- 頭條特邀微文：城市軌道交通雜散電流治理的綜述與評估2022-03-15 作者：Sahil Bhagat, 楊曉峰 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語城市軌道交通系統中，普遍存在的雜散電流會造成軌道沿線附近金屬結構的腐蝕危害。本文分別對城市軌道交通新建線路和既有線路的雜散電流治理/防護措施進行綜述。對新建線路，可采用包括優化牽引變電所位置、減小軌道縱向電阻、在道床中安裝雜散電流收集系統等措施。對既有線路，除了在走行軌上并聯線纜或走行軌間焊接均流線等以增大回流路徑截面積措施外，基于電力電子的靜止變換器（如負阻變換器等）控制回流路徑雜散電流的方法也是極具潛力的治理措施；上述單元可部署在特定地點，以實現對軌道電位過高或腐蝕位置處的定點治理。
作者介紹
Sahil Bhagat
1991年生，高級EMC工程師，日立軌道信號與運輸方案股份有限公司。主要研究方向包括接地系統設計、雜散電流、電磁兼容和系統保護等。
楊曉峰
1980年生，博士，北京交通大學副教授，博士生導師，IEEE高級會員。主要研究方向包括軌道交通安全供電、大功率電能變換和寬禁帶半導體器件應用等。
王淼
1994年生，博士研究生，IEEE會員。主要研究方向包括多電平變換器、 諧振軟開關技術和城軌牽引供電技術。
Andrea Mariscotti
1968年生，博士，熱那亞大學副教授，IEEE高級會員。主要研究方向包括電氣安全、雜散電流、電磁兼容和測量科學儀器設計等。
研究背景
城市軌道交通普遍采用直流牽引供電系統，列車電流通過走行軌回流至牽引變電所。但由于鋼軌和大地之間并非完全絕緣，如圖1所示的部分電流從鋼軌泄露至大地，形成雜散電流(亦稱為迷流)。雜散電流會對軌道、金屬管道和結構鋼筋等造成嚴重的電化學腐蝕，甚至金屬管道腐蝕穿孔，并引發天然氣、石油等泄露威脅附近群眾的人身安全。此外，雜散電流還可能觸發牽引變電所中的直流框架保護裝置動作，造成大范圍停電事故，嚴重影響城軌交通的安全運營。
圖1 直流牽引供電系統中雜散電流產生原理
論文所解決的問題及意義
針對城市軌道交通的雜散電流危害，本文研究了雜散電流的產生和電化學腐蝕機理，在分析雜散電流的影響因素基礎，討論了雜散電流治理的設計準則。本文將現有雜散電流治理措施分為減小軌道回流電阻、增大軌地過渡電阻、雜散電流收集系統和專用回流軌或線纜等四類，從治理效果、成本、壽命、適用性和成熟度等方面對這些措施進行詳細對比研究。最后，對城市軌道交通雜散電流治理提出相關建議，為相關領域設計人員提供了參考。
論文方法及創新點
在直流牽引供電系統中，列車通過軌道回流至牽引變電所負極，如圖1所示，由于鋼軌和大地之間并非完全絕緣，此時靠近列車處雜散電流從鋼軌泄露至大地，然后在牽引變電所處從大地返回牽引所負極。顯然，雜散電流分別在牽引變電所側和列車側構成原電池，進而對陽極區的金屬管道和軌道產生嚴重的電化學腐蝕，此時典型的化學反應方程式如下所示：
為便于分析系統中雜散電流的影響因素，建立如圖2所示的雜散電流等效模型，此時可得到系統中雜散電流Is與其它變量之間的關系式，此時Us、IL、In、Rn、Rin1、Rin2分別為牽引變電所電壓、列車電流、軌道電流、軌道電阻、牽引變電所和列車處軌地過渡電阻。
圖2 雜散電流等效模型
現有雜散電流治理措施可主要劃分為減小軌道回流電阻、增大軌地過渡電阻、雜散電流收集系統和專用回流軌或線纜等四類。顯然，減小軌道回流電阻方案的本質即為降低等效模型中軌道電阻Rn，而增大軌地過渡電阻方案的本質即為提高等效模型中牽引變電所和列車處軌地過渡電阻Rin1和Rin2，進而上述兩種方案均可降低系統中雜散電流Is。
此外，城市軌道交通還可設置雜散電流收集系統，對泄露到道床的部分雜散電流進行收集，并可通過排流裝置將收集的雜散電流送回牽引變電所，進而防止這部分雜散電流往深層大地泄露。
上述雜散電流治理措施均已在實際城市軌道交通線路中采用，專用回流軌或線纜方案憑借雜散電流源頭治理的優勢逐漸受到關注。專用回流軌或線纜方案，將列車牽引電流從軌道轉移至專用回流軌或線纜上，此時典型實施方案包括以第四軌系統為代表的無源方案、以負阻變換器(NRC)牽引供電系統為代表的有源方案。
前者通過改造列車使列車電流注入專用的第四軌，但需要拓寬隧道、改造列車，故在既有線路上實施較為困難，更適用于新建線路；后者利用電力電子裝置將軌道電流轉移到回流線纜上，無需改造隧道、列車，故對于新建線路和既有線路均具有良好的應用前景，但該方案仍需開展深入研究和工程示范。
圖2 雜散電流等效模型
圖3 典型的專用回流軌或線纜方案
圖1是雜散電流治理措施的性能對比，其中星數越高，對應的治理效果越好、成本越高、老化越嚴重、適用性越廣、成熟度越高。
表1 雜散電流治理措施性能對比
結論
針對城市軌道交通的雜散電流腐蝕挑戰，在揭示雜散電流產生機理和腐蝕模型的基礎上，討論了雜散電流治理的設計準則，詳細對比了各類典型雜散電流治理措施。
研究結果表明：
(1) 針對新建線路，傳統雜散電流治理措施需要在線路施工階段嚴格按照標準執行；
(2) 在專用回流軌或線纜方案中，列車牽引電流從軌道轉移到外加回流軌或線纜上，從而在源頭上解決雜散電流問題；
(3) 基于負阻變換器的牽引供電系統憑借高性能和低成本等優勢，在現有系統雜散電流治理中展現出良好的應用前景。
引用本文
Sahil Bhagat, 楊曉峰, 王淼, Andrea Mariscotti. 城市軌道交通雜散電流治理的綜述與評估[J]. 電工技術學報, 2021, 36(23): 4851-4863. Sahil Bhagat, Xiaofeng Yang, Miao Wang, Andrea Mariscotti. Review and Evaluation of Stray Current Mitigation for Urban Rail Transit. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(23): 4851-4863.
