楊曉峰，鄭瓊林

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

近年來，隨著城市化進(jìn)程加快，城市軌道交通(簡稱“城軌交通”)以其運(yùn)量大、安全環(huán)保等特點(diǎn)得到快速發(fā)展。截至2021年底，中國內(nèi)地共有50個(gè)城市開通城軌交通線路，運(yùn)營線路總里程達(dá)到9 192 km[1]。運(yùn)營的城市軌道交通制式通常包括地鐵、有軌電車、輕軌、市域快軌等[2]。作為城軌交通的主要?jiǎng)恿碓矗绷鳡恳╇娤到y(tǒng)的安全供電技術(shù)至關(guān)重要。一方面，列車頻繁啟停過程將產(chǎn)生大量的制動(dòng)能量，處理不當(dāng)將會(huì)造成直流接觸網(wǎng)壓劇烈波動(dòng)以及交流電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題[3]；另一方面，城軌交通系統(tǒng)普遍采用直流牽引供電方式，其回流路徑潛在的鋼軌電位和雜散電流將不可避免對軌道交通系統(tǒng)的安全運(yùn)營及其周邊金屬管線設(shè)施產(chǎn)生嚴(yán)重的危害[4-5]。直流接觸網(wǎng)壓波動(dòng)、鋼軌電位和雜散電流問題已成為城市軌道交通安全供電面臨的3大挑戰(zhàn)。

鑒于此，筆者圍繞城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)面臨的上述安全供電挑戰(zhàn)開展綜述，在分析其產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)梳理了再生制動(dòng)能量利用、鋼軌電位和雜散電流問題及相關(guān)治理技術(shù)的最新研究成果，并對其中一些尚待解決的問題進(jìn)行展望，為業(yè)內(nèi)同仁開展相關(guān)研究工作提供借鑒和參考。

1 直流接觸網(wǎng)壓波動(dòng)

1.1 直流接觸網(wǎng)壓波動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理

圖1為典型直流牽引供電系統(tǒng)示意圖，包括牽引所(traction power station，TPS)、接觸網(wǎng)(或第三軌)、走行軌(或鋼軌)、列車等。當(dāng)列車牽引出站時(shí)，沿線的牽引所將中壓交流電網(wǎng)降壓整流后為直流接觸網(wǎng)供能。列車制動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生大量的再生制動(dòng)能量并注入直流接觸網(wǎng)。一方面，城軌交通具有列車運(yùn)行密度大、站間距小、啟停頻繁的特點(diǎn)[6]，列車的再生制動(dòng)能量相當(dāng)可觀；另一方面，牽引所普遍采用的二極管單向整流方式，其能量僅可由中壓交流電網(wǎng)側(cè)流向直流接觸網(wǎng)側(cè)，除一部分再生制動(dòng)能量被相鄰列車吸收利用外，其余能量無法反饋到中壓交流電網(wǎng)，導(dǎo)致接觸網(wǎng)電壓急劇上升。然而，城軌交通接觸網(wǎng)允許的電壓波動(dòng)范圍有限，1 500 V和750 V直流牽引供電系統(tǒng)中接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)安全范圍分別為 1 000～1 800 V和500～900 V[7]。近年來，寧波市軌道交通2號(hào)線、北京地鐵等先后出現(xiàn)了接觸網(wǎng)壓過高導(dǎo)致的列車停運(yùn)事故[8-9]。

圖1 直流牽引供電系統(tǒng)示意Figure 1 Illustration of DC traction power supply system

為避免接觸網(wǎng)過壓，制動(dòng)列車通常采用車載式或地面式制動(dòng)電阻以熱能的形式消耗[10]。其中車載式電阻制動(dòng)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外城軌交通線路，僅少數(shù)新建線路采用地面式制動(dòng)電阻，如鄭州地鐵1號(hào)線、廣州地鐵4號(hào)線等[11]。需要注意的是，制動(dòng)電阻的能耗方式直接將再生制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為熱能，造成巨大電能浪費(fèi)和隧道溫度升高。據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，我國 2020年度的直流牽引能耗約占城軌交通總能耗的49%，可見，充分利用列車再生制動(dòng)能量，不僅是改善直流接觸網(wǎng)壓波動(dòng)的重要途徑，同時(shí)對促進(jìn)城市軌道交通行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義[3]。

1.2 再生制動(dòng)能量利用技術(shù)

近年來，列車再生制動(dòng)能量利用技術(shù)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并在城軌交通線路中逐步推廣應(yīng)用，典型列車再生制動(dòng)能量利用措施包括列車運(yùn)行優(yōu)化、能量回饋式和儲(chǔ)能式方案[12-14]。接下來將分別對上述方案進(jìn)行總結(jié)。

1.2.1 列車運(yùn)行優(yōu)化方案

在城軌交通系統(tǒng)中通常多輛列車同時(shí)運(yùn)行，以此為基礎(chǔ)，列車運(yùn)行優(yōu)化方案通過優(yōu)化列車發(fā)車間隔、上下行列車同步時(shí)間、站間運(yùn)行時(shí)間和停站時(shí)間等參數(shù)，以增大相鄰列車在制動(dòng)工況和牽引工況的重疊時(shí)間，即可確保更多的列車再生制動(dòng)能量被鄰近的牽引列車吸收利用，其原理如圖2所示。

圖2 列車運(yùn)行優(yōu)化方案示意Figure 2 Illustration of train operation optimization scheme

目前列車運(yùn)行優(yōu)化方案已在西班牙布魯塞爾等城軌交通中進(jìn)行了推廣，取得了不錯(cuò)的成效。列車運(yùn)行優(yōu)化方案無需增加硬件設(shè)備和投資成本，但實(shí)際效果受實(shí)際列車運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)率、車間追蹤間隔等影響顯著，當(dāng)實(shí)際列車運(yùn)行與預(yù)期規(guī)劃存在短時(shí)偏差，就極可能導(dǎo)致再生制動(dòng)能量利用率大幅降低[14]。

隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的推廣，在線路、車輛參數(shù)已知的條件下對列車運(yùn)行圖、運(yùn)行曲線進(jìn)行離線優(yōu)化，使列車按照優(yōu)化模式運(yùn)行，可增大列車間能量交互，減少再生制動(dòng)能量吸收裝置的配置功率和容量需求?；诹熊囘\(yùn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)列車再生制動(dòng)能量高效利用的技術(shù)，在未來高度智能化的城軌交通中展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用潛力。

1.2.2 能量回饋式方案

能量回饋式方案通過在牽引所配置逆變能饋裝置直接將列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的多余能量回饋到交流電網(wǎng)，能維持直流牽引網(wǎng)壓的穩(wěn)定，保證車輛運(yùn)行的安全可靠性。典型能量回饋式方案如圖3所示，能饋裝置可與牽引所的二極管整流器并聯(lián)，也可直接替代二極管整流機(jī)組構(gòu)成雙向變電站。當(dāng)接觸網(wǎng)壓超過閾值時(shí)，能饋裝置將列車制動(dòng)能量逆變成工頻交流電回饋至交流電網(wǎng)。由于交流電網(wǎng)承載能力較大，能饋方式可實(shí)現(xiàn)良好的直流接觸網(wǎng)壓波動(dòng)抑制和節(jié)能效果。目前已在北京地鐵10號(hào)線和14號(hào)線、長沙地鐵2號(hào)線等城軌線路中得到應(yīng)用[15]。

圖3 能量回饋式方案示意Figure 3 Illustration of energy feedback scheme

然而，大規(guī)模列車再生制動(dòng)能量回饋會(huì)對交流電網(wǎng)造成一定沖擊，回饋裝置向交流電網(wǎng)注入大量諧波對交流電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響不可忽視。當(dāng)然，能饋裝置除了抑制接觸網(wǎng)壓波動(dòng)，也可同時(shí)工作在逆變能饋、牽引供電、無功補(bǔ)償?shù)榷喾N模式，進(jìn)而緩解牽引所的供電壓力，并改善供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。但隨著工作模式增多，能饋裝置的硬件和控制成本提高，并使得系統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜[16]。

1.2.3 儲(chǔ)能式方案

儲(chǔ)能式方案是指在列車制動(dòng)時(shí)，將再生制動(dòng)能量暫時(shí)存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中，并在后續(xù)列車牽引工況時(shí)釋放回接觸網(wǎng)。典型儲(chǔ)能式方案如圖4所示，儲(chǔ)能裝置一般由儲(chǔ)能元件和變流器構(gòu)成。儲(chǔ)能元件是決定上述儲(chǔ)能裝置在城軌交通應(yīng)用效果的關(guān)鍵，通常需要綜合考慮能量密度、功率密度、充放電率、持續(xù)時(shí)間、成本等因素，目前應(yīng)用于城軌交通的儲(chǔ)能元件主要包括超級(jí)電容、電池、飛輪等。若儲(chǔ)能元件為超級(jí)電容或電池，則變流器為雙向直流變流器；若采用飛輪儲(chǔ)能元件，則變流器為逆變器[3]。

圖4 儲(chǔ)能式方案Figure 4 Illustration of energy storage scheme

儲(chǔ)能裝置可有效回收利用列車再生制動(dòng)能量，提高用電效率，并發(fā)揮穩(wěn)定接觸網(wǎng)電壓、緊急牽引供電等功能。隨著儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，儲(chǔ)能式方案已成為解決城軌交通再生制動(dòng)能量利用問題的主流方式之一。

根據(jù)儲(chǔ)能安裝位置不同，儲(chǔ)能裝置通常分為車載式和地面式，其中車載式儲(chǔ)能裝置安裝于列車頂部或底部，快速回收列車再生制動(dòng)能量，并為該列車提供牽引能量，此外車載式儲(chǔ)能裝置可兼作臨時(shí)電源使列車短暫脫離接觸網(wǎng)運(yùn)行。目前車載式儲(chǔ)能裝置已在日本、西班牙、德國等城軌交通得到應(yīng)用[17]。然而，車載式儲(chǔ)能裝置的引入往往需要對列車車體進(jìn)行改造，硬件成本相對較高。受列車重量和空間制約，車載式儲(chǔ)能裝置容量有限，難以滿足列車再生制動(dòng)能量充分回收的需求。地面式儲(chǔ)能裝置則安裝于地面牽引所或城軌沿線，可同時(shí)向線路中所有列車供電，且無需增加列車安裝空間和質(zhì)量，開發(fā)成本低。目前地面式儲(chǔ)能裝置已在我國北京和青島、美國、日本、德國、法國等數(shù)十條城軌線路推廣，效果顯著[18]。

此外，近年來混合儲(chǔ)能裝置也逐漸受到廣泛關(guān)注和研究[19]，其中最具代表性的方案即為超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能，該混合儲(chǔ)能裝置兼具高功率密度和高能量密度等優(yōu)勢，目前已在北京地鐵八通線掛線運(yùn)行，并且相對于超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，該混合儲(chǔ)能裝置的節(jié)電效果更為顯著[20]。

1.2.4 再生制動(dòng)能量利用技術(shù)對比

“列車運(yùn)行優(yōu)化”“能量回饋式”和“儲(chǔ)能式”方案均可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量再利用，減少或避免制動(dòng)能量以熱能的形式浪費(fèi)在制動(dòng)電阻上。除上述儲(chǔ)能裝置外，城市軌道交通還可設(shè)置節(jié)能坡等轉(zhuǎn)化制動(dòng)能量[21]。但考慮到城市軌道交通運(yùn)營的復(fù)雜性和不確定性，實(shí)際系統(tǒng)列車再生制動(dòng)能量利用仍以能量回饋式或儲(chǔ)能式為主、以列車運(yùn)行優(yōu)化為輔，并且借助儲(chǔ)能裝置中存儲(chǔ)電量或能饋電量來衡量列車再生制動(dòng)能量利用率[22]。然而，現(xiàn)有能量回饋式和儲(chǔ)能方案實(shí)際推廣往往需要綜合考慮系統(tǒng)容量、能效、成本等的限制。

2 鋼軌電位問題及其研究現(xiàn)狀

2.1 鋼軌電位產(chǎn)生機(jī)理

城軌交通普遍采用走行軌回流的直流牽引供電系統(tǒng)，由于走行軌本身具有一定的縱向電阻，列車電流通過走行軌回流時(shí)，將在走行軌上產(chǎn)生鋼軌電位(也稱“軌道電位”)，如圖5所示。其中，Rc1、Rc2是接觸網(wǎng)縱向電阻，Rr1、Rr2是走行軌縱向電阻，Vs和Rs分別是牽引所電壓和內(nèi)阻，It是列車牽引電流，Ir1、Ir2是走行軌回流電流。接觸網(wǎng)縱向電阻和鋼軌縱向電阻構(gòu)成的電阻網(wǎng)隨著列車移動(dòng)而改變，回流電流在相應(yīng)的走行軌縱向電阻上產(chǎn)生相應(yīng)的鋼軌電位。影響鋼軌電位的因素主要包括回流電流、走行軌縱向電阻等[23]。

圖5 鋼軌電位產(chǎn)生機(jī)理Figure 5 Rail potential generation mechanism

1) 回流電流影響：鋼軌電位跟走行軌回流電流水平成正比，回流電流越小，在相同回流路徑上產(chǎn)生的鋼軌電位越小，反之越大。

2) 走行軌縱向電阻影響：鋼軌電位跟走行軌縱向電阻成正比，走行軌縱向電阻越大，則相同走行軌回流電流產(chǎn)生的鋼軌電位越大，反之越小。

城軌交通普遍采用浮地方式，導(dǎo)致鋼軌和地之間存在電位差。一方面，考慮到車體與鋼軌電氣連通，為避免跨步電壓對上下車乘客造成傷害，在工程設(shè)計(jì)中常利用電纜將鋼軌與站臺(tái)門連接以保證二者的等電位[24]；另一方面，鋼軌電位也會(huì)導(dǎo)致局部打火及轉(zhuǎn)轍機(jī)外殼接地電纜燒熔等危險(xiǎn)。北京、上海、廣州、深圳、南京等城軌線路均先后多次發(fā)生道岔電火花故障事故[25]。

綜上分析，過高的鋼軌電位會(huì)危及司乘人員及軌旁設(shè)備安全，并可導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作，給城軌安全運(yùn)營帶來風(fēng)險(xiǎn)[26]。為此，鋼軌電位抑制技術(shù)近年來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并在實(shí)際城軌交通線路中逐步推廣。典型鋼軌電位抑制措施包括減小回流電流、減小鋼軌縱向電阻、鋼軌電位限制裝置等[27]。接下來將分別對上述方案進(jìn)行說明。

2.2 鋼軌電位抑制技術(shù)

2.2.1 減小回流電流措施

回流電流由牽引電流和列車位置決定，前者通?？蛇_(dá)4 000 A甚至更高，后者則決定相應(yīng)回流路徑的走行軌縱向電阻。鑒于鋼軌電位與回流電流正相關(guān)，在相同牽引功率下，提高直流接觸網(wǎng)壓，能顯著降低列車牽引電流及相應(yīng)的回流電流等級(jí)。目前，有軌電車多采用600 V和750 V的額定直流電壓；對于城市長距離運(yùn)行城軌線路及大功率的直流供電線路推薦采用1 500 V的額定電壓等級(jí)，對于市域郊鐵路、城際鐵路及通勤鐵路可采用3 000 V的額定電壓等級(jí)來滿足大功率、長距離的運(yùn)輸需求[28]。

2.2.2 減小鋼軌縱向電阻措施

影響鋼軌縱向電阻的因素主要包括鋼軌橫截面積、焊點(diǎn)電阻等。為此，采用重型鋼軌、并聯(lián)回流線纜、設(shè)置均流線、采用無縫線路等措施均可降低回流路徑的鋼軌縱向電阻[29]。重型鋼軌通過增加橫截面積降低了相應(yīng)的鋼軌縱向電阻，以常用的 60 kg/m和50 kg/m鋼軌為例，前者相比后者的橫截面積增大18.6%，相應(yīng)縱向電阻值降低了17.2%[30]。而在軌道兩側(cè)并聯(lián)回流線纜也可增大相應(yīng)區(qū)段的等效鋼軌截面積，進(jìn)而降低鋼軌縱向電阻。上下行走行軌之間通常每隔400～600 m設(shè)置均流線，即通過將二者并聯(lián)來降低鋼軌縱向電阻。此外，推廣無縫線路措施中將標(biāo)準(zhǔn)長度的鋼軌焊接構(gòu)成長鋼軌線路，通過優(yōu)化焊接技術(shù)盡量減小焊接點(diǎn)處的電阻。

2.2.3 鋼軌電位限制裝置

在城軌交通中，通常在車站的鋼軌與大地之間設(shè)置如圖 6所示的鋼軌電位限制裝置(over voltage protection device，OVPD)。典型OVPD包括接觸器和晶閘管/GTO構(gòu)成的短路環(huán)節(jié)及測量環(huán)節(jié)。一旦檢測到鋼軌電位超過安全閾值，OVPD立即動(dòng)作，強(qiáng)制將該位置的鋼軌與大地短接，進(jìn)而使得此處鋼軌電位立即被箝位到零，以避免過高鋼軌電位對人身及軌旁設(shè)備的影響。OVPD通常選取3段式保護(hù)閾值策略，典型I段、II段和III段電壓動(dòng)作閾值分別為120 V(或90 V)、150 V和600 V[31]。觸發(fā)I段保護(hù)后，接觸器導(dǎo)通一定時(shí)間后自動(dòng)斷開；而觸發(fā) II、III段保護(hù)后，接觸器或晶閘管導(dǎo)通，此時(shí)均需要人工手動(dòng)復(fù)位才能斷開接觸器[32]。

圖6 OVPD工作原理Figure 6 Operation principle of OVPD

需要注意的是，盡管OVPD能夠保護(hù)牽引所或車站處的人身安全和軌旁設(shè)備，但OVPD動(dòng)作時(shí)會(huì)顯著抬高走行軌沿線鋼軌電位水平(如圖 6所示)，導(dǎo)致更多回流電流向周邊土壤泄漏[33]。對于城軌交通運(yùn)營，特別在高峰運(yùn)營時(shí)段，OVPD可能頻繁動(dòng)作甚至閉鎖，而由于人工手動(dòng)復(fù)位不及時(shí)，極可能引發(fā)附近車站內(nèi)OVPD接連動(dòng)作，進(jìn)一步加劇沿線雜散電流泄漏，此時(shí)泄漏雜散電流可能達(dá)到幾百甚至上千安培，嚴(yán)重威脅城軌交通安全運(yùn)營[34]。

3 雜散電流治理問題及其研究現(xiàn)狀

3.1 雜散電流產(chǎn)生機(jī)理和危害

由于鋼軌與大地之間非完全絕緣，在前述鋼軌電位的影響下，部分牽引回流電流泄漏到大地中，并通過較小電阻的路徑(包括埋地金屬管線、結(jié)構(gòu)鋼筋等金屬構(gòu)件)，形成雜散電流(也稱“迷流”)[35-36]，如圖7所示。

圖7 雜散電流產(chǎn)生機(jī)理Figure 7 Stray current generation mechanism

根據(jù)法拉電解定律，雜散電流會(huì)對城軌隧道及附近建筑物的結(jié)構(gòu)鋼筋、埋地金屬管線設(shè)施造成嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕[36]。一方面造成鋼軌及其附件的腐蝕，除了定期更換的維護(hù)成本外，引發(fā)潛在的城軌安全運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，城軌附近金屬管線一旦發(fā)生腐蝕穿孔破裂，將可能引起火災(zāi)和爆炸事故，并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如香港曾因雜散電流對煤氣管道的腐蝕穿孔，而造成煤氣泄漏事故。北京地鐵一期工程投入運(yùn)營數(shù)年后，其主體結(jié)構(gòu)鋼筋發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，隧道內(nèi)水管腐蝕穿孔，僅東段部分區(qū)段更換穿孔水管54處。雜散電流已成為城軌交通領(lǐng)域面臨的重要安全挑戰(zhàn)之一。

3.2 雜散電流治理技術(shù)

近年來，圍繞雜散電流問題各國相繼出臺(tái)了一系列行業(yè)或國際標(biāo)準(zhǔn)[37-40]，雜散電流治理技術(shù)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，并在實(shí)際城軌線路中逐步推廣?，F(xiàn)有的雜散電流治理措施，普遍采用“以防為主、以排為輔、防排結(jié)合、加強(qiáng)監(jiān)測”的設(shè)計(jì)思想[41]。根據(jù)工作原理可將其大致分為4類：控制走行軌回流電流、阻礙回流電流對地泄漏、陰極保護(hù)對象、電力電子硬件治理方案。

3.2.1 控制走行軌回流電流方案

作為回流電流泄漏至鋼軌周圍大地中的部分，雜散電流與走行軌回流電流成正比，與回流至牽引變電所的距離平方成正比，因此可通過提高直流接觸網(wǎng)壓、縮短牽引所間距等措施來減小走行軌回流電流及相應(yīng)的雜散電流。采用第四軌回流是另外一種控制軌道回流電流的方法，即列車通過專用軌向牽引所回流，此時(shí)走行軌回流電流幾乎降低為零，從而解決雜散電流問題[42]。但上述方案僅適用于新建線路，無法在既有城軌交通線路中推廣。

3.2.2 阻礙回流電流對地泄漏方案

通過增強(qiáng)軌地絕緣水平和雜散電流收集網(wǎng)等方法實(shí)現(xiàn)阻礙回流電流對地泄漏[43]。軌地過渡電阻常被用來衡量軌道和大地之間的絕緣效果，《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ/T 49-2020)規(guī)定新建線路中軌地過渡電阻不應(yīng)小于15 Ω·km[37]。為增強(qiáng)軌地絕緣水平，典型實(shí)施方案包括走行軌絕緣固定、采用無砟軌道和高阻率混凝土枕木、鐵軌表面涂抹絕緣材料、保持道床區(qū)域的清潔等，有助于減小泄漏到大地中的雜散電流。雜散電流收集網(wǎng)被普遍用于現(xiàn)有城軌系統(tǒng)中，通過收集由軌道泄漏出的雜散電流，并將其沿收集網(wǎng)流回牽引所負(fù)極，可有效防止雜散電流向城軌周邊的結(jié)構(gòu)鋼筋和金屬管線中擴(kuò)散[44]。

3.2.3 陰極保護(hù)對象方案

陰極保護(hù)對象方案可有效防止雜散電流對沿線埋地金屬管線、結(jié)構(gòu)鋼筋等產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕。陰極保護(hù)的基本原理是向被保護(hù)對象提供陰極保護(hù)電流，使其陰極極化到一定范圍，抑制金屬腐蝕引發(fā)的電子遷移，避免或減弱腐蝕的發(fā)生[45]。常見的陰極保護(hù)方案包括犧牲陽極法和外加電流法[46]。然而，作為雜散電流治理的一種輔助手段，陰極保護(hù)往往只局限于被保護(hù)對象，無法完全消除雜散電流對其他區(qū)域所帶來的負(fù)面影響。

3.2.4 電力電子硬件治理方案

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，近年來國內(nèi)外學(xué)者陸續(xù)提出一系列雜散電流的新型硬件治理方案。Fabre等[47]提出了高壓直流三線供電系統(tǒng)，通過設(shè)置直流變換器和高壓回流線，降低了走行軌回流電流；但電壓等級(jí)提高會(huì)帶來一些新挑戰(zhàn)，如高壓直流斷路器、設(shè)備電氣絕緣性要求提高等。Fotouhi等[48]采用了圖8所示的直流吸流變壓器供電系統(tǒng)硬件治理措施，利用吸流變壓器(BT)內(nèi)部直流電感續(xù)流作用，將走行軌回流電流轉(zhuǎn)移至專用回流線上；但直流吸流變壓器供電系統(tǒng)存在較長的吸流間隙，此時(shí)列車電流仍會(huì)通過走行軌回流至牽引所。

圖8 直流吸流變壓器牽引供電系統(tǒng)示意Figure 8 Illustration of DC booster based solution

此外，文獻(xiàn)[49-50]分別提出了直流自耦變壓器(DCAT)牽引供電系統(tǒng)和負(fù)阻變換器(NRC)牽引供電系統(tǒng)的硬件治理措施。前者通過沿線路設(shè)置DCAT和負(fù)壓回流線，將軌道劃分為多個(gè)子區(qū)段，如圖9所示；后者則通過沿線路設(shè)置開關(guān)單元和回流線、在牽引所處設(shè)置負(fù)阻變換器，同樣將軌道劃分為多個(gè)子區(qū)段，如圖10所示。此時(shí)僅列車所在的區(qū)段內(nèi)軌道上有電流，其余區(qū)段內(nèi)軌道電流均為零，可有效解決雜散電流問題。上述電力電子硬件治理方案普遍處于實(shí)驗(yàn)室測試階段，有待開展進(jìn)一步的工程示范研究。

圖9 DCAT牽引供電系統(tǒng)示意Figure 9 Illustration of DCAT based solution

圖10 NRC牽引供電系統(tǒng)示意Figure 10 Illustration of NRC based solution

3.3 雜散電流治理技術(shù)對比

選擇幾種典型雜散電流治理技術(shù)開展性能對比，如表1所示，其中*表示治理效果、成本、失效速度和成熟度指標(biāo)[51]?？梢钥闯?，減小走行軌縱向電阻、增強(qiáng)軌地絕緣水平和雜散電流收集網(wǎng)等傳統(tǒng)雜散電流治理措施普遍成熟度高，但實(shí)際推廣存在一定的局限性，如治理成本高但效果有限、性能隨運(yùn)行時(shí)間推移而降低、多適用于新建線路而在既有線路改造困難等。第四軌回流方案具有較好的雜散電流治理效果，但涉及供電線路和車輛特殊設(shè)計(jì)改造，建設(shè)成本相對提高。相比之下，電力電子的硬件治理措施表現(xiàn)出了一定優(yōu)勢，同時(shí)適用于既有線路和新建線路，但尚需在工程示范、關(guān)鍵技術(shù)方面開展深入研究。

表1 雜散電流治理技術(shù)性能對比Table 1 Performance comparison of stray current mitigation

4 結(jié)語

鑒于城軌交通面臨的安全供電技術(shù)挑戰(zhàn)，圍繞直流牽引供電的接觸網(wǎng)壓波動(dòng)、鋼軌電位和雜散電流問題及其治理技術(shù)開展了分類綜述，詳細(xì)分析了各類技術(shù)的原理和特點(diǎn)。然而上述安全供電技術(shù)尚存在一些問題，亟待開展深入的研究：

1) 作為解決列車再生制動(dòng)能量利用問題的技術(shù)措施，列車運(yùn)行優(yōu)化、能量回饋式、儲(chǔ)能式和能耗式方案在實(shí)際推廣中需綜合考慮性能和成本。隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的推廣，結(jié)合列車運(yùn)行優(yōu)化的綜合再生制動(dòng)能量利用解決方案展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。

2) 鋼軌電位跟雜散電流之間存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)，相應(yīng)治理措施的實(shí)施效果亦相互影響。用于解決車站處鋼軌電位過高風(fēng)險(xiǎn)的OVPD動(dòng)作后，將同時(shí)抬高沿線鋼軌電位，加劇雜散電流泄漏，這在實(shí)際工程應(yīng)用中必須加以考慮。

3) 目前世界上僅少數(shù)城市采用第四軌回流方案，關(guān)于該方案下的列車再生制動(dòng)能量利用、鋼軌電位和雜散電流研究較少，這將是未來的一個(gè)研究方向。

此外，在能源互聯(lián)網(wǎng)和國家“雙碳”目標(biāo)的背景下，未來分布式可再生能源接入城軌交通帶來了新特征，相應(yīng)安全供電技術(shù)值得關(guān)注。