城市軌道交通四軌供電方式探討目前國內城市軌道交通牽引供電系統普遍采用走行軌回流。但現有的走行軌安裝形式很難做到對大地的完全絕緣，故在牽引供電系統中不可避免地存在著雜散電流。雖然在地鐵設計和建設中考慮了諸多雜散電流的腐蝕防護措施，但均不能徹底解決雜散電流的產生及危害問題。雜散電流的危害及防護措施1.1雜散電流的產生與危害圖1雜散電流示意圖隨著地鐵運營時間的推移，提供供電回流通道的走行軌不可避免地受到粉塵、潮濕、積水，以及走行軌打磨作業產生的金屬粉末等不利因素影響，其對大地絕緣性能大幅降低，經由走行軌泄漏到大地中的雜散電流也隨之增大，雜散電流流向不固定，哪里電位低就流向哪里，哪里電阻率低就流向哪里。這些雜散電流所產生的電化學腐蝕，直接影響地鐵土建結構的安全和使用壽命。此外，泄露的雜散電流將在走行軌和道床或地面之間產生電位差，嚴重的會使站臺上的乘客有觸電的危險。1.2一般防護措施及存在問題為抑制雜散電流腐蝕的影響，傳統的處理方法通常采用堵、排、測3種主要手段。其中“堵”是要增加鋼軌對地絕緣，使鋼軌回流系統形成懸浮系統。“排”是通過設置排流網與排流柜來減少雜散電流對金屬結構的腐蝕，但不能從根本上解決雜散電流的腐蝕影響，隨著運營年代的增加，雜散電流將越來越大。“測”則是通過對收集網電流的測量來決定排流柜的投入。由于傳統的直流供電模式決定了雜散電流產生的必然性，雖然采取了各種措施，但隨著運行年代的增加，各種絕緣材料的絕緣性能逐漸下降，鋼軌泄漏電阻越來越小，雜散電流會越來越大。一般存在以下問題：（1）鋼軌電位高。由于雜散電流增大，導致鋼軌與大地之間壓降越來越大，目前國內已經運行的地鐵均發現鋼軌的實際電位比設計值高很多，導致鋼軌電位限制裝置頻繁動作。圖2雜散電流電腐蝕示意圖圖3鋼軌電位分布示意圖（2）排流柜增加了雜散電流總量。排流裝置，一端通過電纜與牽引變電所負極柜相連，另一端與排流網的收集端子相連。排流柜主回路的核心元件為硅二極管，當檢測到區間雜散電流大于設定值時，利用二極管正向導通反向截止的特性，實現了雜散電流的極性排流。然而，當牽引變電所負極母排通過排流柜與道床結構鋼筋（即排流網）電氣連通后，原負極母排的負電位因鉗制作用而接近零電位，使得兩個牽引變電所之間的電位增加，幾乎全稱為陽極區。這樣兩個牽引所之間鋼軌腐蝕將更加嚴重。（3）綜合管線絕緣安裝的工程難度。為避免雜散電流腐蝕，地鐵沿線各種類型的綜合管線宜盡量采用絕緣安裝，但絕緣安裝不但增加了工程投資，而且如電纜支架的接地扁鋼全線貫通，因功能上的需求，很難做到全部絕緣安裝，特別是這幾年地鐵工程的建設與城市建設的結合越來越緊密，有些車站的建筑需進行綜合商業開發，建筑體量很大，其中鋼筋密布，難以做到車站結構鋼筋與其他結構鋼筋絕緣，因此如今大型地鐵車站其結構的雜散電流防護措施成為目前難以解決的問題。第四軌牽引供電技術方案綜上，電客車供電回流系統中雜散電流是在從輪對到走行軌軌到回流電纜這個環節中產生的，雜散電流防護系統也是根據種情況來設置的，無論此防護系統做得多么完美，隨著時間的推移和相關設備老化、絕緣下降，多多少少都會產生雜散電流。我們大膽設想一下，如果我們將這個環節取消，從電客車牽引電機負極直接引到牽混所的負極母排，理論上就可以基本上避免雜散電流的產生。而采用絕緣安裝的專用回流軌（即第四軌）進行牽引回流，相當于將牽引變電所里負極柜的負極母排直接搬到了軌行區里。要在傳統輪軌軌道交通基礎上發展第四軌牽引供電系統，可以借鑒國內第三軌牽引供電系統建設經驗。由于牽引軌（第三軌）和回流軌（第四軌）同樣肩負著與列車電流的傳遞，可采用相同類型的鋼鋁復合軌參照使用。第四軌牽引供電系統的安裝有如下兩種基本方案:1、在架空接觸網牽引供電系統中，加入絕緣安裝的第四軌構成網軌混合牽引供電系統。采用此方案后，架空接觸網供電模式基本不變。第四軌按照懸掛安裝位置可分為第四軌安裝于線路的中心或者安裝于線路的側面。以寧波地鐵4號線為例，寧波4號線采用的第四軌牽引供電方案，為“架空接觸網+專用回流軌”網軌混合牽引供電系統技術方案，如圖所示。圖4架空接觸網+回流軌此種方案的優勢在于：（1）徹底解決了雜散電流腐蝕問題。由于實現了接觸網及專用回流軌對其他金屬設備設施完全絕緣，取消了對相關設備設施的雜散電流腐蝕防護要求，只要求專用回流軌采用絕緣安裝，結構工程的實施變得更加簡單；（2）能保證工程實施的相關技術成熟。國內DC1500V架空接觸網和DC1500V接觸軌的建設和運營已有相當成功的經驗可以借鑒；（3）由于正常情況下走行軌沒有牽引電流通過，軌電位的問題也徹底得到了解決。牽引變電所的布置方案只需滿足牽引網電壓的要求，牽引變電所數量會相對減少。不足之處在于搭建第四軌時會出現安裝限界不足的問題，并且投入運營后供電專業在原來傳統維護基礎上增加維護任務和成本。2、在第三軌牽引供電系統中，加入同樣絕緣安裝的第四軌構成四軌牽引供電系統，分為正極軌與負極軌。以上海地鐵浦江線為例，浦江線采用的是正、負極供電軌以及接地軌安裝于軌道中央，正負極供電軌位于車輛底部左右側的集電靴受流，接地軌通過車輛接地靴接觸為車體提供可靠接地。如圖所示。圖5正負極軌安裝形式此種方案優勢在于：（1）與第一種方案一樣，使用絕緣安裝的第四軌回流，徹底解決雜散電流腐蝕問題，此外不同于常規第三軌供電系統中正極電壓為DC+750V，四軌系統中可以設置正極軌工作在DC+375V，負極軌工作在DC－375V。由于負極軌工作在DC－375V，接地系統的電壓為0，此時接地的導向軌是相對于負極的較高電位，從而也降低了系統產生雜散電流的可能；（2）四軌供電系統通過專用的接地軌設計，從根源上解決了傳統地鐵中存在的跨步電壓危險，站臺門框架無需絕緣安裝，變電所內直流設備無需框架保護裝置，車站也無需設置軌電位限制系統，降低了系統建設成本；（3）因為四軌系統中負極軌對地絕緣，因此在電壓設置上可采用±375V模式，牽引整流器輸出的正、負極兩相分別通過一個750Ω的接地電阻進行接地。該接地電阻將牽引整流器的DC750V輸出電位鉗制在±375V。當DC±375V供電系統發生單極供電軌故障接地后，其電壓將被限制為0，其與另一極之間的壓差仍然保持為750V，不會影響電客車正常運行，具備在單極接地故障情況下不影響列車運行的能力，極大地保障了列車運行。不足之處在于四軌供電系統送電后軌行區有極大觸電風險，需嚴格加強安全管理。圖4整流器輸出電阻連接示意圖結語第四軌技術與架空接觸網或第三軌牽引供電制式有效結合，可有效減少雜散電流，發展前景廣闊。對于地鐵新線而言，可采取第三軌第四軌并行供電方式，可減少軌道交通相關防排雜散電流的設備系統，減少了軌道交通線路建設及運營維護成本，消除了許多設備設施的安全隱患