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直流牽引供電系統(tǒng)采用的軌道回流方式不可避免地造成軌道電位以及雜散電流問(wèn)題。由于軌道自身存在電阻率，軌道回流電流會(huì)在軌道上產(chǎn)生幾十伏甚至上百伏的軌道電位；且軌道對(duì)地之間并非完全絕緣，地鐵列車牽引電流一部分會(huì)通過(guò)軌道對(duì)地過(guò)渡電阻流入地下，并沿著埋地金屬返回到軌道，最終流入牽引變電所負(fù)極，這部分電流被稱為雜散電流。

雜散電流會(huì)引起地下金屬管線、隧道結(jié)構(gòu)鋼筋發(fā)生電化學(xué)腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致自來(lái)水、天然氣、石油的泄露并對(duì)結(jié)構(gòu)鋼筋造成破壞，產(chǎn)生嚴(yán)重安全隱患。

直流牽引供電系統(tǒng)牽引所負(fù)極接地方式通常為懸浮接地或直接接地兩種，廣泛采用的懸浮接地直流牽引供電系統(tǒng)雖然能降低雜散電流，但在牽引所位置產(chǎn)生與列車位置電壓大小相同的軌道電位，一旦超過(guò)安全閾值對(duì)牽引所設(shè)備接地與人員安全造成威脅，過(guò)電壓保護(hù)裝置啟動(dòng)牽引所負(fù)極直接接地；直接接地雖然能將牽引所電位減小為零，但會(huì)造成更多的雜散電流和列車位置更高的軌道電位，因此實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行存在不同接地方式的頻繁切換。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于軌道電位與雜散電流的主要研究包括：

• ①考慮對(duì)地的多層結(jié)構(gòu)軌道電位與雜散電流模型和理論分布，難以測(cè)量各層金屬間過(guò)渡參數(shù)，且沒(méi)有考慮牽引所不同接地方式切換，參數(shù)來(lái)源不準(zhǔn)確；
• ②用于模擬軌道電位與雜散電流定值電阻系統(tǒng)無(wú)法反映在列車運(yùn)動(dòng)情況下的軌道電位和雜散電流分布；
• ③用于解決城市軌道交通中的迷流和軌道電位等問(wèn)題，提出了基于RSCC的直流自耦變壓器牽引供電系統(tǒng)；
• ④直接接地單列車工況的軌道電位與雜散電流模擬的動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)，由于列車不同運(yùn)行工況電流方向不同，難以實(shí)現(xiàn)雙向電流的模擬，實(shí)際中牽引變電所一般在直接接地和懸浮接地中切換，簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)難以模擬直流牽引供電系統(tǒng)采用的多接地方式切換。

北京交通大學(xué)的科研人員研究了雙邊供電系統(tǒng)在懸浮接地與直接接地兩種方式下，軌道電位與雜散電流的分布規(guī)律與列車位置的關(guān)系。并在理論研究的基礎(chǔ)上，提出了一種多接地方式切換的軌道電位與雜散電流的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖1 多接地系統(tǒng)可變電阻控制框圖

他們首先對(duì)比研究了牽引所懸浮接地和直接接地兩種方式、沿軌道分布的軌道電位與雜散電流三維數(shù)學(xué)模型，然后提出了雙向電流軌道電阻和雙向電流軌道對(duì)地過(guò)渡電阻模型以及基于上述模型的硬件模擬系統(tǒng)方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同接地方式下的軌道電位和雜散電流動(dòng)態(tài)分布規(guī)律模擬。

圖2 雙向電流可變軌道電阻模塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 系統(tǒng)不同接地方式下列車位置軌道電位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最后科研人員通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了軌道電位與雜散電流動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的正確性與可行性，并得到以下結(jié)論：

1）根據(jù)多接地系統(tǒng)的軌道電位與雜散電流的三維模型，對(duì)列車位置做截面，得到列車運(yùn)動(dòng)任意位置處，兩牽引所之間的軌道電位與雜散電流分布；對(duì)兩牽引所之間任意一點(diǎn)做截面，能得到這一點(diǎn)隨著列車位置變化的軌道電位與雜散電流分布。因此上述三維模型能夠用于軌道電位和雜散電流的預(yù)測(cè)與分析。

2）兩種雙向電流可變電阻模塊BCRLRM和BCRGRM根據(jù)列車位置控制占空比分別模擬列車運(yùn)動(dòng)過(guò)程左右兩側(cè)軌道電阻以及軌道對(duì)地電阻的變化，并能適應(yīng)列車不同工況下的軌道電位與雜散電流模擬。

3）多接地軌道電位與雜散電流動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)MGDE根據(jù)列車運(yùn)行過(guò)程中軌道以及軌道對(duì)地過(guò)渡電阻分布式參數(shù)模型，提出了兩種雙向電流可變電阻模塊模擬變化的電阻，并結(jié)合系統(tǒng)不同接地方式特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了列車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)列車和牽引所處的軌道電位與雜散電流的動(dòng)態(tài)模擬。采用集中式的可變電阻代替了分布式的軌道和過(guò)渡電阻，使系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確性高、可操作性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

以上研究成果發(fā)表在2020年第17期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“軌道電位與雜散電流動(dòng)模實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，作者為王慧康、楊曉峰、倪夢(mèng)涵、鄭瓊林。