城市軌道交通牽引供電系統接觸網和回流安全綜述

楊曉峰，鄭瓊林

（北京交通大學電氣工程學院，北京 100044）

近年來，隨著城市化進程加快，城市軌道交通(簡稱“城軌交通”)以其運量大、安全環保等特點得到快速發展。截至2021年底，中國內地共有50個城市開通城軌交通線路，運營線路總里程達到9 192 km[1]。運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動力來源，直流牽引供電系統的安全供電技術至關重要。一方面，列車頻繁啟停過程將產生大量的制動能量，處理不當將會造成直流接觸網壓劇烈波動以及交流電網的電能質量問題[3]；另一方面，城軌交通系統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的安全運營及其周邊金屬管線設施產生嚴重的危害[4-5]。直流接觸網壓波動、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。

鑒于此，筆者圍繞城市軌道交通直流牽引供電系統面臨的上述安全供電挑戰開展綜述，在分析其產生機理的基礎上，系統梳理了再生制動能量利用、鋼軌電位和雜散電流問題及相關治理技術的最新研究成果，并對其中一些尚待解決的問題進行展望，為業內同仁開展相關研究工作提供借鑒和參考。

1 直流接觸網壓波動

1.1 直流接觸網壓波動產生機理

圖1為典型直流牽引供電系統示意圖，包括牽引所(traction power station，TPS)、接觸網(或第三軌)、走行軌(或鋼軌)、列車等。當列車牽引出站時，沿線的牽引所將中壓交流電網降壓整流后為直流接觸網供能。列車制動時將產生大量的再生制動能量并注入直流接觸網。一方面，城軌交通具有列車運行密度大、站間距小、啟停頻繁的特點[6]，列車的再生制動能量相當可觀；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側流向直流接觸網側，除一部分再生制動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，導致接觸網電壓急劇上升。然而，城軌交通接觸網允許的電壓波動范圍有限，1 500 V和750 V直流牽引供電系統中接觸網電壓波動安全范圍分別為 1 000～1 800 V和500～900 V[7]。近年來，寧波市軌道交通2號線、北京地鐵等先后出現了接觸網壓過高導致的列車停運事故[8-9]。

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

為避免接觸網過壓，制動列車通常采用車載式或地面式制動電阻以熱能的形式消耗[10]。其中車載式電阻制動廣泛應用于國內外城軌交通線路，僅少數新建線路采用地面式制動電阻，如鄭州地鐵1號線、廣州地鐵4號線等[11]。需要注意的是，制動電阻的能耗方式直接將再生制動能量轉換為熱能，造成巨大電能浪費和隧道溫度升高。據中國城市軌道交通協會統計，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能量，不僅是改善直流接觸網壓波動的重要途徑，同時對促進城市軌道交通行業的可持續發展、實現“雙碳”目標具有重要意義[3]。

1.2 再生制動能量利用技術

近年來，列車再生制動能量利用技術受到國內外學者的廣泛關注，并在城軌交通線路中逐步推廣應用，典型列車再生制動能量利用措施包括列車運行優化、能量回饋式和儲能式方案[12-14]。接下來將分別對上述方案進行總結。

1.2.1 列車運行優化方案

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

圖2 列車運行優化方案示意Figure 2 Illustration of train operation optimization scheme

目前列車運行優化方案已在西班牙布魯塞爾等城軌交通中進行了推廣，取得了不錯的成效。列車運行優化方案無需增加硬件設備和投資成本，但實際效果受實際列車運行準點率、車間追蹤間隔等影響顯著，當實際列車運行與預期規劃存在短時偏差，就極可能導致再生制動能量利用率大幅降低[14]。

隨著自動駕駛技術的推廣，在線路、車輛參數已知的條件下對列車運行圖、運行曲線進行離線優化，使列車按照優化模式運行，可增大列車間能量交互，減少再生制動能量吸收裝置的配置功率和容量需求。基于列車運行優化實現列車再生制動能量高效利用的技術，在未來高度智能化的城軌交通中展現出了良好的應用潛力。

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時產生的多余能量回饋到交流電網，能維持直流牽引網壓的穩定，保證車輛運行的安全可靠性。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，也可直接替代二極管整流機組構成雙向變電站。當接觸網壓超過閾值時，能饋裝置將列車制動能量逆變成工頻交流電回饋至交流電網。由于交流電網承載能力較大，能饋方式可實現良好的直流接觸網壓波動抑制和節能效果。目前已在北京地鐵10號線和14號線、長沙地鐵2號線等城軌線路中得到應用[15]。

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

然而，大規模列車再生制動能量回饋會對交流電網造成一定沖擊，回饋裝置向交流電網注入大量諧波對交流電網電能質量的影響不可忽視。當然，能饋裝置除了抑制接觸網壓波動，也可同時工作在逆變能饋、牽引供電、無功補償等多種模式，進而緩解牽引所的供電壓力，并改善供電系統的電能質量。但隨著工作模式增多，能饋裝置的硬件和控制成本提高，并使得系統繼電保護設計更為復雜[16]。

1.2.3 儲能式方案

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

圖4 儲能式方案Figure 4 Illustration of energy storage scheme

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

根據儲能安裝位置不同，儲能裝置通常分為車載式和地面式，其中車載式儲能裝置安裝于列車頂部或底部，快速回收列車再生制動能量，并為該列車提供牽引能量，此外車載式儲能裝置可兼作臨時電源使列車短暫脫離接觸網運行。目前車載式儲能裝置已在日本、西班牙、德國等城軌交通得到應用[17]。然而，車載式儲能裝置的引入往往需要對列車車體進行改造，硬件成本相對較高。受列車重量和空間制約，車載式儲能裝置容量有限，難以滿足列車再生制動能量充分回收的需求。地面式儲能裝置則安裝于地面牽引所或城軌沿線，可同時向線路中所有列車供電，且無需增加列車安裝空間和質量，開發成本低。目前地面式儲能裝置已在我國北京和青島、美國、日本、德國、法國等數十條城軌線路推廣，效果顯著[18]。

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

1.2.4 再生制動能量利用技術對比

“列車運行優化”“能量回饋式”和“儲能式”方案均可實現制動能量再利用，減少或避免制動能量以熱能的形式浪費在制動電阻上。除上述儲能裝置外，城市軌道交通還可設置節能坡等轉化制動能量[21]。但考慮到城市軌道交通運營的復雜性和不確定性，實際系統列車再生制動能量利用仍以能量回饋式或儲能式為主、以列車運行優化為輔，并且借助儲能裝置中存儲電量或能饋電量來衡量列車再生制動能量利用率[22]。然而，現有能量回饋式和儲能方案實際推廣往往需要綜合考慮系統容量、能效、成本等的限制。

2 鋼軌電位問題及其研究現狀

2.1 鋼軌電位產生機理

城軌交通普遍采用走行軌回流的直流牽引供電系統，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，將在走行軌上產生鋼軌電位(也稱“軌道電位”)，如圖5所示。其中，Rc1、Rc2是接觸網縱向電阻，Rr1、Rr2是走行軌縱向電阻，Vs和Rs分別是牽引所電壓和內阻，It是列車牽引電流，Ir1、Ir2是走行軌回流電流。接觸網縱向電阻和鋼軌縱向電阻構成的電阻網隨著列車移動而改變，回流電流在相應的走行軌縱向電阻上產生相應的鋼軌電位。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 鋼軌電位產生機理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，在工程設計中常利用電纜將鋼軌與站臺門連接以保證二者的等電位[24]；另一方面，鋼軌電位也會導致局部打火及轉轍機外殼接地電纜燒熔等危險。北京、上海、廣州、深圳、南京等城軌線路均先后多次發生道岔電火花故障事故[25]。

綜上分析，過高的鋼軌電位會危及司乘人員及軌旁設備安全，并可導致繼電保護裝置誤動作，給城軌安全運營帶來風險[26]。為此，鋼軌電位抑制技術近年來受到國內外學者的廣泛關注，并在實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行說明。

2.2 鋼軌電位抑制技術

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，前者通常可達4 000 A甚至更高，后者則決定相應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，在相同牽引功率下，提高直流接觸網壓，能顯著降低列車牽引電流及相應的回流電流等級。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，對于市域郊鐵路、城際鐵路及通勤鐵路可采用3 000 V的額定電壓等級來滿足大功率、長距離的運輸需求[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、焊點電阻等。為此，采用重型鋼軌、并聯回流線纜、設置均流線、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%，相應縱向電阻值降低了17.2%[30]。而在軌道兩側并聯回流線纜也可增大相應區段的等效鋼軌截面積，進而降低鋼軌縱向電阻。上下行走行軌之間通常每隔400～600 m設置均流線，即通過將二者并聯來降低鋼軌縱向電阻。此外，推廣無縫線路措施中將標準長度的鋼軌焊接構成長鋼軌線路，通過優化焊接技術盡量減小焊接點處的電阻。

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構成的短路環節及測量環節。一旦檢測到鋼軌電位超過安全閾值，OVPD立即動作，強制將該位置的鋼軌與大地短接，進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備的影響。OVPD通常選取3段式保護閾值策略，典型I段、II段和III段電壓動作閾值分別為120 V(或90 V)、150 V和600 V[31]。觸發I段保護后，接觸器導通一定時間后自動斷開；而觸發 II、III段保護后，接觸器或晶閘管導通，此時均需要人工手動復位才能斷開接觸器[32]。

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

需要注意的是，盡管OVPD能夠保護牽引所或車站處的人身安全和軌旁設備，但OVPD動作時會顯著抬高走行軌沿線鋼軌電位水平(如圖 6所示)，導致更多回流電流向周邊土壤泄漏[33]。對于城軌交通運營，特別在高峰運營時段，OVPD可能頻繁動作甚至閉鎖，而由于人工手動復位不及時，極可能引發附近車站內OVPD接連動作，進一步加劇沿線雜散電流泄漏，此時泄漏雜散電流可能達到幾百甚至上千安培，嚴重威脅城軌交通安全運營[34]。

3 雜散電流治理問題及其研究現狀

3.1 雜散電流產生機理和危害

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、結構鋼筋等金屬構件)，形成雜散電流(也稱“迷流”)[35-36]，如圖7所示。

圖7 雜散電流產生機理Figure 7 Stray current generation mechanism

根據法拉電解定律，雜散電流會對城軌隧道及附近建筑物的結構鋼筋、埋地金屬管線設施造成嚴重的電化學腐蝕[36]。一方面造成鋼軌及其附件的腐蝕，除了定期更換的維護成本外，引發潛在的城軌安全運營風險；另一方面，城軌附近金屬管線一旦發生腐蝕穿孔破裂，將可能引起火災和爆炸事故，并產生巨大的經濟損失。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營數年后，其主體結構鋼筋發現嚴重腐蝕，隧道內水管腐蝕穿孔，僅東段部分區段更換穿孔水管54處。雜散電流已成為城軌交通領域面臨的重要安全挑戰之一。

3.2 雜散電流治理技術

近年來，圍繞雜散電流問題各國相繼出臺了一系列行業或國際標準[37-40]，雜散電流治理技術受到國內外學者的廣泛關注，并在實際城軌線路中逐步推廣。現有的雜散電流治理措施，普遍采用“以防為主、以排為輔、防排結合、加強監測”的設計思想[41]。根據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壓、縮短牽引所間距等措施來減小走行軌回流電流及相應的雜散電流。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

通過增強軌地絕緣水平和雜散電流收集網等方法實現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技術標準》(CJJ/T 49-2020)規定新建線路中軌地過渡電阻不應小于15 Ω·km[37]。為增強軌地絕緣水平，典型實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。雜散電流收集網被普遍用于現有城軌系統中，通過收集由軌道泄漏出的雜散電流，并將其沿收集網流回牽引所負極，可有效防止雜散電流向城軌周邊的結構鋼筋和金屬管線中擴散[44]。

3.2.3 陰極保護對象方案

陰極保護對象方案可有效防止雜散電流對沿線埋地金屬管線、結構鋼筋等產生的電化學腐蝕。陰極保護的基本原理是向被保護對象提供陰極保護電流，使其陰極極化到一定范圍，抑制金屬腐蝕引發的電子遷移，避免或減弱腐蝕的發生[45]。常見的陰極保護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，陰極保護往往只局限于被保護對象，無法完全消除雜散電流對其他區域所帶來的負面影響。

3.2.4 電力電子硬件治理方案

隨著電力電子技術的發展，近年來國內外學者陸續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，通過設置直流變換器和高壓回流線，降低了走行軌回流電流；但電壓等級提高會帶來一些新挑戰，如高壓直流斷路器、設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硬件治理措施，利用吸流變壓器(BT)內部直流電感續流作用，將走行軌回流電流轉移至專用回流線上；但直流吸流變壓器供電系統存在較長的吸流間隙，此時列車電流仍會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示意Figure 8 Illustration of DC booster based solution

此外，文獻[49-50]分別提出了直流自耦變壓器(DCAT)牽引供電系統和負阻變換器(NRC)牽引供電系統的硬件治理措施。前者通過沿線路設置DCAT和負壓回流線，將軌道劃分為多個子區段，如圖9所示；后者則通過沿線路設置開關單元和回流線、在牽引所處設置負阻變換器，同樣將軌道劃分為多個子區段，如圖10所示。此時僅列車所在的區段內軌道上有電流，其余區段內軌道電流均為零，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驗室測試階段，有待開展進一步的工程示范研究。

圖9 DCAT牽引供電系統示意Figure 9 Illustration of DCAT based solution

圖10 NRC牽引供電系統示意Figure 10 Illustration of NRC based solution

3.3 雜散電流治理技術對比

選擇幾種典型雜散電流治理技術開展性能對比，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[51]。可以看出，減小走行軌縱向電阻、增強軌地絕緣水平和雜散電流收集網等傳統雜散電流治理措施普遍成熟度高，但實際推廣存在一定的局限性，如治理成本高但效果有限、性能隨運行時間推移而降低、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計改造，建設成本相對提高。相比之下，電力電子的硬件治理措施表現出了一定優勢，同時適用于既有線路和新建線路，但尚需在工程示范、關鍵技術方面開展深入研究。

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

4 結語

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

1) 作為解決列車再生制動能量利用問題的技術措施，列車運行優化、能量回饋式、儲能式和能耗式方案在實際推廣中需綜合考慮性能和成本。隨著自動駕駛技術的推廣，結合列車運行優化的綜合再生制動能量利用解決方案展現出了良好的應用前景。

2) 鋼軌電位跟雜散電流之間存在內在關聯，相應治理措施的實施效果亦相互影響。用于解決車站處鋼軌電位過高風險的OVPD動作后，將同時抬高沿線鋼軌電位，加劇雜散電流泄漏，這在實際工程應用中必須加以考慮。

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

此外，在能源互聯網和國家“雙碳”目標的背景下，未來分布式可再生能源接入城軌交通帶來了新特征，相應安全供電技術值得關注。