摘要：城市轨道交通具有运量小、启停频繁的特点，目前普遍采用直流750V或1500V供电。但直流制中存在严重的杂散电流问题，会对沿线敷设的埋地金属管道产生电化学腐蚀，同时钢轨电位也会很高。目前采用了多种基于控制轨中电流、阻碍电流泄漏及监控保护原理的措施进行治理，但仍无法从根源上消除杂散电流。三相交流电广泛应用于生产生活中，构造简单、性能优良且三相瞬时功率恒定。基于此，对城市轨道交通交流供电系统钢轨电位进行研究，以供参考。

关键词：三相牵引供电系统；钢轨电位；牵引回流；城市轨道交通

引言

在供电容量相同的情况下，三相设备比单相同类设备制造和建造更节省材料，而且构造简单、性能优良，并且三相电功率的瞬时值保持恒定不变，因而最早的理想的电车是尝试三相供电，但是由于该供电方式下接触网结构过于复杂且过道岔困难，该方式逐渐被低压直流和单相交流供电方式所取代，单相交流相比与直流制，具有再生制动能量可高效利用、牵引变电所间距延长、接触导线截面减少等优点，但单相交流为使单相负荷在三相电网中尽可能平均分配引入了电分相，限制了电气化铁路向更高速、重载方向发展。

1供电电压等级

三相交流牵引供电系统是双级供电系统，系统中存在两种电压等级，三相电缆为中压等级，优先选择27.5kV/35kV/55kV，三相牵引网为低压等级，优先选择3.5kV/5.5kV/11kV。电缆电压等级越高，在机车功率一定的情况下，通过电缆的电流就会减少，可选择的导线截面积就越小，同时电压损失和功率损耗也越少，不同电压等级的电缆的造价几乎相同。考虑到目前35kV中压供电网在城市轨道交通中较为普遍，同时，35kV在电网配电中广泛应用，技术较为成熟。因此，本文中电缆的电压等级选择35kV。牵引网电压等级越高，供电能力就会越强。但由于供电轨安装在机车下方，一旦电压等级增加，安全绝缘距离将增大，受到机车下方空间的限制，无法通过提升高度的方式来保证供电轨安全绝缘。同时，电压等级增加，车载变流器的制造工艺和绝缘要求将大大提高。综合考虑以上的各种因素，牵引网电压等级选择5.5kV较为合适。

2双向变流装置技术特征

（1）网面平整。列车网络电压在电压调节时稳定，无论是流量还是反转工作状态。输出电压应符合节能输出或制动能量反馈信号时的设定值，供电电压是列车和供电系统的高功率电源，仍存在安全隐患。减少多学科电流流动，从而减少不同电流对轨道的影响。（2）电路损耗减少。由于电网电压可控稳定，供电和回输能量基本上由当地牵引供电，导致直流交通系统能耗及相关能耗降低。同时，将相应地调整工作电压，并减少拉伸载荷引起的电力损耗。（3）电源供应器相容性得到改善。采用全电网技术的直流制动，可使一侧交流电压波动之间的交流电压保持恒定在≤范围内，而不会影响直流电网的电压，减少局部电气波动对电网的影响。（4）增强安全性。传统电源在大型双面电源中电压大幅下降，与此不同，大型双面电源可以稳定电源电压，从而增加网络末端的电压，从而确保直流电源系统的运行。（5）检查核心设备。作为核心驱动器，与直流母线相比，可以控制双向直流母线的输出电压、性能大小和流向，从而提高系统的信息技术和智能，从而提高供电系统的安全性和效率。

3影响钢轨电位的因素

（1）钢轨泄漏电导的影响，钢轨和大地之间为非线性网络，轨地之间的泄漏电导是影响钢轨电位的重要因素之一，它会对钢轨的传播系数以及特征阻抗的大小产生很大影响，同时也会间接影响回流。钢轨泄漏电导的大小主要和轨道结构有关，轨道可以分为两种类型，即有酢轨道和无酢轨道。有碓轨道的轨枕下铺设有作石道床，而无酢轨道中则采用混凝土或沥青等材料取代了碎石。（2）接地方式的影响，不同的接地方式会导致泄漏电流大小的变化，当钢轨与接地装置进行并联后，整个回流回路的等效阻抗将减小。考虑在轨道沿线铺设贯通地线，并且每隔一段距离与钢轨进行横连，使原本通过钢轨进行回流的牵引电流一部分经过贯通地线回流。

4城市轨道交通交流供电系统钢轨电位研究

4.1轨道交通光储直柔技术应用

柔性电力技术是通过将最终结果从刚性转变为软负荷，主动改变城市电网供电的能力。一方面，电气设备动态调整输出功率以适应直流母线电压的波动，即当消费者感觉到外部电源达到峰值时，电源会自动减少。另一方面，您可以通过动态调整灯光电压、能量和负荷，友好地与网格交谈。灵活节能技术的发展对于解决当前和未来在可再生能源形式中所占比例较高的电力峰值问题至关重要。柔性用电技术是光储直柔技术的最终目的，使用电需求由刚性负荷向柔性负荷过渡，而光伏发电技术、储能技术、直流配电技术是实现柔性用电技术的必要条件。目前，光储直柔技术主要应用于建筑领域，在建筑屋顶、外墙发展分布式能源和储能系统。《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》明确指出，提高建筑终端电气化水平，建设集光伏发电、储能、直流配电、柔性用电为一体的光储直柔建筑。将光储直柔技术引入建筑，不仅可以提高建筑自身节能水平、改善建筑用电体验，而且对于缓解城市电网增容压力、提高供电可靠性具有重要意义。

4.2双向变流装置仿真计算

仿真平台中可针对直流供电系统网络拓扑进行解析，自动构建直流潮流求解的矩阵模型。直流供电系统的网络方程是线性方程组，网络方程的建立和求解均可通过矩阵运算完成。城市轨道交通供电系统的主变电所、中压环网、车站级牵引变电所及降压变电所等可通过建模进行交流供电系统网络计算。其中，交流电源系统的网络计算被视为一般电流计算，介绍了每个节点的功率平衡方程系统和其他方程系统。非线性方程解可以用高斯塞尔法或牛顿劳森法进行。采用电压发生器的关键监控控制（VSC）模型和三大技术特点，如电子、调压器和PWM，可以实现既有独立控制，又不能正常工作，而不会导致更换失败。

4.3电缆牵引供电系统设计

由于电缆的供电能力是架空输电线路的7倍，其供电距离可达上百米，本线路设置一个主变电所位于线路中心处与12站同建，保证良好的电能质量和缩短主变电所到沿线牵引变电所的距离。系统短路容量设置1000MVA时，功率计算按全部机车半功率计算，该主变电所的单相组合式牵引变压器和同相补偿装置的安装容量分别为2×（50+25）MVA和2×50MVA。

结束语

碳中和的目的是促进整个能源结构的低碳化，在未来的发展趋势下，轨道交通将不再是单纯的用电负荷，而是具有发电、储能、调节、用电等多种功能。光储直柔技术是推进轨道交通实现上述各项功能的一条重要技术路径，但目前我国在轨道交通领域应用光储直柔技术尚处于起步阶段，在基础性研究、技术研究、标准化体系建设和实际工程示范应用中还有许多问题需要解决。

参考文献

[1]胡维锋，夏波.城市轨道交通直流牵引供电系统再生制动能量利用对钢轨电位的影响[J].城市轨道交通研究，2021，24（10）：176-181.

[2]杨亮辉.城市轨道交通交流供电系统供电技术研究[D].西南交通大学，2020.

[3]岳新华.城市轨道交通交流供电系统钢轨电位动态分布[J].电气化铁道，2019，30（02）：85-88.

[4]岳新华.城市轨道交通交流供电系统钢轨电位研究[D].西南交通大学，2018.

[5]陈民武，赵鑫，丁大鹏，于峰学，冯祥.城市轨道交通供电系统钢轨电位限制装置操作过电压研究[J].中国铁道科学，2017，38（06）：94-99.