摘要：近年来，随着城市化进程加快，城市轨道交通（简称“城轨交通”）以其运量大、安全环保等特点得到快速发展。截至2021年底，中国内地共有50个城市开通城轨交通线路，运营线路总里程达到9192km。运营的城市轨道交通制式通常包括地铁、有轨电车、轻轨、市域快轨等。作为城轨交通的主要动力来源，直流牵引供电系统的安全供电技术至关重要。一方面，列车频繁启停过程将产生大量的制动能量，处理不当将会造成直流接触网压剧烈波动以及交流电网的电能质量问题;另一方面，城轨交通系统普遍采用直流牵引供电方式，其回流路径潜在的钢轨电位和杂散电流将不可避免对轨道交通系统的安全运营及其周边金属管线设施产生严重的危害。直流接触网压波动、钢轨电位和杂散电流问题已成为城市轨道交通安全供电面临的3大挑战。

关键词：城市轨道交通;直流牵引供电;再生制动能量;钢轨电位;杂散电流

引言

如果城市轨道交通成网运营在1个车站内能无缝连接，则乘客只需刷卡次，就能到达市区、郊区的各站点。因此，建立一体化的轨道交通系统不但便于城市向郊区延伸，带动周边区域的快速发展，同时也使轨道交通更加舒适、方便和快捷。

1.列车运行优化方案

在城轨交通系统中通常多辆列车同时运行，以此为基础，列车运行优化方案通过优化列车发车间隔、上下行列车同步时间、站间运行时间和停站时间等参数，以增大相邻列车在制动工况和牵引工况的重叠时间，即可确保更多的列车再生制动能量被邻近的牵引列车吸收利用。随着自动驾驶技术的推广，在线路、车辆参数已知的条件下对列车运行图、运行曲线进行离线优化，使列车按照优化模式运行，可增大列车间能量交互，减少再生制动能量吸收装置的配置功率和容量需求。基于列车运行优化实现列车再生制动能量高效利用的技术，在未来高度智能化的城轨交通中展现出了良好的应用潜力。

2.回流网

城市轨道交通系统的回流网为钢轨回流，由于采用直流系统，易产生直流杂散电流。杂散电流会腐蚀地下金属结构，因此钢轨与地面需设绝缘。由于钢轨具有电阻，当回流电流经过时，走行轨的电位将升高，检修人员易因误触钢轨而发生电击事故。因此，在采用直流城市轨道交通系统时，需设轨地绝缘和轨电位限制措施。

3.钢轨电位研究

钢轨电位与杂散电流可统称为回流安全参数，相关学者针对其异常升高现象进行了诸多研究。建立系统“接触网-钢轨-地网”仿真模型，分析证明列车处于加速和制动状态时将抬升系统回流安全参数幅值。而城轨多列车动态运行时，全线列车运行工况复杂，且再生制动列车向其他列车越区供电现象频繁，将造成系统回流安全参数的进一步升高。此外，基于COMSOL软件对影响杂散电流分布的环境因素进行了研究，结果表明土壤电导率、管道等设备分布位置均会造成影响。建立了系统有限元模型，分析表明除列车牵引电流外，较高的土壤电阻率也会导致线路回流安全参数的升高。相关学者将不同的环境因素和轨地绝缘情况通过轨地过渡电阻进行等效，解析计算及CDEGS仿真结果表明，轨地过渡电阻越大，系统回流安全参数越低。然而相关研究忽略了与走行轨等电位连接的屏蔽门的绝缘状态，无法分析屏蔽门绝缘状态对钢轨电位、杂散电流的影响。因此，为明确屏蔽门绝缘状态对系统回流安全参数的影响，本文建立了包含屏蔽门在内的城轨多列车动态潮流仿真模型，并基于分区的线路参数进行了潮流仿真。仿真分析对比了屏蔽门绝缘理想、单站或多站屏蔽门绝缘薄弱以及不同的屏蔽门绝缘状态下，线路回流安全参数的动态分布，从而明确了屏蔽门绝缘状态对线路回流安全参数的影响规律。

4.减小钢轨纵向电阻措施

影响钢轨纵向电阻的因素主要包括钢轨横截面积、焊点电阻等。为此，采用重型钢轨、并联回流线缆、设置均流线、采用无缝线路等措施均可降低回流路径的钢轨纵向电阻。重型钢轨通过增加横截面积降低了相应的钢轨纵向电阻，以常用的60kg/m和50kg/m钢轨为例，前者相比后者的横截面积增大18.6%，相应纵向电阻值降低了17.2%。而在轨道两侧并联回流线缆也可增大相应区段的等效钢轨截面积，进而降低钢轨纵向电阻。上下行走行轨之间通常每隔400～600m设置均流线，即通过将二者并联来降低钢轨纵向电阻。此外，推广无缝线路措施中将标准长度的钢轨焊接构成长钢轨线路，通过优化焊接技术尽量减小焊接点处的电阻。

5.杂散电流泄漏总量与钢轨电位及钢轨对地的泄漏电阻的关系

1）减小钢轨纵向电阻，保证牵引回流畅通。钢轨纵向尽量焊接为长钢轨，即无缝钢轨。在必须有断开点的钢轨接缝处用多组铜电缆可靠连接，间隔一定距离钢轨进行均流连接。2）加大钢轨对地泄漏过渡电阻。走行钢轨采用绝缘法安装，轨枕处钢轨下加绝缘板，采用绝缘扣件，在轨道与混凝土轨枕之间、紧固螺栓和道钉与混凝土轨枕之间、扣件与混凝土轨枕之间采取绝缘措施，加强钢轨对道床绝缘，以减少钢轨对地的泄漏电流。3）加大钢轨与道床之间的空气间隙。轨底面与道床面之间的间隙值应大于30mm。4）对钢轨进行绝缘分断隔离。在不同线路之间、场段与正线之间、场段的库内与库外之间、电化区段与非电化区段之间对钢轨采取绝缘分段隔离措施，并根据需要，在相应位置设置牵引回流单向导通装置。5）站台门绝缘安装。车站站台门的金属结构，通过电缆与钢轨进行等电位连接;站台门区域采用绝缘法安装，加强站台门与大地之间的绝缘，以减少钢轨对大地的泄漏电流。

6.杂散电流防护具体措施

1）对于杂散电流防护，目前在工程中采用的常规措施和方案，其相互间存在较多矛盾及不完善之处，导致在运营过程中的实际效果及长期有效性均较差。2）正常情况下，杂散电流的产生来自于回流钢轨，而回流钢轨出现杂散电流泄漏的源头在于钢轨绝缘扣件的电气绝缘爬距不足，在运营期内的整体绝缘有效性降低。改进钢轨绝缘扣件的整体绝缘方案，能从源头上防止杂散电流的产生。3）切断杂散电流的非预期传输径路，是降低杂散电流总量的一种有效措施。尤其在场段范围、场段与正线之间的钢轨牵引回流方案，不能成为杂散电流的有效传输路径。本文对常规杂散电流防护方案进行分析及优化，同时在源头防护上提出一种新型的钢轨绝缘安装方案思路，以及在其传输路径上提出新型的有效阻断方案。杂散电流尽管不能完全彻底消除，但对其泄漏的幅值及泄漏总量进行有效控制，将其大幅下降至可以接受的程度，对于城市轨道交通工程建设的可持续发展和长期运营而言，具有较大的经济及社会效益。

7.结束语

目前世界上仅少数城市采用第四轨回流方案，关于该方案下的列车再生制动能量利用、钢轨电位和杂散电流研究较少，这将是未来的一个研究方向。轨道交通供电安全运行管理系统在我国的发展相对较晚，但最近几年通过引进和我们通过自身的不断科研创新已取得良好成效，我们还在不断借鉴国外先进的理念进行有效的补充完善，以此能够不断提高供电系统安全风险管控能力，同时还能够应用和消化到世界前沿的领先技术，以此为我们的轨道交通行业做出更大贡献，更好的保证轨道交通的正常稳定运行，同时为人们的出行提供更高效的服务水平，更好促进我国轨道交通行业高效整点安全运行。

参考文献

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