城市軌道交通雜散電流與電網(wǎng)直流偏磁電流耦合關(guān)系與檢測的研究展望

阮 羚 1，唐澤洋 1*，張 波 2，鄧小訓(xùn) 3，葛 洲 4，邱 凌 5，姚 勇 6，王 堅 6，張 瑞

（1.國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.清華大學，北京 100083；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；4.深圳地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518026；5.武漢新電電氣股份有限公司，湖北 武漢 430073；6.國網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司，湖北 武漢 430013；7.深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518001）

0 引言

城市軌道交通發(fā)展狀況在一定程度上反映了一個國家的綜合實力，同時也是一個城市現(xiàn)代化水平的標志之一。隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展、城市人口的增多、城市規(guī)模的擴大，大城市的交通問題也日益突出。城市軌道交通由于其高速、安全、可靠、準時、載客量大等優(yōu)點［1］，已成為解決大城市交通擁堵的首選方案。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至到2020年底，全球已有77個國家和地區(qū)的538個城市開通了軌道交通，運營里程達到33 346 km，我國軌道交通運營里程達7 978 km，占全球的23.9%［2］，中國已成為世界上城市軌道交通發(fā)展最快的國家。

城市軌道交通已有100多年的歷史，1863年，世界上第一條城市軌道交通在英國倫敦建成，采用蒸汽機作為牽引動力［3］；1879年，世界上第一條電氣化鐵路在德國建成通車［4］。我國軌道交通建設(shè)雖然起步較晚，但發(fā)展迅猛，尤其是近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展、城市現(xiàn)代化建設(shè)，在碳達峰碳中的大背景下，為推進交通運輸?shù)吞及l(fā)展，城市軌道交通將更迅猛發(fā)展。

城市軌道交通一般采用直流牽引供電系統(tǒng)，軌道交通供電電壓有600 V、750 V、1 500 V、3 300 V四種［4-5］，我國軌道交通供電電壓標準為750 V或1 500 V，現(xiàn)多采用1 500 V供電。

直流牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變電所、接觸網(wǎng)（架空線或接觸軌）和回流系統(tǒng)組成，其中，回流系統(tǒng)由鋼軌、道床及其附屬結(jié)構(gòu)等構(gòu)成?；亓靼捶绞娇煞譃樽咝熊壔亓骱偷谒能壔亓鳎?］，走行軌回流方式由鋼軌兼做回流軌，第四軌的回流方式由專用軌道作為回流軌。

走行軌回流方式由于鋼軌對地并非完全絕緣，因此走行軌回流方式在軌道交通運行過程中，會有電流經(jīng)鋼軌泄漏流入大地，也就是所謂的雜散電流。

第四軌回流方式，是在鋼軌附近采用絕緣支架支撐一條金屬軌道，車輛通過受電靴與專用回流軌電氣接觸，鋼軌及車輛輪對不再作為回流路徑的一部分，可有效解決雜散電流問題。世界上早期的軌道交通采用第四軌回流方式，主要原因是受限當時的土建施工技術(shù)，第四軌是當時解決雜散電流問題的最佳方案。隨著整體道床技術(shù)的發(fā)展，加上第四軌回流成本高、維護難，走行軌回流逐漸發(fā)展成為了主流回流方式，而第四軌回流只在少數(shù)經(jīng)濟條件好，對雜散電流防護要求高的城市有少量應(yīng)用［7］，我國的大部分軌道交通采用的是走行軌回流方式。

本文根據(jù)國內(nèi)外軌道交通雜散電流與電網(wǎng)直流偏磁的研究現(xiàn)狀、國內(nèi)外相關(guān)標準的現(xiàn)狀，重點分析了軌道交通雜散電流產(chǎn)生的原因、主要因素及其影響，評述了軌道交通雜散電流與電網(wǎng)直流偏磁電流仿真現(xiàn)狀，軌道交通雜散電流、電網(wǎng)直流偏磁電流檢測及監(jiān)測現(xiàn)狀，對已有的雜散電流與直流偏磁國際與國內(nèi)標準進行了對比分析，對未來需要開展和研究的問題進行了分析和建議。

1 軌道交通雜散電流產(chǎn)生及其影響

1.1 雜散電流的產(chǎn)生

圖1為軌道交通雜散電流示意圖，直流牽引變電站通過接觸軌向列車供電，牽引電流經(jīng)過列車、走行軌回流到牽引變電站的負極。由于走行軌與大地不是完全絕緣的，因此在回流過程中會有部分電流泄漏到大地中，這部分電流即為雜散電流。為了減少雜散電流的影響，會軌道交通軌道沿線敷設(shè)排流網(wǎng)，通過排流網(wǎng)收集雜散電流，經(jīng)過排流柜回到牽引變電站的負極。雖然排流網(wǎng)可以收集雜散電流，但仍然會有部分雜散電流會流入大地，流經(jīng)附近的金屬管道、變電站等設(shè)施，并最終經(jīng)過走行軌回到牽引變電站的負極。

圖1 雜散電流示意圖[8]Fig.1 Schematic diagram of stray current

1.2 雜散電流的影響因素

軌道交通雜散電流的影響因素眾多，從雜散電流產(chǎn)生的源頭來看，軌道交通列車的供電方式、行車位置、行車功率、行車數(shù)量、供電區(qū)間的長度、工況、牽引策略、列車再生制動［9-16］等都是雜散電流的影響因素；從雜散電流流經(jīng)的路徑來看，鋼軌的縱向電阻、鋼軌對地的過渡電阻、地形、土壤電阻率［17-20］等均會影響雜散電流的大小；從雜散電流防護方式來看，構(gòu)筑物上的涂層、OVPD動作情況、排流方式［21］等均會影響雜散電流的大小。

1.3 雜散電流的影響

軌道交通雜散電流的影響主要包括對構(gòu)筑物、金屬管道的腐蝕，引起鋼軌電位升高，導(dǎo)致電網(wǎng)變壓器直流偏磁等。

1.3.1 腐蝕構(gòu)筑物、金屬管道

早期，研究學者主要關(guān)注軌道交通雜散電流對構(gòu)筑物、金屬管道的電化學腐蝕，電化學腐蝕主要包括析氫腐蝕和吸氧腐蝕。腐蝕一般發(fā)生金屬管道的陽極區(qū)，也就是雜散電流從金屬管道流出的區(qū)域。

雜散電流造成的電化學腐蝕的影響主要包括：

1）破壞鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)［23］。雜散電流流經(jīng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時，會在結(jié)構(gòu)鋼筋表面發(fā)生析氫反應(yīng)，在有氧的情況下還會發(fā)生氧化反應(yīng)生成鐵銹。雜散電流的長期作用下，析出的氫氣或生成的鐵銹達到一定程度時，會削弱鋼筋結(jié)構(gòu)和混凝土的強度，嚴重時會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂，引發(fā)坍塌事故。英國曾發(fā)生過因地鐵雜散電流腐蝕結(jié)構(gòu)鋼筋引發(fā)混凝土塌方事故［24］。

2）腐蝕埋地金屬管線［25］。軌道交通沿線附近的輸油、供熱、埋地燃氣、自來水管道和電纜線路等均會不同程度地受到雜散電流的腐蝕影響，腐蝕原理與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相同，土壤充當了電解質(zhì)。據(jù)東北輸油管理局統(tǒng)計，我國東北地區(qū)的80%的輸油管道腐蝕穿孔事故均是由雜散電流引起的［26］。香港曾因軌道交通雜散電流腐蝕，導(dǎo)致燃氣管道穿孔，發(fā)生了燃氣泄漏事故［27］；北京也曾發(fā)生過軌道交通附近自來水管腐蝕穿孔的事故［28］。

3）腐蝕鋼軌及其附件［29-30］。從前面介紹的電化學腐蝕的基本原理可知，金屬管道存在陰極區(qū)和陽極區(qū)，由于雜散電流從軌道交通鋼軌流出，最終還是會回到鋼軌，那么軌道交通的鋼軌也存在陰極區(qū)和陽極區(qū)，鋼軌的陽極區(qū)即雜散電流流出區(qū)域也會發(fā)生電化學腐蝕，鋼軌的附件如道釘也會受到雜散電流的腐蝕。

1.3.2 鋼軌電位升高

由于軌道交通鋼軌與地不可能完全絕緣，當有電流通過鋼軌泄漏到大地時，會使得鋼軌和大地之間存在一個電位差，即鋼軌電位，當雜散電流較大時，會導(dǎo)致鋼軌電位升高。列車與鋼軌是等位的，乘客有可能通過列車車體接觸到這一高電位，特別是安裝了屏蔽門后，由于屏蔽門的保護接地與鋼軌相連接，增加了乘客接觸高電位的概率［31］。因而，為了保護乘客和運維人員的人身安全，一般會在牽引變電所安裝鋼軌過電壓保護裝置（Over Voltage Protection Device，OVPD）。當鋼軌電壓超過OVPD的整定值時，OVPD動作，起到保護作用。

1.3.3 電網(wǎng)變壓器直流偏磁

近年來，隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，研究學者逐漸開始關(guān)注軌道交通雜散電流對電網(wǎng)變壓器直流偏磁的影響。電網(wǎng)變壓器直流偏磁可能的原因主要包括：直流單極運行［32］、地磁暴［33］、軌道交通雜散電流［34］。其中直流單極運行和地磁暴所導(dǎo)致的電網(wǎng)變壓器直流偏磁具有幅值大、范圍大、緩變性、頻次低等特點；而軌道交通雜散電流具有幅值小、范圍小、頻率高、周期性、疊加性等特點，軌道交通雜散電流所引起的電網(wǎng)變壓器直流偏磁電流與直流單極運行和地磁暴引起的直流偏磁電流量值大小、特征及規(guī)律等均有很大不同。

變壓器正常運行時，勵磁電流只含奇次諧波，不含偶次諧波［35］，當直流流入變壓器繞組時，由于繞組的直流電阻很小，直流磁勢很大，會導(dǎo)致變壓器鐵芯進入磁滯曲線的飽和段，勵磁電流的正負半周不對稱，勵磁電流中出現(xiàn)偶次諧波。直流偏磁時的磁通和勵磁電流關(guān)系如圖2所示。

圖2 直流偏磁時變壓器磁通與勵磁電流的關(guān)系[36]Fig.2 Relationship between transformer flux and excitation current under DC bias

變壓器直流偏磁時，由于勵磁電流中含有直流，會使得鐵芯磁滯伸縮加劇，漏磁通變大，進而導(dǎo)致繞組動力增加，使得變壓器機械振動增大［37］；在振動增大的同時，也會導(dǎo)致變壓器噪音增加、損耗增加、溫升增加、諧波增大［38］。這些都會對變壓器的運行產(chǎn)生不利影響，時間長了會損壞變壓器，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

2 相關(guān)仿真研究進展

軌道交通雜散電流的仿真主要涉及軌道交通直流牽引系統(tǒng)回流的仿真、軌道交通系統(tǒng)對與電網(wǎng)耦合關(guān)系及相互影響的仿真。

2.1 軌道交通直流牽引系統(tǒng)回流仿真

2.1.1 仿真研究現(xiàn)狀

為研究軌道交通直流牽引系統(tǒng)雜散電流的分布規(guī)律，對影響因素進行量化分析，一般通過CDEGS［39］、ANSYS、ANSOFT、MATLAB等建立雜散電流仿真模型進行研究?；亓飨到y(tǒng)的雜散電流仿真模型，有分布參數(shù)模型和集中參數(shù)模型［40］。一般來說回流系統(tǒng)本身就是分布性質(zhì)的，集中參數(shù)模型建模只是一種近似，為了確保模型的準確性，一般采用分布參數(shù)模型。分布參數(shù)模型又可分為穩(wěn)態(tài)模型和暫態(tài)模型［41］，其中穩(wěn)態(tài)模型只考慮了鋼軌縱向電阻和軌地過渡電阻，而暫態(tài)模型除了電阻外，還考慮了鋼軌電感和軌地電容。

在列車供電方式方面，為了研究單邊供電方式下的雜散電流情況，李威等［42］建立了單邊供電方式下的兩層及以上的多層雜散電流分布模型，分析了在鋼軌－排流網(wǎng)－埋地金屬－大地等回流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下雜散電流、跨接電流、鋼軌電位和鋼軌電流的分布情況。單列車運行條件進行雜散電流的仿真建模，由于其簡化的邊界條件和過于理想化的假設(shè)條件導(dǎo)致計算結(jié)果與實測值存在較大誤差。為了確保軌道交通供電的可靠性，實際上軌道交通一般多采用雙邊或多端供電方式。Wang Yuqiao等［43］建立了雙邊供電方式下雜散電流的仿真模型，通過仿真分析了雙邊供電方式下的雜散電流分布情況，發(fā)現(xiàn)列車運行區(qū)間長度、回流系統(tǒng)各層結(jié)構(gòu)縱向電阻和各層結(jié)構(gòu)之間的過渡電阻等是影響雜散電流和鋼軌電位分布的重要因素。李嘉成［44］基于傳輸線理論，建立了軌-地、軌-排-地、軌-排-結(jié)構(gòu)鋼筋等結(jié)構(gòu)模型，給出了過渡電阻不均勻分布時的一般處理方法，對比分析了單區(qū)間雙機車和雙區(qū)間雙機車情況下的雜散電流分布規(guī)律，雙邊供電的雜散電流明顯少于單邊供電。張澤萌等人［45］在鋼軌－埋地金屬－大地和鋼軌－排流網(wǎng)－埋地金屬－大地兩種回流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，利用仿真軟件對比分析了在不同牽引供電方式下兩種回流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的雜散電流和鋼軌電位分布情況及其影響因素。當前，大城市軌道交通多采用多端供電方式，現(xiàn)有的單邊或雙邊供電仿真模型已難以適應(yīng)。

在列車行車數(shù)量方面，Pavel Svoboda等［46］通過MATLAB搭建了單列車運行狀況下的雜散電流的Simulink仿真模型，分析了雜散電流最有可能流經(jīng)路徑。樓錦君［47］等基于城軌供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立了供電系統(tǒng)動態(tài)潮流計算模型，分析了多列車、多變電所并列運行條件下系統(tǒng)潮流的動態(tài)變化情況、鋼軌電位及雜散電流分布規(guī)律，表明列車運行功率重合度對鋼軌電位和雜散電流有較大影響。梅進武［48］基于離散模型、電流注入法和疊加定理研究了多列車運行情況下雜散電流分布。汪佳［49］建立了鋼軌-排流網(wǎng)-埋地金屬-大地四層地網(wǎng)結(jié)構(gòu)模型，采用微元算法和疊加原理，仿真了某地鐵線路多列車運行時全線雜散電流的分布規(guī)律。Ade Ogunsola等［50］將列車與回流系統(tǒng)整合考慮，建立了基于機電一體化的雜散電流分布模型，分析了多列車同時加速運行時雜散電流的分布情況以及對排流網(wǎng)對雜散電流搜集效果的影響。

在土壤電阻率取值方面，F(xiàn)abio Fichera等［51］在連續(xù)雜散電流分布模型的基礎(chǔ)上，分析了土壤電阻率變化對埋地金屬管線雜散電流分布情況的影響。Charalambous等［52］根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)和土壤組成，建立基于列車復(fù)雜運行工況的雜散電流分布模型，研究分析了城軌交通系統(tǒng)重要基礎(chǔ)設(shè)施中的雜散電流泄漏情況。裴瀟湘等［53］以城市地鐵地下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立了基于電場理論的雜散電流分布場模型，與基于電路理論的雜散電流分布模型作對比，研究分析了不同大小的雜散電流在均勻和非均勻土壤層中的分布情況。申寧等［54］針對實際城軌工程中出現(xiàn)的雜散電流問題，在非均勻電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于電場理論利用仿真軟件對不均勻過渡電阻條件下的雜散電流分布情況進行了研究分析，為研究實際工程中雜散電流的分布情況提供了理論參考。鄭子璇［55］等研究了多區(qū)間絕緣非均勻情況下鋼軌電位與雜散電流，研究結(jié)果表明當多點絕緣薄弱時，雜散電流水平會大大增加，有效解釋了實際城軌線路雜散電流幅值較大的情況，在鋼軌電位與雜散電流控制時，應(yīng)重視絕緣非均勻情況。林曉鴻［56］建立了地鐵供電網(wǎng)絡(luò)交直流潮流計算及牽引回流地網(wǎng)雜散電流計算模型，該模型考慮了線路不均勻地網(wǎng)電氣參數(shù)，研究了復(fù)線地鐵線路多區(qū)間雜散電流分布。

圖3 軌道交通回流系統(tǒng)多區(qū)間絕緣非均勻示意圖[55]Fig.3 Schematic diagram of inhomogeneous insulation in multiple sections of rail transit return system

在列車牽引策略方面，劉穎熙［57］基于n層回流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了不同牽引策略下的回流系統(tǒng)雜散電流動態(tài)分布模型，總結(jié)了不同牽引策略下的鋼軌電位和雜散電流的分布規(guī)律。Charalambous等［58］考慮到列車牽引節(jié)能裝置的工作特點，研究分析了再生制動能量回饋對回流系統(tǒng)雜散電流的影響。蔡智超［59］等研究了考慮地鐵車輛牽引因素下雜散電流的規(guī)律，分析了牽引路徑中坡度、隧道長度、曲線半徑等相關(guān)阻力對雜散電流和軌道電壓的影響。

在地形地質(zhì)條件方面，李雷［60］等研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下的雜散電流分布，針對地形起伏建立了地形凹陷和地形隆起的多種組合模型，分析了地形起伏對電位和電流波動范圍和幅值的影響，研究結(jié)果表明復(fù)雜地質(zhì)條件在一定范圍下對地下電流的分布影響較大。

理想狀態(tài)下分析雜散電流時，認為牽引電流是一個恒定直流源，回流系統(tǒng)的相關(guān)介質(zhì)參數(shù)只考慮電阻，即鋼軌縱向電阻、軌地過渡電阻。從回流系統(tǒng)的特征來看，牽引電流雖然是直流電流，但其大小變化迅速且方向也會變化，可看作是一個暫態(tài)時變變量［61］。按照穩(wěn)態(tài)模型進行軌電位和雜散電流計算時，其值均很小，而實際運行經(jīng)驗表明，軌電位和雜散電流往往會出現(xiàn)較大的數(shù)值，穩(wěn)態(tài)模型無法解釋這一現(xiàn)象。因此，有必要研究影響軌地電位的其它因素，建立能夠反映實際情況的回流系統(tǒng)模型。李國欣［61］根據(jù)回流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用等效圓柱體法對回流系統(tǒng)暫態(tài)參數(shù)進行計算，并基于回流系統(tǒng)暫態(tài)參數(shù)建立偏微分方程組形式的雜散電流暫態(tài)模型，研究分析了回流系統(tǒng)暫態(tài)參數(shù)對雜散電流和鋼軌電位分布及幅值的影響。

2.1.2 現(xiàn)狀分析

已有很多學者針對軌道交通回流系統(tǒng)進行了仿真研究，其中穩(wěn)態(tài)模型多，暫態(tài)模型較少，有研究表明暫態(tài)模型仿真結(jié)果更加接近實際情況。此外，影響軌道交通的雜散電流的因素眾多，仿真研究多是基于各種假設(shè)條件進行的，例如假設(shè)各層的縱向電阻均勻分布、各層之間的過渡電導(dǎo)均勻分布、運行區(qū)間內(nèi)無坡道和彎道，列車運行在平直軌道上、列車運行阻力只包含基本阻力、列車制動時采用再生制動方式、饋電線路的阻抗忽略不計、當采用雙側(cè)供電時，兩側(cè)供電電壓一致等。由于實際中土壤電阻率分布不均勻、地形復(fù)雜、列車采用多邊供電、且有多條軌道交通線路的多列車同時運行，仿真往往只能反映某一個或幾個影響因素對雜散電流的影響規(guī)律，很難完全還原軌道交通實際運行中的雜散電流。

特別是在國際上廣泛采用多端供電的情況下，雜散電流的產(chǎn)生及分布更加復(fù)雜，現(xiàn)有的單邊或雙邊供電仿真模型已不適用。同時，由于雜散電流的不確定性增加，十分有必要通過結(jié)合檢測和實測，對仿真模型和算法進行修改和完善。

2.2 電網(wǎng)變壓器直流偏磁仿真

2.2.1 仿真現(xiàn)狀

電網(wǎng)變壓器直流偏磁的仿真主要包括直流單極運行導(dǎo)致的直流偏磁仿真和軌道交通雜散電流導(dǎo)致的直流偏磁仿真。

在直流單極運行導(dǎo)致的直流偏磁仿真方面，張波［62］等基于場路耦合思想，建立了直流接地極、交流接地網(wǎng)和交流輸電線路的數(shù)值計算模型，通過仿真預(yù)測了直流單極運行時交流電網(wǎng)的直流電流分布。通過分析得到了直流電流的影響因素包括：線路兩端的電位差、大地在線路兩端的等效阻抗、線路的等效直流電阻等。潘卓洪［63］等建立了場路耦合模型，將直流電流分布的評價標準進行了細化，量化分析了電網(wǎng)規(guī)模和覆蓋地區(qū)面積、變壓器參數(shù)、中性點接地方式等對電網(wǎng)直流電流分布的影響。阮羚［64-65］等建立了考慮深層大地電阻率的地表電位分布和變電站間相互電位耦合的計算模型，并結(jié)合湖北電網(wǎng)的變壓器中性點直流電流的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，說明考慮深層大地電阻率參數(shù)情況下直流電流分布的計算結(jié)果較過往的經(jīng)典模型具有更高精度，同時還研究了深層大地電阻率對直流分布的影響，指出為準確分析直流電流在交流電網(wǎng)的分布，必須按實際大范圍的大地電阻率進行建模。周友斌［66］等通過仿真建模研究了分布式接地極對直流偏磁的影響，結(jié)果表明采用分布式接地極后地表電位局部集中的問題得到一定程度上的改善，交流電網(wǎng)內(nèi)變壓器直流偏磁風險有所降低。王曉希［67］等分析了深層大地電阻率下的直流偏磁電流特征，從理論上證明了直流輸電的入地電流傾向于在大地深處分布的現(xiàn)象。

在軌道交通雜散電流導(dǎo)致的直流偏磁仿真方面，伍國興［68］等建立了地鐵雜散靜態(tài)分布模型及交流電網(wǎng)仿真模型，分析了雜散電流引起的電網(wǎng)變電站地電位變化和變壓器中性點直流電流的分布特性，結(jié)果表明變壓器中性點直流的主要影響因素為地鐵運行工況、變電站與地鐵密集區(qū)域的距離、土壤電阻率等。王士營［69］建立了場路耦合的電網(wǎng)直流分布計算模型，分析了地鐵列車穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程中的沿線電網(wǎng)接地回路電流分布，包括兩站式和三站式的接地回路，并研究了電網(wǎng)回路數(shù)、接地網(wǎng)的面積等對電網(wǎng)中的直流幅值及分布的影響規(guī)律。彭平［70］等研究考慮了地鐵牽引電流、雜散電流泄漏路徑及直流偏磁電流回路，建立了雜散電流引起變壓器直流偏磁的電阻模型，采用LU分解法求解地鐵沿線流經(jīng)變壓器中性點的雜散電流。Aimin Wang［71］等建立了軌道交通系統(tǒng)與電網(wǎng)的耦合模型，Pei Yuan［72］等基于地鐵運行數(shù)據(jù)和電網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立了雜散電流與電網(wǎng)直流偏磁電流的數(shù)值模型，Kun Yu［73］等分析了地鐵極化電位與電網(wǎng)變壓器中性點直流電流的相關(guān)性，并建立了軌道交通雜散電流與電網(wǎng)的仿真模型，其中軌道交通為雙端供電方式，電網(wǎng)模型為兩站式模型。史云濤［74］等研究了城市電網(wǎng)中地鐵雜散電流分布規(guī)律及影響因素，建立了某片電網(wǎng)220 kV及以上電壓等級交流電網(wǎng)的雜散電流分布仿真模型，通過變壓器中性點實測的直流電流數(shù)據(jù)對仿真模型進行了校驗，仿真結(jié)果表明，輸電線路、避雷線及大地中均存在雜散電流，雜散電流在電網(wǎng)中主要通過輸電線路進行傳播。

2.2.2 現(xiàn)狀分析

圖4 地鐵引起接地回路直流示意圖[69]Fig.4 Schematic diagram of DC current in grounding loop caused by metro

目前，軌道交通雜散電流對電網(wǎng)影響的研究尚處于起步階段，在研究軌道交通雜散電流導(dǎo)致的直流偏磁問題時，不僅要建立軌道側(cè)回流系統(tǒng)仿真模型，還要建立電網(wǎng)側(cè)的仿真模型，現(xiàn)階段的仿真研究多對電網(wǎng)側(cè)進行了簡化，例如只研究兩站式或三站式的仿真模型，認為雜散電流從一個變電站的變壓器中性點流入，從另外一個變電站的變壓器中性點流出。但實際電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及到的變電站很多，電網(wǎng)側(cè)的仿真模型過于簡化，無法反映實際情況。且隨著電網(wǎng)運行方式的變化，軌道交通雜散電流在電網(wǎng)中的流經(jīng)路徑也可能發(fā)生變化。

軌道交通雜散電流所導(dǎo)致的電網(wǎng)直流偏磁電流與直流單極運行、地磁暴所導(dǎo)致的電網(wǎng)直流偏磁電流不同，具有幅值小、范圍小、頻率高、周期性、疊加性等特點，因此不能照搬電網(wǎng)直流偏磁電流的仿真模型及方法。亟需建立同時考慮電網(wǎng)側(cè)和地鐵側(cè)的仿真模型。

3 監(jiān)測方法與工程實踐進展

3.1 軌道交通直流牽引系統(tǒng)雜散電流

3.1.1 雜散電流檢測及監(jiān)測現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的軌道交通雜散電流的監(jiān)測多采用參比電極法，通過間接參數(shù)極化電位來反映金屬結(jié)構(gòu)的腐蝕情況?；趨⒈入姌O的雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)［75］主要由參比電極、預(yù)設(shè)測量端子、雜散電流傳感器、智能監(jiān)測裝置、數(shù)據(jù)傳輸通道和管理系統(tǒng)構(gòu)成。雜散電流在線監(jiān)測系統(tǒng)的通信方式包括有線網(wǎng)絡(luò)［76］、GPRS網(wǎng)絡(luò)［77］和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)［78］等方式。

參比電極法需要在軌道交通沿線布置大量監(jiān)測點，監(jiān)測點將參比電極與預(yù)設(shè)測量端子之間的電位差信號上傳到雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)，分析處理后，通過電位偏移值判斷腐蝕程度。參比電極監(jiān)測系統(tǒng)主要有3種形式：分散式、集中式和分布式［79］。參比電極監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的參數(shù)為：軌地過渡電阻、鋼軌縱向電阻、參比電極本體電位、鋼軌電位、埋地金屬極化電位正向偏移值。

圖5 雜散電流密度與極化電位關(guān)系[80]Fig.5 Relationship between stray current density and polarization potential

在實際應(yīng)用中，參比電極法存在以下問題：

1）參比電極電位易受到干擾

極化電位本質(zhì)上屬于電化學范疇，不是直接的電氣量，參比電極電位容易受到周圍環(huán)境的影響。參比電極與被監(jiān)測對象的距離、周圍混凝土介質(zhì)酸堿度、潮濕度等均是參比電極電位的影響因素；軌道交通線路敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜，部分高架線路曾出現(xiàn)過由于混凝土干燥而無法測量極化電位的情況；參比電極長時間使用后會出現(xiàn)本體電位漂移，若不及時修正，將會給監(jiān)測結(jié)果帶來較大誤差［81］。

2）軌地過渡電阻測試困難

軌地過渡電阻能夠反映軌地絕緣水平，在線測試軌地過渡電阻時，通常把排流柜作為測試電源，測量兩端排流量、排流柜電位和列車位置處鋼軌電位，上述3個參數(shù)難以準確測量或者直接測量，導(dǎo)致軌地過渡電阻測試困難［82］。

3）監(jiān)測范圍有限

傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)通常只在變電所附近或者某些特定的區(qū)域設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測數(shù)據(jù)只能反映監(jiān)測點附近小范圍內(nèi)的雜散電流腐蝕情況，無法反映地鐵全線區(qū)間雜散電流腐蝕情況。而且，埋地金屬結(jié)構(gòu)極化電位只能反映是否受雜散電流腐蝕，并不能反映具體的雜散電流量值［83］。

4）存在“IR”降誤差

由于混凝土結(jié)構(gòu)電阻率大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)鋼筋與參比電極之間的電阻很大，測量兩者之間的電位差時，即使電流很小，電壓降也會很大，導(dǎo)致參比電極與結(jié)構(gòu)鋼筋之間的電壓差計算不準確，給測量帶來了誤差。

針對參比電極法存在的問題，尤其是“IR”降誤差問題，國內(nèi)外研究學者提出了“IR”降誤差修正方法，如采用雙參比電極方法消除“IR”降誤差，消除“IR”降誤差的數(shù)字測量方法等［84-85］。此外，也有學者提出了新型的軌道交通雜散電流檢測或監(jiān)測方法，穆明亮［86］提出了基于回流系統(tǒng)參數(shù)的雜散電流檢測方法，通過回流系統(tǒng)參數(shù)建立雜散電流的計算模型，檢測結(jié)果過度依賴于回流系統(tǒng)參數(shù)結(jié)果的準確性，實用性不強。英國雷迪公司提出的SCM雜散電流檢測方法［87-88］，通過檢測雜散電流引起的磁場來間接反應(yīng)雜散電流大小與分布。陳勇、殷爽［89-90］等提出了鋼軌泄漏電流的直接測量方法，將一個供電區(qū)間分成若干個監(jiān)測區(qū)段，在每個監(jiān)測區(qū)段的鋼軌上安裝泄漏電流監(jiān)測的傳感器，計算每個區(qū)段內(nèi)兩個傳感器檢測的電流差值，實現(xiàn)電流泄漏比例和鋼軌對地過渡電阻的監(jiān)測。

3.1.2 雜散電流檢測及監(jiān)測現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)的參比電極法不直接監(jiān)測軌道交通雜散電流的大小，而是通過極化電位這個電化學參量來間接反映雜散電流的大小。雖然傳統(tǒng)的參比電極法存在一些問題，但在工程實際中監(jiān)測軌道交通雜散電流時應(yīng)用較多，如國內(nèi)的上海、廣州等地均有應(yīng)用。新型的直接測量鋼軌泄漏電流的方法，由于需要在鋼軌上安裝泄漏電流檢測傳感器，該方法在已投運的線路中安裝難度大，更適合在新建的線路中使用，且要實現(xiàn)全線雜散電流的監(jiān)測，投資大。SCM雜散電流檢測方法，由于主要依賴于磁場的檢測，而磁場容易受到外界因素的干擾，其準確性有待進一步優(yōu)化和驗證。

上述方法由于均未考慮電網(wǎng)供電側(cè)有關(guān)的參數(shù)及直流偏磁電流的同步監(jiān)測和分析，開展軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流與電網(wǎng)直流偏磁電流的同步監(jiān)測是一個新思路。

3.2 電網(wǎng)直流偏磁電流

3.2.1 電網(wǎng)直流偏磁檢測及監(jiān)測現(xiàn)狀

為掌握電網(wǎng)變壓器直流偏磁情況，研發(fā)了電網(wǎng)變壓器直流偏磁在線監(jiān)測系統(tǒng)，在線監(jiān)測系統(tǒng)一般由傳感器、監(jiān)測終端、通信裝置、監(jiān)控后臺、后臺服務(wù)器等。一般選擇在變壓器中性點監(jiān)測直流偏磁電流，根據(jù)變壓器中性點扁鐵的尺寸及結(jié)構(gòu)等，主流的傳感器包括霍爾傳感器和電阻式式傳感器［91-92］。此外，趙娟［93］等提出了一種C型結(jié)構(gòu)磁通門傳感器，通過提取變壓器鐵芯部分磁通，實現(xiàn)變壓器直流磁通的檢測。

圖6 直流偏磁電流傳感器Fig.6 Sensors used to detect DC bias

3.2.2 電網(wǎng)直流偏磁檢測及監(jiān)測評述

電網(wǎng)直流偏磁的檢測及監(jiān)測主要涉及傳感器的安裝問題、數(shù)據(jù)的傳輸和同步、直流偏磁事件的識別、直流偏磁電流的提取等問題。其中C型結(jié)構(gòu)磁通門傳感器，由于需要直接接觸變壓器鐵芯，在現(xiàn)場實際中應(yīng)用困難，還停留在實驗室樣機階段。不同變壓器中性點支柱的扁鐵數(shù)量存在差異，現(xiàn)場安裝傳感器時，需要考慮安全問題。如何優(yōu)化傳感器的數(shù)量，減少投資也是值得研究的問題。

目前，雖然已開展了電網(wǎng)直流偏磁電流的同步監(jiān)測，甚至實現(xiàn)了湖北-上海直流沿線部分站點的直流電磁電流的同步監(jiān)測，為研究分析直流偏磁電流提供了支撐，但未開展電網(wǎng)直流偏磁電流與軌道交通雜散電流的同步監(jiān)測。同時，如何分析軌道交通雜散電流和電網(wǎng)直流偏磁的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并進行定量，是值得研究的問題。

4 國際相關(guān)標準現(xiàn)狀

4.1 軌道交通雜散電流

在軌道交通雜散電流方面，歐洲標準EN 50122及IEC 62128-2規(guī)定了軌條電阻、走行軌與金屬預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)間電導(dǎo)率、軌道對地電導(dǎo)率等的測量方法，提出了經(jīng)走行軌流入大地的雜散電流估算方法，鋼軌電位持續(xù)監(jiān)測方法，通過鋼軌電位的監(jiān)測來評估雜散電流的大小。中國標準《GB/T 28026.2軌道交通地面裝置電氣安全、接地和回流第2部分直流牽引供電系統(tǒng)》是翻譯的IEC 62128-2，與其等同。英國標準BS EN 50162規(guī)定了軌道交通雜散電流的識別和測試方法，并從電源側(cè)和受影響的構(gòu)筑物兩個方面分別提出了減少雜散電流影響的措施。

中國標準《CJJ/T 49-2020地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)規(guī)程》地鐵雜散電流防護工程的設(shè)計、施工、驗收、檢驗、移交、監(jiān)控控制和維護等方面提出了具體的要求。標準《GB 50157-2013地鐵設(shè)計規(guī)范》針對雜散電流的防護與接地也提出了相關(guān)的具體要求。

表1 雜散電流領(lǐng)域相關(guān)標準Table 1 Relevant standards in stray current field

4.2 電網(wǎng)變壓器直流偏磁

在電網(wǎng)變壓器直流偏磁方面，IEC 60076針對變壓器抗直流偏磁能力提出了具體要求，抗直流偏磁能力主要與變壓器的結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)。IEEE C57.163（TM）針對電磁暴對變壓器直流偏磁的影響提出了相關(guān)要求。IEC 61869-1主要是關(guān)于變壓器參數(shù)測試的標準，該標準指出了直流偏磁對變壓器的影響。《DL/T 1957-2018電網(wǎng)直流偏磁風險評估與防御導(dǎo)則》規(guī)定了交流電網(wǎng)直流偏磁風險評估方法、主要步驟、基本流程和防御措施。

《DL/T 1786直流偏磁電流分布同步監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》，《Q/GWD 11465-2015電網(wǎng)直流偏磁電流分布同步監(jiān)測技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定了電網(wǎng)直流偏磁電流及其分布監(jiān)測的布點原則、監(jiān)測裝置及同步監(jiān)測等技術(shù)要求。IEEE P2970規(guī)定了城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)雜散電流及分布同步監(jiān)測方法，適用于城市軌道交通直流牽引系統(tǒng)及電力變壓器中性點直流偏磁電流及分布的監(jiān)測，目前尚處于編制狀態(tài)。

表2 直流偏磁領(lǐng)域相關(guān)標準Table 2 Relevant standards in DC bias field

4.3 相關(guān)標準的現(xiàn)狀分析

在軌道交通雜散電流和電網(wǎng)變壓器直流偏磁領(lǐng)域雖然已有一些相關(guān)標準，但這些標準大多是針對本領(lǐng)域的，交叉領(lǐng)域的標準很少。如雜散電流領(lǐng)域的標準多是規(guī)定了雜散電流的測量、評估方法，減少雜散電流影響的相關(guān)措施等，這些標準并未涉及電網(wǎng)直流偏磁領(lǐng)域；而電網(wǎng)直流偏磁領(lǐng)域的相關(guān)標準，多是針對變壓器直流偏磁現(xiàn)象本身，或是針對地磁暴、直流單極運行導(dǎo)致的直流偏磁所制定的相關(guān)標準。根據(jù)前文所述，軌道交通雜散電流所導(dǎo)致的電網(wǎng)變壓器直流偏磁與地磁暴、直流單極運行所導(dǎo)致的直流偏磁特點有很大的差異，因此已有的電網(wǎng)變壓器直流偏磁的相關(guān)標準無法指導(dǎo)軌道交通雜散電流所導(dǎo)致的直流偏磁的相關(guān)工作。

目前，歐美及中國均未對軌道交通雜散電流與電網(wǎng)直流偏磁電流的關(guān)聯(lián)耦合、同步監(jiān)測等方面制定相關(guān)標準和技術(shù)導(dǎo)則。

5 關(guān)鍵問題研究的需求及展望

軌道交通側(cè)和電網(wǎng)側(cè)雖然都已開展了相關(guān)的仿真研究和監(jiān)測，在軌道交通系統(tǒng)與電網(wǎng)的聯(lián)合仿真，軌道交通雜散電流與電網(wǎng)直流偏磁電流的同步監(jiān)測及系統(tǒng)，國際及國內(nèi)標準等方面均亟待研究。

5.1 軌道交通系統(tǒng)與電網(wǎng)的聯(lián)合仿真

為分析軌道交通雜散電流與電網(wǎng)變壓器直流偏磁電流之間的耦合和關(guān)聯(lián)關(guān)系，需要建立軌道交通系統(tǒng)與電網(wǎng)的聯(lián)合仿真模型。雖然現(xiàn)在已有較多研究學者建立了軌道交通雜散電流仿真模型、建立了電網(wǎng)直流偏磁電流仿真模型，但多是各自領(lǐng)域的獨立仿真，軌道交通系統(tǒng)與電網(wǎng)的聯(lián)合仿真較少。

在軌道交通系統(tǒng)與電網(wǎng)的聯(lián)合仿真方面，一方面雜散電流影響因素眾多，需要建立貼合實際地鐵運行的仿真模型，如多地鐵線路多列車同時運行時不同工況下的仿真模型等；另一方面，可通過現(xiàn)場實測的雜散電流數(shù)據(jù)來指導(dǎo)雜散電流仿真模型的建立，史云濤［74］等通過建立了某片電網(wǎng)的仿真模型，以某個變壓器中性點實際檢測的直流電流波形為依據(jù)，在仿真模型中注入實際的直流電流波形，研究了城市電網(wǎng)中的直流電流分布影響因素。雖然該模型考慮了電網(wǎng)實際拓撲結(jié)構(gòu)，但是雜散電流在電網(wǎng)中可能是多點同時注入的，多雜散電流源的仿真模型還有待進一步研究。此外，通過建立實際電網(wǎng)的仿真模型，研究不同電網(wǎng)運行方式下的仿真模型，有助于解釋雜散電流在交流電網(wǎng)的實際流經(jīng)路徑。

圖7 大地等效網(wǎng)絡(luò)模型示意圖[74]Fig.7 Schematic diagram of equivalent network model of the earth

5.2 軌道交通雜散電流與電網(wǎng)直流偏磁電流的同步監(jiān)測

軌道交通側(cè)和電網(wǎng)側(cè)都開展了各自側(cè)相關(guān)量的監(jiān)測，其中軌道交通側(cè)一般是通過參比電極，監(jiān)測結(jié)構(gòu)鋼筋極化電位，換算成金屬導(dǎo)體表面電流密度，極化電位是電化學量。雖然參比電極法存在一些問題，但目前工程多采用該方法。對軌道側(cè)來說，只關(guān)注了腐蝕情況，對雜散電流的實際大小關(guān)注較少。而軌道交通雜散電流除了對結(jié)構(gòu)鋼筋、埋地金屬有腐蝕效應(yīng)外，還會使得電網(wǎng)變壓器發(fā)生直流偏磁。通過極化電位無法反應(yīng)電網(wǎng)變壓器直流偏磁的情況。在電網(wǎng)側(cè)開展直流偏磁電流的同步監(jiān)測，一方面可解決雜散電流在軌道交通側(cè)無法直接監(jiān)測大小的問題，反映軌道交通雜散電流的實際大小情況；另一方面，現(xiàn)有的關(guān)于軌道交通雜散電流導(dǎo)致的電網(wǎng)直流偏磁的研究，多是通過間接物理量來分析雜散電流與直流偏磁電流的相關(guān)性，如分析振動、噪聲、列車運行時段與直流偏磁電流的相關(guān)性，屬于半定量分析，未做到真正的定量分析。因此，非常有必要對變壓器直流偏磁電流和軌道交通雜散電流開展多點同步監(jiān)測，有助于解析軌道交通雜散電流與直流偏磁電流的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)真正的電量分析與評估。

此外，軌道交通雜散電流與電網(wǎng)直流偏磁電流多點同步監(jiān)測尚缺乏相關(guān)指導(dǎo)依據(jù)，亟待開展相關(guān)標準編制工作。

綜上所述，通過開展軌道交通系統(tǒng)與電網(wǎng)的聯(lián)合仿真，可進一步揭示軌道交通雜散電流與電網(wǎng)直流偏磁電流的耦合關(guān)系，為軌道交通雜散電流與電網(wǎng)直流偏磁電流的同步監(jiān)測提供理論依據(jù)。開展軌道交通雜散電流與電網(wǎng)直流偏磁電流的同步監(jiān)測可為軌道交通系統(tǒng)與電網(wǎng)的聯(lián)合仿真提供數(shù)據(jù)支撐，促進仿真模型的修正完善。通過仿真和監(jiān)測，準確掌握軌道交通雜散電流和電網(wǎng)直流偏磁電流的耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系，可為軌道交通雜散電流和電網(wǎng)直流偏磁的治理提供依據(jù)，促進軌道交通和電網(wǎng)的和諧發(fā)展。

6 結(jié)論

1）城市軌道交通雜散電流會導(dǎo)致電網(wǎng)變壓器直流偏磁，雜散電流會腐蝕鋼軌、結(jié)構(gòu)鋼筋、埋地金屬等，嚴重時影響軌道交通、輸油、輸氣管道的安全運行，而直流偏磁電流會影響電網(wǎng)的安全運行。該問題跨領(lǐng)域、多學科交叉，為促進城市軌道交通與電網(wǎng)的和諧發(fā)展，需要多領(lǐng)域、多專業(yè)協(xié)同開展相關(guān)研究工作。

2）雜散電流與直流偏磁的仿真是研究兩者耦合關(guān)系的重要方法之一。目前主要偏重于在雜散電流和直流偏磁的獨立仿真，雜散電流與直流偏磁的聯(lián)合仿真少。由于雜散電流與直流偏磁的影響因素眾多，目前的仿真的往往基于各種假設(shè)，與軌道交通的實際運行情況、電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)及運行方式有一定差異，未來需要建立盡量貼近實際情況的聯(lián)合仿真模型，研究兩者相互影響的規(guī)律，為治理提供理論依據(jù)。

3）雜散電流與直流偏磁電流的同步監(jiān)測是研究兩者耦合關(guān)系的重要手段之一。目前在各自領(lǐng)域均已建立過監(jiān)測系統(tǒng)，但雜散電流與直流偏磁電流的同步監(jiān)測未見報道。且雜散電流的監(jiān)測多是監(jiān)測極化電位，只能反映腐蝕情況，無法反映實際的雜散電流量大小。通過監(jiān)測變壓器中性點的直流電流，可解決雜散電流在軌道交通側(cè)無法直接監(jiān)測大小的問題，反映軌道交通雜散電流的實際大小情況。通過同步監(jiān)測實現(xiàn)軌道交通雜散電流與電網(wǎng)直流偏磁電流關(guān)聯(lián)關(guān)系分析和對仿真結(jié)果的驗證提供技術(shù)支撐。此外，如何提取雜散電流與直流偏磁電流的特征量，量化分析兩者之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和規(guī)律也是未來值得研究的問題。

4）目前，軌道交通雜散電流與直流偏磁電流在各自領(lǐng)域均有相關(guān)的國際、國內(nèi)標準，暫無標準可指導(dǎo)雜散電流與直流偏磁電流的多點同步監(jiān)測。

5）碳達峰碳中和的大背景下，城市軌道交通將更迅猛發(fā)展，開展城市軌道交通雜散電流與電網(wǎng)直流偏磁電流耦合關(guān)系的研究，可助力軌道交通與電網(wǎng)的和諧發(fā)展。