- 头条特邀微文：城市轨道交通杂散电流治理的综述与评估导语城市轨道交通系统中，普遍存在的杂散电流会造成轨道沿线附近金属结构的腐蚀危害。本文分别对城市轨道交通新建线路和既有线路的杂散电流治理/防护措施进行综述。对新建线路，可采用包括优化牵引变电所位置、减小轨道纵向电阻、在道床中安装杂散电流收集系统等措施。对既有线路，除了在走行轨上并联线缆或走行轨间焊接均流线等以增大回流路径截面积措施外，基于电力电子的静止变换器（如负阻变换器等）控制回流路径杂散电流的方法也是极具潜力的治理措施；上述单元可部署在特定地点，以实现对轨道电位过高或腐蚀位置处的定点治理。
作者介绍
Sahil Bhagat
1991年生，高级EMC工程师，日立轨道信号与运输方案股份有限公司。主要研究方向包括接地系统设计、杂散电流、电磁兼容和系统保护等。
杨晓峰
1980年生，博士，北京交通大学副教授，博士生导师，IEEE高级会员。主要研究方向包括轨道交通安全供电、大功率电能变换和宽禁带半导体器件应用等。
王淼
1994年生，博士研究生，IEEE会员。主要研究方向包括多电平变换器、 谐振软开关技术和城轨牵引供电技术。
Andrea Mariscotti
1968年生，博士，热那亚大学副教授，IEEE高级会员。主要研究方向包括电气安全、杂散电流、电磁兼容和测量科学仪器设计等。
研究背景
城市轨道交通普遍采用直流牵引供电系统，列车电流通过走行轨回流至牵引变电所。但由于钢轨和大地之间并非完全绝缘，如图1所示的部分电流从钢轨泄露至大地，形成杂散电流(亦称为迷流)。杂散电流会对轨道、金属管道和结构钢筋等造成严重的电化学腐蚀，甚至金属管道腐蚀穿孔，并引发天然气、石油等泄露威胁附近群众的人身安全。此外，杂散电流还可能触发牵引变电所中的直流框架保护装置动作，造成大范围停电事故，严重影响城轨交通的安全运营。
图1 直流牵引供电系统中杂散电流产生原理
论文所解决的问题及意义
针对城市轨道交通的杂散电流危害，本文研究了杂散电流的产生和电化学腐蚀机理，在分析杂散电流的影响因素基础，讨论了杂散电流治理的设计准则。本文将现有杂散电流治理措施分为减小轨道回流电阻、增大轨地过渡电阻、杂散电流收集系统和专用回流轨或线缆等四类，从治理效果、成本、寿命、适用性和成熟度等方面对这些措施进行详细对比研究。最后，对城市轨道交通杂散电流治理提出相关建议，为相关领域设计人员提供了参考。
论文方法及创新点
在直流牵引供电系统中，列车通过轨道回流至牵引变电所负极，如图1所示，由于钢轨和大地之间并非完全绝缘，此时靠近列车处杂散电流从钢轨泄露至大地，然后在牵引变电所处从大地返回牵引所负极。显然，杂散电流分别在牵引变电所侧和列车侧构成原电池，进而对阳极区的金属管道和轨道产生严重的电化学腐蚀，此时典型的化学反应方程式如下所示：
为便于分析系统中杂散电流的影响因素，建立如图2所示的杂散电流等效模型，此时可得到系统中杂散电流Is与其它变量之间的关系式，此时Us、IL、In、Rn、Rin1、Rin2分别为牵引变电所电压、列车电流、轨道电流、轨道电阻、牵引变电所和列车处轨地过渡电阻。
图2 杂散电流等效模型
现有杂散电流治理措施可主要划分为减小轨道回流电阻、增大轨地过渡电阻、杂散电流收集系统和专用回流轨或线缆等四类。显然，减小轨道回流电阻方案的本质即为降低等效模型中轨道电阻Rn，而增大轨地过渡电阻方案的本质即为提高等效模型中牵引变电所和列车处轨地过渡电阻Rin1和Rin2，进而上述两种方案均可降低系统中杂散电流Is。
此外，城市轨道交通还可设置杂散电流收集系统，对泄露到道床的部分杂散电流进行收集，并可通过排流装置将收集的杂散电流送回牵引变电所，进而防止这部分杂散电流往深层大地泄露。
上述杂散电流治理措施均已在实际城市轨道交通线路中采用，专用回流轨或线缆方案凭借杂散电流源头治理的优势逐渐受到关注。专用回流轨或线缆方案，将列车牵引电流从轨道转移至专用回流轨或线缆上，此时典型实施方案包括以第四轨系统为代表的无源方案、以负阻变换器(NRC)牵引供电系统为代表的有源方案。
前者通过改造列车使列车电流注入专用的第四轨，但需要拓宽隧道、改造列车，故在既有线路上实施较为困难，更适用于新建线路；后者利用电力电子装置将轨道电流转移到回流线缆上，无需改造隧道、列车，故对于新建线路和既有线路均具有良好的应用前景，但该方案仍需开展深入研究和工程示范。
图2 杂散电流等效模型
图3 典型的专用回流轨或线缆方案
图1是杂散电流治理措施的性能对比，其中星数越高，对应的治理效果越好、成本越高、老化越严重、适用性越广、成熟度越高。
表1 杂散电流治理措施性能对比
结论
针对城市轨道交通的杂散电流腐蚀挑战，在揭示杂散电流产生机理和腐蚀模型的基础上，讨论了杂散电流治理的设计准则，详细对比了各类典型杂散电流治理措施。
研究结果表明：
(1) 针对新建线路，传统杂散电流治理措施需要在线路施工阶段严格按照标准执行；
(2) 在专用回流轨或线缆方案中，列车牵引电流从轨道转移到外加回流轨或线缆上，从而在源头上解决杂散电流问题；
(3) 基于负阻变换器的牵引供电系统凭借高性能和低成本等优势，在现有系统杂散电流治理中展现出良好的应用前景。
引用本文
Sahil Bhagat, 杨晓峰, 王淼, Andrea Mariscotti. 城市轨道交通杂散电流治理的综述与评估[J]. 电工技术学报, 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.
