Page 236 - 捷運技術 第35期

228 李建興 盧建榮 直流牽引系統中牽引動力運轉模式對軌道特性的影響

一、前言

在直流供電捷運系統中，列車所需之牽引電流，是由牽引動力變電站之匯流排正端經由
車行鋼軌旁之導電軌供應，並且使用車行鋼軌當作電流回流的導引路徑，因鋼軌本身有自阻
抗，以臺北捷運為例其軌道形態是採軌距 1435 mm、基鈑間距 750mm、UIC 60 之規格
（60kg/m），且規定因磨耗、腐蝕等不可抗力原因使鐵軌重量損失達三分之一時，鋼軌電阻
值不得高於 0.035Ω/km。因此有一部份的牽引電流沿著車行鋼軌回流至牽引動力變電站負端
匯流排前可能洩漏至大地，此部份電流一般稱為雜散電流，雜散電流會沿著土壤或埋設在地
底的金屬導體流動。
臺北捷運系統淡水線的牽引動力電壓為 750 伏特的直流電壓，並且以車行鋼軌為電流回
流的路徑，因鋼軌本身有阻抗因此會產生電壓降，此電壓降使車行鋼軌和大地之間有電壓差
存在。一般在直流供電牽引系統中，牽引動力變電站負端匯流排有三種接地方式分別為：直
接接地、非接地（或稱高阻抗接）及二極體接地，三種方式各有其優缺點。就直接接地系統
而言，因為系統直接接地，可使得變電站處的接地電位接近於零電壓，因此一般被認為是最
符合人員安全之架設方式，但是若車行鋼軌與大地間的絕緣不良時，將使得經由車行鋼軌回
流的牽引電流洩漏至大地，並沿著土壤或埋設在地底的金屬導體流動回流至牽引動力變電站
之負極匯流排，當電流從車行鋼軌流出至大地或埋設在地底的金屬導體，再從這些金屬物體
流回至鋼軌的地方將造成電化學腐蝕而破壞金屬物體結構，進而縮短金屬物體及鋼軌本身的
安全使用年限。

非接地系統的方式是使變電站之負極處於浮接的方式此舉將減低牽引電流從軌道洩漏的
情形，但由於系統採用浮接的方式，將使得牽引動力變電站處的接觸電位出現高於或低於大
地電位數十伏特的情形，此接觸電位將使牽引動力變電站處的人員有發生感電的危險（Lee,
2001）。

二極體接地系統的方式是利用二極體單向導通的特性，同時具有降低牽引動力變電站處
的電位及減少雜散電流的生成量的優點，不過使用二極體接地的方式將使系統初期的建設成
本提高，同時維護的費用也相對的提高（王心民，2000）。
以下將以臺北捷運系統淡水線的軌道線路為基礎，模擬在尖峰期間發車班距為 5~7 分鐘
時，就單軌及雙軌兩個系統分別針對直接接地、非接地及二極體接地的方式比較軌道上之電
壓電流有何差異。並以單軌系統為基礎模擬列車於二站間行駛時加速、定速及減速行駛三個
時段軌道電位變化的情形。

二、系統架構

本文所推導的軌道特性方程式，是將軌道在電氣上的特性視為一傳輸線系統（Yu, 1990,
1992, 1998），皆以圖 1 所示單輛列車行駛於兩變電站間系統架構為基礎而加以延伸的，列車
行駛所需之牽引動力由兩端的牽引動力變電站（TSS）所提供。軌道上任意點之軌道電壓及
電流的特性方程式如下所示。

P1 到 P2 間之軌道特性方程式
i(x) = C 1 e + C 2 e − γx (1)
γx
γx
V(x) = − R 0 (C 1 e − C 2 e − γx ) (2)