作者介紹

Sahil Bhagat

1991年生，高級(jí)EMC工程師，日立軌道信號(hào)與運(yùn)輸方案股份有限公司。主要研究方向包括接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、雜散電流、電磁兼容和系統(tǒng)保護(hù)等。

楊曉峰

1980年生，博士，北京交通大學(xué)副教授，博士生導(dǎo)師，IEEE高級(jí)會(huì)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(dǎo)體器件應(yīng)用等。

王淼

1994年生，博士研究生，IEEE會(huì)員。主要研究方向包括多電平變換器、 諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和城軌牽引供電技術(shù)。

Andrea Mariscotti

1968年生，博士，熱那亞大學(xué)副教授，IEEE高級(jí)會(huì)員。主要研究方向包括電氣安全、雜散電流、電磁兼容和測(cè)量科學(xué)儀器設(shè)計(jì)等。

研究背景

城市軌道交通普遍采用直流牽引供電系統(tǒng)，列車(chē)電流通過(guò)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(huì)對(duì)軌道、金屬管道和結(jié)構(gòu)鋼筋等造成嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，甚至金屬管道腐蝕穿孔，并引發(fā)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(fā)牽引變電所中的直流框架保護(hù)裝置動(dòng)作，造成大范圍停電事故，嚴(yán)重影響城軌交通的安全運(yùn)營(yíng)。

圖1 直流牽引供電系統(tǒng)中雜散電流產(chǎn)生原理

論文所解決的問(wèn)題及意義

針對(duì)城市軌道交通的雜散電流危害，本文研究了雜散電流的產(chǎn)生和電化學(xué)腐蝕機(jī)理，在分析雜散電流的影響因素基礎(chǔ)，討論了雜散電流治理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。本文將現(xiàn)有雜散電流治理措施分為減小軌道回流電阻、增大軌地過(guò)渡電阻、雜散電流收集系統(tǒng)和專用回流軌或線纜等四類(lèi)，從治理效果、成本、壽命、適用性和成熟度等方面對(duì)這些措施進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比研究。最后，對(duì)城市軌道交通雜散電流治理提出相關(guān)建議，為相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計(jì)人員提供了參考。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

在直流牽引供電系統(tǒng)中，列車(chē)通過(guò)軌道回流至牽引變電所負(fù)極，如圖1所示，由于鋼軌和大地之間并非完全絕緣，此時(shí)靠近列車(chē)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(fù)極。顯然，雜散電流分別在牽引變電所側(cè)和列車(chē)側(cè)構(gòu)成原電池，進(jìn)而對(duì)陽(yáng)極區(qū)的金屬管道和軌道產(chǎn)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕，此時(shí)典型的化學(xué)反應(yīng)方程式如下所示：

為便于分析系統(tǒng)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(shí)可得到系統(tǒng)中雜散電流Is與其它變量之間的關(guān)系式，此時(shí)Us、IL、In、Rn、Rin1、Rin2分別為牽引變電所電壓、列車(chē)電流、軌道電流、軌道電阻、牽引變電所和列車(chē)處軌地過(guò)渡電阻。

圖2 雜散電流等效模型

現(xiàn)有雜散電流治理措施可主要?jiǎng)澐譃闇p小軌道回流電阻、增大軌地過(guò)渡電阻、雜散電流收集系統(tǒng)和專用回流軌或線纜等四類(lèi)。顯然，減小軌道回流電阻方案的本質(zhì)即為降低等效模型中軌道電阻Rn，而增大軌地過(guò)渡電阻方案的本質(zhì)即為提高等效模型中牽引變電所和列車(chē)處軌地過(guò)渡電阻Rin1和Rin2，進(jìn)而上述兩種方案均可降低系統(tǒng)中雜散電流Is。

此外，城市軌道交通還可設(shè)置雜散電流收集系統(tǒng)，對(duì)泄露到道床的部分雜散電流進(jìn)行收集，并可通過(guò)排流裝置將收集的雜散電流送回牽引變電所，進(jìn)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(shí)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(yōu)勢(shì)逐漸受到關(guān)注。專用回流軌或線纜方案，將列車(chē)牽引電流從軌道轉(zhuǎn)移至專用回流軌或線纜上，此時(shí)典型實(shí)施方案包括以第四軌系統(tǒng)為代表的無(wú)源方案、以負(fù)阻變換器(NRC)牽引供電系統(tǒng)為代表的有源方案。

前者通過(guò)改造列車(chē)使列車(chē)電流注入專用的第四軌，但需要拓寬隧道、改造列車(chē)，故在既有線路上實(shí)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(zhuǎn)移到回流線纜上，無(wú)需改造隧道、列車(chē)，故對(duì)于新建線路和既有線路均具有良好的應(yīng)用前景，但該方案仍需開(kāi)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(duì)比，其中星數(shù)越高，對(duì)應(yīng)的治理效果越好、成本越高、老化越嚴(yán)重、適用性越廣、成熟度越高。

表1 雜散電流治理措施性能對(duì)比

結(jié)論

針對(duì)城市軌道交通的雜散電流腐蝕挑戰(zhàn)，在揭示雜散電流產(chǎn)生機(jī)理和腐蝕模型的基礎(chǔ)上，討論了雜散電流治理的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，詳細(xì)對(duì)比了各類(lèi)典型雜散電流治理措施。

研究結(jié)果表明：

(1) 針對(duì)新建線路，傳統(tǒng)雜散電流治理措施需要在線路施工階段嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行；

(2) 在專用回流軌或線纜方案中，列車(chē)牽引電流從軌道轉(zhuǎn)移到外加回流軌或線纜上，從而在源頭上解決雜散電流問(wèn)題；

(3) 基于負(fù)阻變換器的牽引供電系統(tǒng)憑借高性能和低成本等優(yōu)勢(shì)，在現(xiàn)有系統(tǒng)雜散電流治理中展現(xiàn)出良好的應(yīng)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(píng)估[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.