境；SF6气体绝缘开关柜（GIS）占地面积要比传统的空气绝缘开关柜（AIS）小，地下变电站中采用GIS柜可降低工程造价，尤其在35kV电压等级下采用GIS柜的优势更为突出。

接触网系统负责将牵引变电所馈出的电能输送到列车上，一般有架空接触网和接触轨两种形式。从电压等级看，国内有DC1500V和DC750V两种等级，DC1500V采用架空接触网形式，DC750V采用接触轨形式。

采用DC1500V接触网制式与DC750V接触轨形式相比，由于电压等级高，可以节省沿线牵引变电所的数量，并且由于接触网是架空悬挂，其安全性较好。但采用接触网形式对城市景观影响较大，运营后的维护工作量也较大。在具体的工程中可从一次投资、城市景观、安全因素和维护工作量等方面进行综合比选来确定受流方式。

在接触轨材料的选择上，国内已运行的城轨交通线路大多采用低碳钢，在国外，有些城轨交通采用钢铝复合轨。与低碳钢三轨相比，钢铝复合轨载流量大，可以减少牵引变电所的数量，降低运营维修费用，减少运行损耗。现在，国内武汉轻轨和天津地铁均已采用该材料。

（2）组成与要求

在城市轨道交通牵引供电系统中，电能从牵引变电所经馈电线、接触网输送给电动车组，再从电动列车经钢轨（称轨道回路）、回流线流回牵引变电所。由馈电线、接触网、轨道回路及回流线组成的供电网络称为牵引网。牵引供电系统即由牵引变电所和牵引网组成，其中牵引变电所和接触网是牵引供电系统的主要组成部分。接触网按其结构可分为架空式和接触轨式，按其悬挂方式又可分为柔性接触网和刚性接触网。习惯上，由于接触轨式是沿线路敷设的与轨道平行的附加轨，故又称第三轨；而采用架空方式时，才称为“接触网冶。

城市轨道交通牵引供电系统如图1.8所示，其各部分功能简述如下。

图1.8　牵引供电系统示意图

1—牵引变电所；2—馈电线；3—接触网（轨）；4—电动列车；5—钢轨；6—回流线；7—电分段

①牵引变电所：供给城市轨道交通一定区域内牵引电能的变电所。

②接触网（或接触轨）：经过电动列车的受电器向电动列车供给电能的导电网（有接触轨方式和架空接触网两种方式）。

③馈电线：从牵引变电所向接触网输送牵引电能的导线。

④回流线：用以供牵引电流返回牵引变电所的导线。

⑤电分段：为便于检修和缩小事故范围，将接触网分成若干段，称为电分段。

⑥轨道：列车行走时，利用走行轨作为牵引电流回流的电路。在采用跨座式单轨电动车组时，需沿线路专门敷设单独的回流线。

在城市轨道交通牵引供电系统中采用直流供电制。我国早期建成的北京城市轨道交通供电电压采用750V，上海、广州、南京、深圳城市轨道交通采用1500V。

牵引变电所的数量、容量和设置距离是根据牵引计算的结果，并对经济技术条件比较后确定的。它们一般设置在城市轨道交通沿线若干车站及车辆段附近。每个牵引变电所按其所需容量设置两组牵引整流机组并列运行，沿线任一牵引变电所故障解列，由两侧相邻的牵引变电所共同承担该区段的全部牵引负荷

牵引变电所的容量和设置距离一般需考虑以下设计原则和技术条件：

①正线任一牵引变电所故障时，其相邻牵引变电所应采用越区供电方式，负担起该区段的全部牵引负荷，此负荷应满足远期高峰小时负荷。

②牵引变电所的数量及其在线路上的位置，应满足在事故情况下越区或单边供电时，接触网的电压水平。直流牵引供电系统的电压及其波动范围应符合表1.1的规定。

表1.1　直流牵引供电系统电压值

③在任何运行方式下，接触网最高电压不得高于最高值，高峰小时负荷时，全线任一点的电压不得低于最低值。

（3）运行方式

牵引变电所向接触网（或接触轨）供电方式有两种，即单边供电和双边供电。城市轨道交通接触网（或接触轨）在每个牵引变电所附近由电分段进行电气隔离，分成两个供电分区，每个供电分区也称为一个供电臂。如列车只从所在供电臂上的一个牵引变电所获得电能，这种供电方式称为单边供电。如一个供电臂同时从相邻两个牵引变电所获得电能，则称为双边供电。

一般，车辆段内采用单边供电方式，正线采用双边供电方式。在采用双边供电时，当某一牵引变电所故障退出运行时，该段接触网就成为单边供电。正常运行时，列车从B牵引变电所和C牵引变电所以双边供电方式获得电能，越区隔离开关QS2断开。当B牵引变电所因故障退出运行时，合上越区隔离开关QS2，通过越区隔离开关由A牵引变电所和C牵引变电所进行大双边供电。正线上任何牵引变电所故障退出运行时，均由相邻牵引变电所越区供电。在越区供电方式下，供电末端的接触网（或接触轨）电压较低，电能损耗较大，因此，视情况要适当减少同时处在该供电区段的列车数目。另外，直流馈线保护整定时还需考虑大双边供电方式下的灵敏度。因此，越区供电只是在不得已的情况下，短时采用的一种运行方式。

2.动力照明系统

动力照明系统为除城轨交通列车以外的其他所有地铁用电负荷提供电能，其中包括通信、信号、事故照明和计算机系统等许多一级负荷。这些一级负荷均与城轨交通正常运营密不可分，所以在设计、设备选型和施工过程中都应对动力照明系统给予足够的重视。城轨交通降压变电所与城网10kV变电所一样，都是将中压电经变压器变为380V/220V电源供动力照明负荷用电。在引入电源方面，每座降压变电所均从中压环网引入两路电源，有条件时还应从相邻变电所或市电引一路备用电源，对于特别重要的负荷如控制系统计算机设备等负荷还应设蓄电池作为备用电源。

3.电力监控系统

电力监控系统是贯穿于整个供电系统的监视控制部分，是控制技术在电力系统中的应用。电力监控系统由控制中心、通信通道和被控站系统组成，对全线变电所及沿线供电设备实行集中监视、控制和测量。控制中心由数据服务器、通信前置机、工程师工作站及模拟盘显示器等组成，完成对所采集数据的分析、计算、存储、设备状态监视以及控制命令的发送等功能。被控站系统由变电所上位PLC或后台计算机、所内通信通道及下位PLC组成，完成对设备状态、信号等数据的采集、整理、简单分析计算及所内控制等功能。

4.城轨交通供电系统对电源的基本要求

一般工厂企业用电多集中在一个地方，而城轨交通用电则在沿线路几十公里的范围内，这是城轨交通与其他用户不同的地方。城轨交通作为城市电网的重要用户，属于1级负荷。城轨交通供电系统的主变电所、牵引变电所、降压变电所，都要求能获得两路电源。城轨交通供电系统对电源的基本要求是：

（1）两路电源要求来自不同的变电所或同一变电所的不同母线。

（2）每个进线电源的容量应满足变电所全部1、2级负荷的要求。

（3）两路电源应分列运行，互为备用，当1路电源发生故障时，由另1路电源恢复供电。

（4）为便于运营管理和减少损耗，要求集中式供电的主变电所的站位和分散式供电的电源点，要尽量靠近城轨交通线路，减少引入城轨交通的电缆通道的长度。

5.城轨交通供电系统的电压等级

城轨交通供电系统电压等级主要有如下几种：

（1）AC110kV、AC63kV：为主变电所的电源电压，其中AC63kV电压级为东北电网所特有。

（2）AC35kV：为主变电所电源电压或牵引供电系统电源电压，如北京、青岛城轨交通的主变电所电源电压和上海、广州、深圳、香港的牵引供电系统电源电压属于AC35kV等级。AC35kV这一电压级在各大城市电网中将逐渐消失，而由AC110kV取代。作为城轨交通内部和环网供电专用，AC35kV电压级还将继续存在下去。环网供电的电压如果不采用AC35kV，则可采用AC10kV。

（3）AC10kV：牵引供电系统、动力照明供电系统和电力监控系统适用这一电压级。

（4）AC380V/220V：城轨交通动力照明等低压负荷用电的电源电压。

（5）AC36V：安全照明电源电压。

（6）DC1500V或DC750V：接触网（轨）电源电压。

（7）DC220V或DC110V：变电所直流操作电源电压和事故照明电压。

6.城市轨道交通杂散电流

（1）杂散电流的形成

直流牵引供电系统在理想的状况下，牵引电流由牵引变电所的正极出发，经由接触网、电动列车和回流轨（即走行轨）返回牵引变电所的负极。但钢轨与隧道或道床等结构钢之间的绝缘电阻不是无限大，这样势必造成流经牵引轨的牵引电流不能全部经由钢轨流回牵引变电所的负极，有一部分的牵引电流会泄漏到隧道或道床等结构钢上，然后经过结构钢和大地流回牵引变电所的负极，这部分泄漏到隧道或道床等结构钢上的电流就是杂散电流，也称作迷流。图1.9（a）为直流牵引地下杂散电流示意图。

走行轨铺设在轨枕、道砟和大地上，由于轨枕等的绝缘不良和大地的导电性能，地下的杂散电流如图1.9（a）所示杂散地流入大地，然后在某些地方又重新流回钢轨和牵引变电所的负极。在走行轨附近埋有地下金属管道和其他任何金属结构时，杂散电流的一部分就会从导电的金属体上流过，如图1.10所示。此时钢轨和地下金属各点对大地的电位分布如图1.9（b）和（c）所示。

图1.9　地下杂散电流和电位

（2）杂散电流的影响和危害

城市轨道中的杂散电流是一种有害的电流，会对地铁中的电气设备、设施的正常运行造成不同程度的影响，以及对隧道、道床的结构钢和附近的金属管线造成危害。这种危害主要表现在如下几个方面。

①若地下杂散电流流入电气接地装置，将引起过高的接地电位，使某些设备无法正常工作。

②若钢轨（走行轨）局部或整体对地的绝缘变差，则此钢轨（走行轨）对大地的泄漏电流增大，地下杂散电流增大，这时有可能引起牵引变电所的框架保护动作。而框架保护动作，则整个牵引变电所的断路器会跳闸，全所失电，同时还会联跳相邻牵引变电所对应的馈线断路器，从而造成较大范围的停电事故，影响地铁的正常运营。

③对城市轨道隧道、道床或其他建筑物的结构钢筋以及附近的金属管线（如电缆、金属管件等）造成电腐蚀。如果这种电腐蚀长期存在，将会严重损坏地铁附近的各种结构钢筋和地下金属管线，破坏了结构钢的强度，缩短其使用寿命。

（3）地下金属结构被杂散电流腐蚀的基本原理

①腐蚀过程

直流牵引供电方式所形成的迷流及其腐蚀部位如图1.10所示。图中的I为牵引电流，Ix、Jy分别为走行轨回流和泄漏的杂散电流。

由图1.10可知，杂散电流所经过的路径可等效地看成为两个串联的腐蚀电池。其中电池玉为A钢轨（阳极区）→B道床、土壤→C金属管线（阴极区）；电池域为D金属管线（阳极区）→E土壤、道床→F钢轨（阴极区）。

当杂散电流由图1.10中两个阳极区、钢轨（A）和金属管线（D）部位流出时，该部位的金属铁（Fe）便与其周围的电解质发生阳极过程的电解作用，此处的金属随即遭到腐蚀。这种腐蚀的过程，实际可能发生两种氧化还原反应。其中之一是当金属铁（Fe）周围的介质是酸性电解质，即pH<7时，发生的氧化还原反应是析氢腐蚀；二是当金属铁（Fe）周围的介质是碱性电解质，即pH>7时，发生的氧化还原反应为吸氧腐蚀。两种腐蚀的化学反应方程式如下：

图1.10　地铁杂散电流腐蚀原理图

a.在析氢腐蚀时。

阳极：2Fe2Fe2++4e-。

阴极：4H++4e-4OH-+2H2↑（无氧环境）。

b.在吸氧腐蚀时。

阳极：2Fe2Fe2++4e-。

阴极：O2+2H2O十4e-4OH-（有氧的碱性环境）。

Fe（OH）2，，被氧化形成Fe（OH）3。生成的Fe（OH）2继续被介质中的O2氧化成Fe（OH）3，而Fe（OH）3可进一步生成Fe3O4（黑锈的主要成分）。

②腐蚀特点

杂散电流腐蚀的一般特点有：腐蚀激烈，集中于局部位置；当有防腐层时，又往往集中于防腐层的缺陷部位。杂散电流腐蚀和自然腐蚀有较大的差异，具体如表1.2所示。

表1.2　杂散电流腐蚀和自然腐蚀的差异

（4）杂散电流腐蚀的防护与监测

①杂散电流腐蚀防护的原则

城市轨道中杂散电流腐蚀防护应遵循以下基本原则。

a.采取措施，以治本为主，将城市轨道杂散电流减小至最低限度。

b.采取措施，限制杂散电流向轨道外部扩散。

c.轨道附近的地下金属管线结构，应采取有效的防蚀措施。

②杂散电流的防护措施

杂散电流的防护设计应采取“以堵为主，以排为辅，防排结合，加强监测冶的原则。

a.堵。就是隔离和控制所有可能的杂散电流泄漏途径，减少杂散电流进入城市轨道的主体结构、设备及可能与其相关的设施。

b.排。就是通过杂散电流的收集及排流系统，提供杂散电流返回至牵引变电所负母线的通路，防止杂散电流继续向本系统外泄漏，以减少腐蚀。

c.监测。设计完备的杂散电流监测系统，监视、测量杂散电流的大小，为运营维护提供依据。

③杂散电流防护的措施

a.确保牵引回流系统的畅通，使牵引电流通过回流系统流回牵引变电所，从根本上减少杂散电流的产生。

b.为保护整体道床的结构钢筋不受杂散电流腐蚀及减少杂散电流扩散，利用整体道床内结构钢筋的可靠电气连接，建立主要的杂散电流收集网，收集由钢轨泄漏出来的杂散电流，在阴极区经钢轨流回牵引变电所。

c.对于需设置浮动道床的区段，浮动道床内的纵向钢筋也应电气连接，并和整体道床内的杂散电流收集网电气连接使隧道内所有的道床收集网钢筋在电气上连为一体

d.在条件允许的情况下，尽可能增强整体道床结构与隧道、车站间的绝缘。

e.为保护地下隧道、车站结构钢筋不受杂散电流腐蚀及减少杂散电流向外部的扩散，利用隧道、车站结构钢筋的可靠电气连接，建立辅助杂散电流收集网，收集由整体道床泄漏出来的杂散电流，在阴极区经整体道床和钢轨流回牵引变电所。

f.在盾构区间隧道，采用隔离法对盾构管片结构钢筋进行保护。在盾构区间相邻的车站，两车站的结构钢筋用电缆连接起来，使全线的杂散电流辅助收集网在电气上连续。

g.在高架桥区段，桥梁与桥墩之间加橡胶绝缘垫，实现桥梁内部结构钢筋与桥墩结构钢筋绝缘，防止杂散电流对桥墩结构钢筋的腐蚀。为保护高架桥梁的结构钢筋及减少杂散电流的扩散，利用桥梁顶层结构钢筋和轨道梁内结构钢筋的可靠电气连接，建立杂散电流收集网，收集由钢轨泄漏出来的杂散电流，使之在阴极区经钢轨流回牵引变电所。

h.在高架桥车站内，车站结构钢筋和车站内高架桥结构钢筋要求在电气上绝缘，防止杂散电流对车站结构钢筋的腐蚀。

i.牵引变电所设置杂散电流排流装置，以便在轨道绝缘能力降低致使杂散电流增大时，及时安装排流装置使收集网（主收集网、辅助收集网）中杂散电流有畅通的电气回路。

j.直流供电设备、回流轨采用绝缘法安装。

k.各类管线设备应尽量从材质或其他方面采取措施，减少杂散电流对其腐蚀及通过其向轨道外部泄漏。

l.轨道专业应采取以下的一些措施：走行回流钢轨尽量选用重型轨（如60kg/m轨），并焊接成长钢轨。钢轨接头的电阻应小于5m长的回流钢轨的电阻值，以减少回流电阻。若采用短钢轨，则应用钢轨接头夹板（鱼尾板）连接，并在道岔与辙岔的连接部位的两根钢轨之间加焊一根120mm2及以上的绝缘铜电缆连接线，并应做到焊接可靠。

钢轨与轨枕或整体道床间采用绝缘法安装，保证钢轨对轨枕或整体道床的泄漏电阻不小于15赘·km。为了达到此要求，在钢轨与混凝土轨枕之间，在紧固螺栓、道钉与混凝土轨枕之间，以及在扣件与混凝土轨枕之间采取绝缘措施，加强轨道对道床的绝缘，以减少钢轨对地的泄漏电流。其具体做法是：钢轨下加绝缘垫；使用绝缘扣件；钢轨采用绝缘套管固定安装；轨枕下加绝缘垫；道岔处加强绝缘；在有导轨处，导轨与走行轨之间加绝缘；钢轨底部与整体道床之间的间隙不小于30mm；利用整体道床内结构钢筋形成杂散电流收集网。

m.隧道、地下车站采取的措施：隧道、地下车站主体结构的防水层，必须具有良好的防水性能和电气绝缘性能；车站、隧道内应设有畅通的排水措施，不允许有积水现象。

为保护隧道、地下车站结构钢筋不受杂散电流腐蚀及减少杂散电流向外扩散，利用这些结构钢筋的可靠电气连接，建立辅助杂散电流收集网。其所收集的由整体道床泄漏出来的杂散电流，经整体道床、钢轨或单向导通装置流回牵引变电所。

在盾构区间隧道，采用隔离法对盾构管片结构钢筋进行保护。

在过江隧道的轨道两端设立单向导通装置与其他线路单向隔离。

车站动力照明采用TN-S系统接地形式。

车站屏蔽门应绝缘安装并与钢轨有可靠的电气连接。

（5）杂散电流的监测

①杂散电流腐蚀监测原理

a.极化电压的正向偏移平均值

杂散电流难以直接测量，通常利用结构钢极化电压的测量来判断结构钢筋是否受到杂散电流的腐蚀作用。极化电压的正向偏移平均值不应超过0.5V。一般在电化学腐蚀测量中，测量管、地电位差的标准方法如图1.11所示。

图1.11　管、地电位的标准测量方法

此方法在电化学腐蚀测量中称为近参比法。目的是为了使测量结果更为精确。此法的测量要点是把参比电极（通常用长效铜/硫酸铜电极）尽量靠近被测构筑物或金属管路表面，如果被测表面带有良好的覆盖层，参比电极对应处应是覆盖层的露铁点。在地铁系统中，埋地金属结构对地电位的测量方法亦采用如上所述的近参比法，需要使用长效参比电极作为测量传感器，在没有杂散电流扰动的情况下，测量的电位分布呈现一稳定值，此稳定电位我们称之为自然本体电位U0，当存在杂散电流扰动的情况下，测量电位出现偏离，所测电位为U1，其偏移值为驻U。一般情况下，我们将测量电压为正的称为正极性电压，测量电压为负的称为负极性电压。

埋地金属结构受杂散电流干扰的影响，其对地电位，也就是相对于参比电极的电压会偏离自然本体电位U0。在杂散电流流入金属结构的部位，金属结构呈现阴极，此部位的电位会向负向偏离，阴极区域的金属不受杂散电流腐蚀。在杂散电流流出金属结构的部位，金属结构呈现阳极性，此部位的电位会向正向偏离，阳极区域的金属受到杂散电流腐蚀影响。因为腐蚀是一个长期作用的结果，而瞬间杂散电流的变化是杂乱无序的，仅测量瞬间金属结构对参比电极的电压不能直接反映测量点杂散电流的腐蚀情况，所以应该测量计算在一定时间内偏移自然本体电位U0的正向平均值，《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》（CJJ49—1992）规定：测量时间为半小时，其计算公式如下：

式中 ——所有正极性电压瞬时值和绝对值小于U0值的负极性电压各瞬时值之和；

p——所有正极性电压瞬时值读取次数及绝对值小于U0值的负极性电压各瞬时值读取次数之和；

n——总的测量次数；

U0——自然本体电位；

Ua（+）——极化电压的正向偏移平均值。

b.半小时轨道电位最大值测量

由于杂散电流的泄漏受轨道电位的影响很大，所以轨道电位的测量监测也是非常重要的。轨道电位严格意义上来讲应是以无限远的大地为基准，而钢轨电位测量以无限远的大地为基准是很难实现的，在测量中测量钢轨对埋地金属结构的电压来代表轨道电位。由于轨道电位的瞬时值变化很大，实际测量过程中，其监测和计算的参数为测量时间内的最大值Umax，即半小时轨道电位的最大值。

c.自然本体电位U0的测量

自然本体电位U0是一个非常重要的测量参数，而我们探讨的测量方法最终要实现自动在线测量，所以测量装置本身应该能够测量自然本体电位U0。城市轨道交通的特点是一天内有几个小时的完全停止运营，在列车停止运行2h后，可以进行自然本体电位U0的自动测量。

②于杂散电流监测系统

杂散电流监测系统有分散式监测系统和集中式监测系统两种。分散式杂散电流监测系统由参考电极、道床收集网测试端子、高架桥梁收集网测试端子、隧道收集网测试端子、测试盒、测试电缆、杂散电流综合测试端子箱及杂散电流综合测试装置构成。集中式杂散电流监测系统由参考电极、道床收集网测试端子、高架桥梁收集网测试端子、隧道收集网测试端子、传感器、数据转接器、测试电缆及杂散电流综合测试装置构成。

其中道床收集网测试端子、高架桥梁收集网测试端子、隧道收集网测试端子可利用伸缩缝处的连接端子，不单独引出测试端子。

a.分散式杂散电流监测系统（图1.12）

图1.12　分散式杂散电流监测原理框图

在每个车站变电所的控制室或检修室内安装一台杂散电流测试端子箱，将该车站区段内的参考电极端子和测试端子接至接线盒，由统一的测量电缆引入至变电所测试端子箱内的连接端子，将来用移动式微机型综合测试装置分别对每个变电所进行杂散电流测试及数据处理。

b.集中式杂散电流监测系统（图1.13）

图1.13　集中式杂散电流监测原理框图

在每个测试点，将参考电极端子和测试端子接至传感器。将该车站区段内的上下行传感器通过测量电缆，分别连接到车站变电所的控制室或检修室内的数据转接器。车站的数据转接器通过测量电缆接至固定式杂散电流综合测试装置。综合测试装置至传感器的传输距离最远不超过10km，由此来考虑每条线路需设置几个杂散电流综合测试室。

以上两种监测系统均能满足杂散电流监测要求，采用哪种方案根据需要进行选择。

某地铁线的杂散电流监测系统构成原理如图1.14所示，主要监测整体道床排流网的极化电位、本体电位，隧道侧壁结构钢的极化电位、本体电位，监测点的轨道电位等。整个系统为一分布式计算机监测系统。传感器是一个以单片机为核心的数据采集处理系统，可以实时采集处理测量点排流网和结构钢的自然本体电位U0，正向平均值Ua（+），半小时内的轨道电压最大值Umax，并把采集运算得到的参数送入指定的内存存储起来。由于整个地铁线路较长，通信距离比较长，为保证传感器的数据可靠传送到中央控制室的上位机，转接器起到了通信传输的中继作用。监测装置通过转接器向各个传感器要监测数据，同时可以计算各个供电区间的轨地过渡电阻和轨道纵向电阻。上位机与监测装置连接，把所有监测点监测和计算的有关杂散电流的信息参数以数据库的形式存入计算机。上位机软件具有查询、统计和预测功能，在上位机上可以实时查询到地铁沿线杂散电流腐蚀的防护情况。

图1.14　地铁杂散电流监测系统原理框图

（6）杂散电流防护系统的维护

①定期利用杂散电流综合测试装置（杂散电流监测系统）在高峰小时测试整体道床结构钢筋、车站隧道结构钢筋、高架桥梁结构钢筋相对周围混凝土介质平均电位，以此电位作为判断有无杂散电流对结构钢筋腐蚀的依据。如测试到某段结构钢筋电位超过标准0.5V的，则该区段杂散电流超标，应对钢轨回路及钢轨泄漏电阻进行测试检查，然后结合测试结果进行维护。

②每月定期对全线轨道线路清扫，保持线路清洁干燥，尤其是轨道扣件及钢轨绝缘垫要保持清洁干燥，不能有易导电的物质在钢轨扣件和绝缘垫表面，因为这些物质将导致轨道对地的泄漏电阻下降。

③在前面所述监测及测试后，针对测试结果，查出引起杂散电流腐蚀严重的原因，若是钢轨回流系统出现“断点冶（如钢轨间的接续线是否连接良好和脱落等），则应及时将“断点冶处焊接及连接至设计要求标准；若是某处钢轨泄漏电阻太小，则应检查钢轨是否为积水、灰尘污染或钢轨安装绝缘设备破坏所引起，并及时清扫或对绝缘设备维护。

④如果全线钢轨泄漏电阻普遍降低，简单清扫或维护不能解决问题时，则应将牵引变电所的排流柜开通（如果牵引变电所内装有排流柜的话），使杂散电流收集网与整流机组负极柜单向连通，以单向排流来保护结构钢筋免受杂散电流腐蚀。

⑤定期检查各杂散电流收集网之间的连接线是否连接良好，连接螺栓是否生锈等，如果这些连接部件状态不良，则应及时进行修复。

⑥定期检查负回流电缆及均流电缆的连接是否良好，如有问题，要及时修复。

⑦定期检查并测试单向导通装置的工作状态是否良好（检查单向导通装置中的二极管、隔离开关、消弧角等的工作状态），发现问题及时处理。

⑧定期检查杂散电流监测系统的参比电极、智能传感器、转接器及其连接是否良好，发现问题予以处理。

（7）钢轨电位异常的处理

在直流牵引供电系统中，不论是接触轨式系统还是架空接触网式系统均是利用走行钢轨作为牵引回流媒介流回变电所的负极。因此，钢轨也是牵引供电系统中的重要组成部分。同时，我们也知道钢轨除为列车提供走行导向外，还为轨道交通的信号系统提供通路；另外，在装设站台屏蔽门的系统中，为了保证乘客的安全，还将屏蔽门的非导电金属部分与钢轨相连。于是，为了运营安全和防护杂散电流，必须要求城市轨道交通供电部门与车辆维修、工务、信号等部门紧密联系、加强沟通，共同做好对钢轨的维护工作。下面介绍两例可能出现的钢轨电位异常及其处理方法。

①钢轨电位升高造成电压型框架保护动作

在直流牵引供电系统中，为了防止直流牵引供电设备内部绝缘能力降低时造成设备危害而设置了直流系统框架泄漏保护，该保护包含反映直流泄漏电流的过电流保护和反映接触电压的过电压保护。当钢轨电位升高造成电压型框架保护动作时，该牵引变电所供电区域的牵引负荷全部失电。其故障引起的断电范围较大，因此对行车影响亦较大，须引起足够的重视。

一般来说，引起钢轨电位升高的原因较复杂，可能与车辆的牵引特性、钢轨的绝缘程度（含信号装置）、屏蔽门绝缘程度、变电所牵引设备绝缘情况、变电所保护配置等有关。

在对整个系统进行检查时，需详细了解车辆的牵引状况；全面仔细检查钢轨的绝缘程度，是否存在多个钢轨直接接地的情况；检查信号装置的安装情况，特别是道岔处信号装置的接地情况；检查屏蔽门非金属部分的接地情况是否良好等。

在运行的应急处理中，当确认电压型框架保护动作是由于该变电所牵引供电设备内部绝缘能力降低引起的，可将该牵引变电所退出运行，使用越区供电方式来保证牵引供电。而在判断为由于系统钢轨电位异常升高导致电压型框架保护动作时，作为临时应急措施，可强行合上钢轨电位限值装置，以抑制钢轨电位。

②其他接口装置绝缘不佳，导致钢轨电位升高

当由于某种原因，信号装置、屏蔽门的非导电的金属框架的接地情况不佳、接触电阻增加时，可能引起该装置的接地处有放电现象，甚至起火，导致钢轨电位升高。此时应详细检查相关接口装置的接地良好情况及绝缘安装的情况。

1.2.3　工作任务

1.调研一条城市轨道交通线路的供电系统

（1）调查其组成及主要技术参数；

（2）列出其供电方式并画出示意图；

（3）列出其主变电所、牵引变电所、降压变电所的布置并画出示意图；

（4）调查其接触网类型及主要设备；

（5）调查其采取的杂散电流腐蚀的防护与监测措施。

2.调研一个变电所

（1）列出其引入电源的等级、名称；

（2）列出其供电范围并画出示意图；

（3）调研其主要设备组成。

1.2.4　分析与思考

本任务的目的是为了认知城市轨道交通供电系统，目前在实际工作中最常遇见的问题如下：

1.城市轨道交通供电系统中各子系统如何进行相互配合，保证其有效运行？

2.城市轨道交通供电系统中各子系统在哪里分界？