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    城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)和回流安全綜述

    2022-06-28 08:03:12楊曉峰鄭瓊林
    都市快軌交通 2022年2期
    關(guān)鍵詞:雜散城軌接觸網(wǎng)

    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(lái),隨著城市化進(jìn)程加快,城市軌道交通(簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)地共有50個(gè)城市開(kāi)通城軌交通線路,運(yùn)營(yíng)線路總里程達(dá)到9 192 km[1]。運(yùn)營(yíng)的城市軌道交通制式通常包括地鐵、有軌電車(chē)、輕軌、市域快軌等[2]。作為城軌交通的主要?jiǎng)恿?lái)源,直流牽引供電系統(tǒng)的安全供電技術(shù)至關(guān)重要。一方面,列車(chē)頻繁啟停過(guò)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(wèn)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(duì)軌道交通系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng)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(wèn)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(kāi)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(wèn)題及相關(guān)治理技術(shù)的最新研究成果,并對(duì)其中一些尚待解決的問(wèn)題進(jìn)行展望,為業(yè)內(nèi)同仁開(kāi)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(chē)等。當(dāng)列車(chē)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(chē)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(chē)運(yùn)行密度大、站間距小、啟停頻繁的特點(diǎn)[6],列車(chē)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?jī)H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(chē)吸收利用外,其余能量無(wú)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(lái),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(guò)高導(dǎo)致的列車(chē)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(guò)壓,制動(dòng)列車(chē)通常采用車(chē)載式或地面式制動(dòng)電阻以熱能的形式消耗[10]。其中車(chē)載式電阻制動(dòng)廣泛應(yīng)用于國(guó)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(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì),我國(guó) 2020年度的直流牽引能耗約占城軌交通總能耗的49%,可見(jiàn),充分利用列車(chē)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(duì)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(lái),列車(chē)再生制動(dòng)能量利用技術(shù)受到國(guó)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(chē)再生制動(dòng)能量利用措施包括列車(chē)運(yùn)行優(yōu)化、能量回饋式和儲(chǔ)能式方案[12-14]。接下來(lái)將分別對(duì)上述方案進(jìn)行總結(jié)。

    1.2.1 列車(chē)運(yùn)行優(yōu)化方案

    在城軌交通系統(tǒng)中通常多輛列車(chē)同時(shí)運(yùn)行,以此為基礎(chǔ),列車(chē)運(yùn)行優(yōu)化方案通過(guò)優(yōu)化列車(chē)發(fā)車(chē)間隔、上下行列車(chē)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(chē)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(chē)再生制動(dòng)能量被鄰近的牽引列車(chē)吸收利用,其原理如圖2所示。

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

    目前列車(chē)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(chē)運(yùn)行優(yōu)化方案無(wú)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(chē)運(yùn)行準(zhǔn)點(diǎn)率、車(chē)間追蹤間隔等影響顯著,當(dāng)實(shí)際列車(chē)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(chē)輛參數(shù)已知的條件下對(duì)列車(chē)運(yùn)行圖、運(yùn)行曲線進(jìn)行離線優(yōu)化,使列車(chē)按照優(yōu)化模式運(yùn)行,可增大列車(chē)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?chē)運(yùn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)列車(chē)再生制動(dòng)能量高效利用的技術(shù),在未來(lái)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(guò)在牽引所配置逆變能饋裝置直接將列車(chē)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(chē)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(guò)閾值時(shí),能饋裝置將列車(chē)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(zhǎng)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(chē)再生制動(dòng)能量回饋會(huì)對(duì)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(duì)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(wú)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(chē)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(chē)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(chē)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(wèn)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(chē)載式和地面式,其中車(chē)載式儲(chǔ)能裝置安裝于列車(chē)頂部或底部,快速回收列車(chē)再生制動(dòng)能量,并為該列車(chē)提供牽引能量,此外車(chē)載式儲(chǔ)能裝置可兼作臨時(shí)電源使列車(chē)短暫脫離接觸網(wǎng)運(yùn)行。目前車(chē)載式儲(chǔ)能裝置已在日本、西班牙、德國(guó)等城軌交通得到應(yīng)用[17]。然而,車(chē)載式儲(chǔ)能裝置的引入往往需要對(duì)列車(chē)車(chē)體進(jìn)行改造,硬件成本相對(duì)較高。受列車(chē)重量和空間制約,車(chē)載式儲(chǔ)能裝置容量有限,難以滿足列車(chē)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(chē)供電,且無(wú)需增加列車(chē)安裝空間和質(zhì)量,開(kāi)發(fā)成本低。目前地面式儲(chǔ)能裝置已在我國(guó)北京和青島、美國(guó)、日本、德國(guó)、法國(guó)等數(shù)十條城軌線路推廣,效果顯著[18]。

    此外,近年來(lái)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(shì),目前已在北京地鐵八通線掛線運(yùn)行,并且相對(duì)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(duì)比

    “列車(chē)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(yíng)的復(fù)雜性和不確定性,實(shí)際系統(tǒng)列車(chē)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(chē)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(lái)衡量列車(chē)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(wèn)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(chē)電流通過(guò)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(chē)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(chē)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(chē)體與鋼軌電氣連通,為避免跨步電壓對(duì)上下車(chē)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(mén)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(guò)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(yíng)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)[26]。為此,鋼軌電位抑制技術(shù)近年來(lái)受到國(guó)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(lái)將分別對(duì)上述方案進(jìn)行說(shuō)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(chē)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(chē)牽引電流及相應(yīng)的回流電流等級(jí)。目前,有軌電車(chē)多采用600 V和750 V的額定直流電壓;對(duì)于城市長(zhǎng)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(duì)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(lái)滿足大功率、長(zhǎng)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(wú)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(guò)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(guò)將二者并聯(lián)來(lái)降低鋼軌縱向電阻。此外,推廣無(wú)縫線路措施中將標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的鋼軌焊接構(gòu)成長(zhǎng)鋼軌線路,通過(guò)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(chē)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(cè)量環(huán)節(jié)。一旦檢測(cè)到鋼軌電位超過(guò)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(guò)高鋼軌電位對(duì)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(kāi);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(kāi)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(chē)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(duì)于城軌交通運(yùn)營(yíng),特別在高峰運(yùn)營(yíng)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(chē)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(yíng)[34]。

    3 雜散電流治理問(wèn)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(guò)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(duì)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(yíng)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(duì)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(yíng)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(lái),圍繞雜散電流問(wèn)題各國(guó)相繼出臺(tái)了一系列行業(yè)或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[37-40],雜散電流治理技術(shù)受到國(guó)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(cè)”的設(shè)計(jì)思想[41]。根據(jù)工作原理可將其大致分為4類(lèi):控制走行軌回流電流、阻礙回流電流對(duì)地泄漏、陰極保護(hù)對(duì)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?chē)蟮刂械牟糠郑s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(guò)提高直流接觸網(wǎng)壓、縮短牽引所間距等措施來(lái)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(chē)通過(guò)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(wèn)題[42]。但上述方案僅適用于新建線路,無(wú)法在既有城軌交通線路中推廣。

    3.2.2 阻礙回流電流對(duì)地泄漏方案

    通過(guò)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(duì)地泄漏[43]。軌地過(guò)渡電阻常被用來(lái)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(guò)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(wú)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(guò)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(duì)象方案

    陰極保護(hù)對(duì)象方案可有效防止雜散電流對(duì)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(duì)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(jiàn)的陰極保護(hù)方案包括犧牲陽(yáng)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(duì)象,無(wú)法完全消除雜散電流對(duì)其他區(qū)域所帶來(lái)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(lái)國(guó)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(guò)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(lái)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(zhǎng)的吸流間隙,此時(shí)列車(chē)電流仍會(huì)通過(guò)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(guò)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(guò)沿線路設(shè)置開(kāi)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(chē)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(wèn)題。上述電力電子硬件治理方案普遍處于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段,有待開(kāi)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(duì)比

    選擇幾種典型雜散電流治理技術(shù)開(kāi)展性能對(duì)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(chē)輛特殊設(shè)計(jì)改造,建設(shè)成本相對(duì)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(shì),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(kāi)展深入研究。

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

    4 結(jié)語(yǔ)

    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(wèn)題及其治理技術(shù)開(kāi)展了分類(lèi)綜述,詳細(xì)分析了各類(lèi)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(wèn)題,亟待開(kāi)展深入的研究:

    1) 作為解決列車(chē)再生制動(dòng)能量利用問(wèn)題的技術(shù)措施,列車(chē)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(chē)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(chē)站處鋼軌電位過(guò)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(chē)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(lái)的一個(gè)研究方向。

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

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