劉 煒 鄭 杰 李 田 李思文 楊 龍

排流裝置對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流分布的影響

劉 煒1鄭 杰2李 田3李思文1楊 龍1

（1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 611756 2. 成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 成都 610031 3. 國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司益陽(yáng)供電分公司 益陽(yáng) 413000）

直流牽引供電系統(tǒng)中，排流裝置投入后究竟是改善還是惡化雜散電流一直飽受爭(zhēng)議。為此，該文建立了考慮排流裝置的鋼軌回流系統(tǒng)模型，并結(jié)合疊加原理推廣應(yīng)用于多牽引變電所時(shí)的雜散電流與鋼軌電位計(jì)算。通過(guò)CDEGS仿真和排流裝置的投退實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型在計(jì)算雜散電流和鋼軌電位方面的準(zhǔn)確性。并在此基礎(chǔ)上，分析了一次雜散電流和排流網(wǎng)收集雜散電流效率的影響因素。研究結(jié)果表明，國(guó)內(nèi)軌道交通工程排流網(wǎng)收集雜散電流的效率偏低，排流裝置投入后，一次雜散電流增大為未排流的4.87倍、5.34倍，二次雜散電流增大為未排流時(shí)的5.41倍和 4.63倍。

直流牽引供電系統(tǒng) 雜散電流 排流裝置 排流網(wǎng)

0 引言

在直流牽引供電系統(tǒng)中，較高的鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻只在軌-地絕緣良好且軌道環(huán)境干燥的情況下存在。實(shí)際上，由于鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻有限，總會(huì)有部分鋼軌回流泄漏至大地，這部分電流稱為雜散電流。雜散電流可引起金屬結(jié)構(gòu)腐蝕[1]，也能造成變電器主變壓器直流偏磁[2]等。

目前，對(duì)雜散電流的研究主要分為兩類：一是通過(guò)對(duì)回流系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真分析雜散電流與鋼軌電位的分布規(guī)律，研究其影響因素；二是研究防護(hù)治理措施，以盡可能減少其造成的負(fù)面影響。文獻(xiàn)[3]中，蔡智超等建立了地鐵雜散電流和地鐵車輛運(yùn)行特性之間的動(dòng)態(tài)分布模型，分析了線路坡度、隧道長(zhǎng)度、曲線半徑等相關(guān)阻力對(duì)雜散電流和鋼軌電壓分布的影響。文獻(xiàn)[4]中，C. A. Charalambous等在建模時(shí)考慮了扣件、絕緣墊、軌枕、絕緣塊等結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真分析了其對(duì)雜散電流分布規(guī)律的影響。文獻(xiàn)[5]中，朱峰等建立了“鋼軌-排流網(wǎng)-大地”三層網(wǎng)絡(luò)模型，并結(jié)合CDEGS仿真，討論分析了不均勻過(guò)渡電阻對(duì)雜散電流的影響。研究結(jié)果表明，不均勻過(guò)渡電阻雖然不會(huì)影響鋼軌上的壓降，但是會(huì)改變其分布情況，并且某處的鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻突然減小會(huì)導(dǎo)致雜散電流的總量增加。文獻(xiàn)[6]搭建了基于雙向可變電阻模塊的雜散電流與鋼軌電位的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為研究雜散電流與鋼軌電位動(dòng)態(tài)分布規(guī)律提供了新思路。文獻(xiàn)[7]中，杜貴府等建立了多牽引變電所多列車的動(dòng)態(tài)仿真模型，研究了系統(tǒng)功率分配對(duì)鋼軌電位的影響，并指出優(yōu)化系統(tǒng)功率分配可有效控制系統(tǒng)鋼軌電位異常升高問(wèn)題，從而減小雜散電流。

雜散電流防護(hù)措施主要包括縮短變電所距離、增大鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻、減小回流系統(tǒng)單位長(zhǎng)度電阻和增加均流線等[8-9]。文獻(xiàn)[10]中，劉煒等提出了一種計(jì)及城市軌道逆變回饋裝置的交直流統(tǒng)一供電計(jì)算方法，其仿真結(jié)果指出，可通過(guò)逆變回饋裝置調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率分配，改善鋼軌電位，進(jìn)而減小雜散電流。文獻(xiàn)[11-12]中，顧靖達(dá)和王淼等更是提出利用電力電子技術(shù)，改進(jìn)傳統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)，從源頭上解決雜散電流與鋼軌電位問(wèn)題。國(guó)內(nèi)的地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范中明確規(guī)定，在無(wú)砟道床中應(yīng)當(dāng)設(shè)置排流網(wǎng)，作為雜散電流腐蝕防護(hù)的重要部分[13]。文獻(xiàn)[14]中，牟龍華等推導(dǎo)了考慮排流網(wǎng)情況下的雜散電流計(jì)算公式，并指出安裝排流網(wǎng)后，鋼軌泄漏的雜散電流總量雖然不會(huì)減小，但是流入結(jié)構(gòu)鋼筋的雜散電流會(huì)明顯減小。文獻(xiàn)[15]通過(guò)CDEGS軟件仿真分析雜散電流分布規(guī)律，得出了排流網(wǎng)距鋼軌越近其收集效果越好、排流網(wǎng)與鋼軌之間電氣連接會(huì)加速鋼軌與排流網(wǎng)的腐蝕等結(jié)論。文獻(xiàn)[16]利用Matlab與有限元軟件，仿真分析了二極管接地系統(tǒng)中不同土壤結(jié)構(gòu)與排流網(wǎng)結(jié)構(gòu)對(duì)雜散電流的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)混凝土層電阻率為1 000W·m、下層土壤電阻率為300W·m時(shí)，排流網(wǎng)收集雜散電流效率可達(dá)86.32%。在國(guó)內(nèi)，每個(gè)牽引所均設(shè)置了雜散電流排流裝置，排流裝置通過(guò)二極管在排流網(wǎng)、地和負(fù)母排之間形成單向?qū)?。文獻(xiàn)[17]指出，回流系統(tǒng)等效電路模型時(shí)不應(yīng)只考慮正線，也應(yīng)當(dāng)考慮段場(chǎng)以及回流設(shè)備的行為過(guò)程。文獻(xiàn)[18]指出，在浮地系統(tǒng)中，使用雜散電流排流裝置，將使鋼軌電位和雜散電流增加，所以并不推薦把排流二極管作為防治雜散電流的措施。

排流裝置投入后究竟是改善還是惡化雜散電流一直存在爭(zhēng)論，絕大部分國(guó)內(nèi)地鐵供電系統(tǒng)的排流裝置都是“設(shè)而不投”。為此，本文首先建立包括排流裝置在內(nèi)的鋼軌回流系統(tǒng)模型，綜合分析排流裝置對(duì)雜散電流分布的影響，并通過(guò)CDEGS仿真驗(yàn)證模型的可靠性；然后分析雜散電流排流系統(tǒng)各參數(shù)對(duì)一次雜散電流與排流網(wǎng)效率的影響；最后在某地鐵進(jìn)行了單列車運(yùn)行的排流裝置投退實(shí)驗(yàn)，對(duì)比排流裝置不投與投入情況下的鋼軌電位分布與排流裝置電流分布情況，分析排流裝置對(duì)雜散電流分布的影響。

1 考慮排流裝置的鋼軌回流系統(tǒng)模型

為研究排流裝置對(duì)雜散電流的影響，本文建立了以單邊供電為基礎(chǔ)的三層鋼軌回流系統(tǒng)模型，如圖1所示。線路的起點(diǎn)坐標(biāo)為0；牽引變電所距起點(diǎn)的距離為A；忽略列車的長(zhǎng)度，將其視作節(jié)點(diǎn)，列車距起點(diǎn)距離為B；正線全長(zhǎng)為；列車從該牽引變電所取流為。在牽引變電所處安裝有排流裝置，其中地支路回流與排流網(wǎng)連接的支路回流之和為排流裝置總回路電流。從鋼軌泄漏至排流網(wǎng)或大地的總電流稱為一次雜散電流，部分一次雜散電流通過(guò)排流網(wǎng)回到鋼軌，另一部分從排流網(wǎng)泄漏至大地，此部分雜散電流稱為二次雜散電流。

圖1 單邊供電示意圖

假設(shè)全線鋼軌對(duì)排流網(wǎng)過(guò)渡電阻、排流網(wǎng)對(duì)地過(guò)渡電阻、鋼軌縱向電阻、混凝土電阻率與土壤電阻率為等效均勻參數(shù)[19]，且在符合實(shí)際情況下的可容許范圍內(nèi)變化[20]。鋼軌-排流網(wǎng)-大地回流系統(tǒng)微元結(jié)構(gòu)如圖2所示，取電流向右為正方向。

圖2 鋼軌回流系統(tǒng)模型

圖2中，z()為位置處的鋼軌電流（A）；p()為位置處的排流網(wǎng)電流（A）；zp()為位置處的鋼軌對(duì)排流網(wǎng)電壓（V）；pd()為位置處的排流網(wǎng)對(duì)地電壓（V）；z為鋼軌縱向電阻（mW/km）；p為排流網(wǎng)縱向電阻（W/km）；zp為鋼軌對(duì)排流網(wǎng)過(guò)渡電阻（W·km）；pd為排流網(wǎng)對(duì)地過(guò)渡電阻（W·km）。

由基爾霍夫定律有

其中

式中，1～4為根據(jù)邊界條件確定的系數(shù)。

以一個(gè)牽引所單獨(dú)作用為例，將線路始點(diǎn)、牽引所位置、列車位置、線路終點(diǎn)視為分割節(jié)點(diǎn)，全線劃分為三個(gè)部分。Case1為不投入排流裝置的情況，三個(gè)部分的邊界條件滿足式（2）～式（5）。

在線路始點(diǎn)有

在牽引所A處有

在列車B處有

在線路終點(diǎn)處有

Case2為排流裝置投入且導(dǎo)通的情況，考慮了排流裝置限流電阻pai后，邊界條件滿足式（2）、式（4）～式（6）。

在牽引所A處有

將不同情況下的邊界條件代入式（1），解包含三組未知系數(shù)的方程組，即可求得各部分系數(shù)，進(jìn)而求得全線電壓與電流分布。

計(jì)及全線陽(yáng)極區(qū)的泄漏電流，一次雜散電流s-zp和二次雜散電流s-pd分別為

定義排流網(wǎng)收集雜散電流的效率為

當(dāng)考慮多個(gè)牽引變電所的復(fù)雜供電情況時(shí)，可參考文獻(xiàn)[21]，將回流區(qū)間的“鋼軌-排流網(wǎng)-地”分布式參數(shù)電路模型等效為集中參數(shù)模型，并把各牽引變電所看作電源單獨(dú)作用，應(yīng)用疊加原理計(jì)算集中參數(shù)模型中鋼軌各節(jié)點(diǎn)的電位，進(jìn)而獲得雜散電流隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)分布結(jié)果。

2 排流裝置對(duì)雜散電流分布的影響

2.1 解析計(jì)算模型與CDEGS仿真模型參數(shù)設(shè)置

為驗(yàn)證模型在計(jì)算雜散電流與鋼軌電位方面的有效性，本文利用CDEGS軟件搭建了仿真模型，并將其仿真結(jié)果與本文模型的解析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。CDEGS仿真模型示意圖如圖3所示，模型中以半徑為48.00mm的實(shí)心導(dǎo)體等效替代P60型鋼軌[22]，并且以均勻布置的10.00mm涂層等效模擬鋼軌絕緣墊等。當(dāng)導(dǎo)體的涂層電阻率設(shè)置為100.00kW·m、土壤層電阻率設(shè)置為38.00W·m、混凝土層電阻率設(shè)置為250.00W·m時(shí)，利用文獻(xiàn)[23]中鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻測(cè)量方法，可以在CDEGS仿真模型中測(cè)試得到zp、pd，模型參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

圖3 CDEGS仿真模型示意圖

表1 模型參數(shù)設(shè)置

Tab.1 Parameter setting of the models

2.2 排流裝置投入前后雜散電流分布情況

對(duì)比分析Case1與Case2兩種情況下，不同位置處的鋼軌對(duì)排流網(wǎng)電壓分布情況如圖4所示；排流網(wǎng)對(duì)地電壓分布情況如圖5所示；鋼軌電流分布情況如圖6所示。圖中，Case1-A和Case2-A表示CDEGS仿真結(jié)果，Case1-B和Case2-B表示模型的解析計(jì)算結(jié)果。

圖4 鋼軌對(duì)排流網(wǎng)電壓分布

由圖4可知，全線鋼軌電位的解析計(jì)算結(jié)果與CDEGS仿真結(jié)果在Case1中相差不超過(guò)0.21V，在Case2中相差不超過(guò)0.51V，均不超過(guò)最高鋼軌電位的5.23%。由圖5可知，全線排流網(wǎng)電位的解析計(jì)算結(jié)果與CDEGS仿真結(jié)果在Case1與Case2中的差別均不超過(guò)0.10V。由圖6可知，在Case1、Case2中，鋼軌電流的解析計(jì)算結(jié)果與CDEGS仿真結(jié)果的差別均不超過(guò)2.58A，僅占總回流的0.43%。通過(guò)以上分析可知，模型的解析計(jì)算結(jié)果誤差較小，可以用于計(jì)算雜散電流分布，評(píng)估雜散電流大小。采用本模型計(jì)算的s-zp和s-pd以及的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 排流網(wǎng)對(duì)地電壓分布

圖6 鋼軌電流分布

表2 雜散電流分布計(jì)算結(jié)果

Tab.2 Calculation results of stray current distribution

由圖4可知，在Case1中，牽引變電所=1.00km處zp最低，列車處的zp最高。在Case2中，=1.00km處的zp抬升至0附近，列車處的泄漏電流密度相比Case1增加，全線的一次雜散電流相比Case1增加了8.10倍。由圖5可知，在Case1中，=4.60km處為排流網(wǎng)正負(fù)電壓分界點(diǎn)，在Case2中，全線的pd抬升，陽(yáng)極區(qū)的長(zhǎng)度增加了3.60km，s-pd相比Case1增加了11.42倍，減小23.32%。由圖6可知，由于全線鋼軌通過(guò)焊接等方式相互連接，全線鋼軌實(shí)現(xiàn)電氣連通，部分牽引變電所的電流會(huì)從2.00～20.00km區(qū)間的陽(yáng)極區(qū)鋼軌泄漏。當(dāng)投入排流裝置后，該部分的雜散電流將會(huì)增加7.82倍，且線路長(zhǎng)度影響一次雜散電流大小。

3 一次雜散電流與排流網(wǎng)效率的影響因素

不同情形下，zp、pd、p、對(duì)s-zp和的影響如圖7所示。鋼軌扣件的絕緣性能、污垢等會(huì)影響鋼軌對(duì)排流網(wǎng)過(guò)渡電阻值。當(dāng)p0.10W/km、pd=0.50W·km、=20.00km時(shí)，zp對(duì)s-zp與的影響如圖7a所示。在Case1和Case2中，隨著zp的增加，s-zp顯著減小，而逐漸減小并趨于穩(wěn)定。其原因在于，s-zp與s-pd雖然都有所增長(zhǎng)，但是s-zp增長(zhǎng)的倍數(shù)較小。在Case1中，當(dāng)zp＞15W·km后，s-zp不超過(guò)1.00A，趨近于48%，由此可知，當(dāng)鋼軌對(duì)排流網(wǎng)過(guò)渡電阻保持較高值時(shí)，約一半的雜散電流可以通過(guò)排流網(wǎng)收集。而在Case2中，即使保持較高的鋼軌對(duì)排流網(wǎng)過(guò)渡電阻值時(shí)，僅為21%。當(dāng)zp=15W·km時(shí)，s-zp達(dá)5.77A，為不投排流裝置時(shí)的6.72倍，s-pd為不投排流裝置時(shí)的 10.15倍。

排流網(wǎng)混凝土電阻率、土壤類型、土壤濕度會(huì)改變排流網(wǎng)對(duì)地過(guò)渡電阻。當(dāng)zp=3.00W·km、p= 0.10W/km、=20.00km時(shí)，pd對(duì)s-zp與的影響如圖7b所示。在Case1和Case2中，s-zp均隨pd增大而緩慢減小，而隨pd增加而顯著遞增。在Case1中，pd＞1.00W·km后，排流網(wǎng)效率可增加至65.5%，保持較高的排流網(wǎng)對(duì)地過(guò)渡電阻可減小二次雜散電流，減小對(duì)管道腐蝕。而在Case2中，仍不超過(guò)50.00%，pd從1.00W·km減小至0.30W·km時(shí)對(duì)的影響小于pd=1.00W·km時(shí)投入排流裝置的影響。

p由道床鋼筋電阻和道床塊間的連接電纜電阻組成。道床之間連接端子采用兩根95mm2電纜連接，可按照銅電阻率計(jì)算其電阻值。排流網(wǎng)截面大小、排流網(wǎng)施工質(zhì)量、道床之間的電氣連接都極大地影響了排流網(wǎng)縱向電阻。當(dāng)zp=3.00W·km、pd= 0.50W·km、=20.00km時(shí)，p對(duì)s-zp與的影響如圖7c所示。在Case1和Case2中，Case2情況下排流網(wǎng)收集效率較低，約為Case1的一半。隨著p的增加，s-zp的變化分別不超過(guò)0.30A和0.80A，但是隨p的增加而顯著遞減。在Case1中，p＜0.10W/km后，可超過(guò)50%，保持排流網(wǎng)良好貫通能有效提高排流網(wǎng)收集雜散電流的效率。

由于鋼軌全線電氣連通，線路長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)雜散電流產(chǎn)生影響。當(dāng)zp=3.00W·km，pd=0.50W·km，p=0.10W/km時(shí)，對(duì)s-zp與的影響如圖7d所示。隨著的增大，s-zp增大，逐漸減小，減小趨勢(shì)逐漸平緩。Case2情況下的對(duì)s-zp影響較大，即在排流裝置投入情況下，一次雜散電流更易受線路長(zhǎng)度影響，相比不排流情況，s-zp增加7倍以上。

4 單列車運(yùn)行時(shí)的排流裝置投退實(shí)驗(yàn)

4.1 單列車運(yùn)行時(shí)的排流裝置投退實(shí)驗(yàn)過(guò)程

課題組在非運(yùn)營(yíng)期間于某地鐵線路進(jìn)行了單列車運(yùn)行時(shí)投入排流裝置的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，直流牽引網(wǎng)切換至僅有A、B兩牽引所供電，列車于始所A出發(fā)，途經(jīng)B所，到達(dá)C所，后于同一行折返至A所，每所停留數(shù)秒。A、B兩所相距1.53km，線路全長(zhǎng)=41.00km。同時(shí)，在A、B兩所中采用16通道的同步采集裝置監(jiān)測(cè)各饋線電流、鋼軌電位、排流裝置總回路電流以及排流裝置地支路回流，供電系統(tǒng)示意圖如圖8所示。流經(jīng)列車的電流以及牽引網(wǎng)網(wǎng)壓通過(guò)車載運(yùn)行記錄系統(tǒng)測(cè)量。不同位置處監(jiān)測(cè)信號(hào)采用4G網(wǎng)絡(luò)同步授時(shí)。

圖8 供電系統(tǒng)示意圖

當(dāng)列車在B、C兩所之間，按照同一運(yùn)行工況共折返兩次，第一次運(yùn)行條件為全線排流裝置退出，第二次運(yùn)行條件為B所排流裝置投入。比較兩種情況下，A、B所的鋼軌電位和B所排流裝置電流，分別如圖9～圖11所示。

圖9 全線排流裝置退出時(shí)，A、B所鋼軌電位分布

圖10 B所排流裝置投入, A、B所鋼軌電位分布

圖11 B所排流裝置投入時(shí)排流裝置電流分布

由圖10和圖11可知，排流裝置總回流、地支路回流的尖峰時(shí)刻與A、B所鋼軌電位峰谷時(shí)刻對(duì)應(yīng)，同時(shí)也位于列車牽引取流出現(xiàn)尖峰時(shí)刻附近。取時(shí)刻1～4的測(cè)試記錄，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，其中1、3時(shí)，列車處于距B所0.22km處；2、4時(shí)，列車處于距B所1.43km處。

表3 典型時(shí)刻測(cè)量數(shù)據(jù)

Tab.3 Typical moment measurement data

由表3可知，排流高峰時(shí)刻，排流裝置地支路回流占排流裝置總回流的比例為93.98%，96.46%。

由于司機(jī)操作的較小差別，兩種工況下，列車處于同一位置的取流略有差異。

4.2 排流裝置投退實(shí)驗(yàn)雜散電流分析

課題組對(duì)該線路區(qū)段的zp進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，其結(jié)果為4.10W·km。同時(shí)，對(duì)該線路區(qū)段的多塊排流網(wǎng)（12.5m道床塊）縱向電阻進(jìn)行抽檢，單塊排流網(wǎng)道床塊的縱向電阻在1～2.5mW之間分布，道床塊之間電纜的螺栓連接也會(huì)加大p，在本算例中p取0.20W/km。

排流裝置投入后的雜散電流分布可以看作是A牽引所單獨(dú)作用和B牽引所（3、4時(shí)刻考慮排流裝置投入）單獨(dú)作用的雜散電流分布模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加。

B所單獨(dú)作用時(shí)的雜散電流分布情況如圖12所示。如果忽略0～1.53km范圍內(nèi)的一次雜散電流和二次雜散電流，則實(shí)驗(yàn)過(guò)程中排流裝置總支路電流近似為s-zp，排流裝置地支路電流可近似為s-pd。B牽引所單獨(dú)作用時(shí)，3、4時(shí)刻，約為6.02%、3.54%。pd變化情況下，采用Case2的模型計(jì)算結(jié)果得到的排流網(wǎng)收集雜散電流的效率與測(cè)量值之間的誤差如圖13所示。

圖12 B所單獨(dú)作用時(shí)雜散電流分布情況

圖13 B所單獨(dú)作用時(shí)，h 的模型計(jì)算結(jié)果與測(cè)量值的誤差

鋼軌電位與排流裝置電流計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。由表4結(jié)果可知，鋼軌電位模型計(jì)算結(jié)果與表3中測(cè)量值誤差最大為1.03V，為實(shí)際鋼軌電位的9.94%；排流裝置總回流計(jì)算結(jié)果誤差最大為5.21A，為實(shí)際排流裝置總回流的7.85%；地支路電流誤差最大為7.62%。模型計(jì)算結(jié)果可信。

表4 鋼軌電位與排流裝置電流計(jì)算結(jié)果

Tab.4 Calculation result of rail potential and drainage device

排流裝置未投入時(shí)，列車取流較大的典型時(shí)刻1、2，排流網(wǎng)收集雜散電流的效率為16.92%、12.77%。較低的原因分析如下：?jiǎn)螇K道床塊的縱向電阻較設(shè)計(jì)要求值偏大，采用螺栓連接短道床塊鋼筋籠，連接電阻也增大了p。國(guó)外的做法，排流網(wǎng)采用絕緣安裝的貫通裸導(dǎo)線與道床鋼筋籠焊接的形式，加強(qiáng)排流網(wǎng)的電氣連通性能，值得國(guó)內(nèi)考慮。另外，應(yīng)加強(qiáng)排流網(wǎng)設(shè)計(jì)和施工時(shí)的絕緣安裝性能，提高pd。

排流裝置投入時(shí)，3、4時(shí)刻，當(dāng)B所單獨(dú)作用時(shí)，排流裝置總回流占到了一次雜散電流的99.6%。當(dāng)A、B所共同作用時(shí)，一次雜散電流顯著增大為未排流時(shí)的4.87倍、5.34倍。二次雜散電流增大為未排流時(shí)的5.41倍、4.63倍。降低至7.75%、7.96%。排流裝置投入后，一次雜散電流和二次雜散電流都顯著增大。

5 結(jié)論

本文采用理論建模、CDEGS仿真驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證的方法研究了排流裝置對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)雜散電流分布的影響，得出了以下結(jié)論：

1）本文建立了考慮排流裝置的鋼軌回流系統(tǒng)模型，應(yīng)用疊加原理計(jì)算鋼軌電位與雜散電流分布，通過(guò)一次雜散電流s-zp、二次雜散電流s-pd和排流網(wǎng)收集雜散電流的效率來(lái)分析排流裝置的投入對(duì)雜散電流分布的影響。該模型的計(jì)算結(jié)果與CDEGS仿真模型分析結(jié)果吻合。

2）s-zp主要受zp、、排流裝置是否排流的影響，主要受p、pd與排流裝置是否排流的影響。當(dāng)較低時(shí)，可以通過(guò)減小排流網(wǎng)縱向電阻或增大排流網(wǎng)對(duì)地過(guò)渡電阻來(lái)提高。投入排流裝置后降低，一次雜散電流顯著增加。

3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和分析表明，受p和pd影響，國(guó)內(nèi)軌道交通工程排流網(wǎng)收集雜散電流的效率偏低。排流裝置投入后，s-zp顯著增大為未排流時(shí)的4.87倍、5.34倍。s-pd增大為未排流時(shí)5.41倍、4.63倍。

[1] 張宏亮, 金海, 張絲鈺, 等. 納米氧化石墨烯/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的電極極化現(xiàn)象[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(23): 5591-5599.

Zhang Hongliang, Jin Hai, Zhang Siyu, et al. Elec- trode polarization in graphene oxide/epoxy resins nanocomposites[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2018, 33(23): 5591-5599.

[2] 李曉華, 褚福源, 時(shí)勝寒. 軌道交通對(duì)沿線220kV變電站中性點(diǎn)電流及振動(dòng)影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(增刊2): 423-429, 437.

Li Xiaohua, Chu Fuyuan, Shi Shenghan. Influence of rail transit on neutral current and vibration of 220kV substation along the line[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(S2): 423-429, 437.

[3] 蔡智超, 程浩, 林知明. 考慮地鐵車輛牽引因素下雜散電流的規(guī)律研究[J]. 電工電能新技術(shù), 2018, 37(8): 82-88.

Cai Zhichao, Cheng Hao, Lin Zhiming. Study of stray current considering traction factors of rail vehicles[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2018, 37(8): 82-88.

[4] Charalambous C A. Comprehensive modeling to allow informed calculation of DC traction systems’ stray current levels[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2017, 66(11): 9667-9677.

[5] 朱峰, 李嘉成, 曾海波, 等. 城市軌道交通軌地過(guò)渡電阻對(duì)雜散電流分布特性的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2018, 44(8): 2738-2745.

Zhu Feng, Li Jiacheng, Zeng Haibo, et al. Influence of rail-to-ground resistance of urban transit systems on distribution characteristics of stray current[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(8): 2738-2745.

[6] 楊曉峰, 薛皓, 鄭瓊林. 基于雙向可變電阻模塊的雜散電流與軌道電位動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(13): 2793-2805.

Yang Xiaofeng, Xue Hao, Trillion Q Zheng. Stray current and rail potential dynamic simulation system based on bidirectional variable resistance module[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(13): 2793-2805.

[7] 杜貴府, 田靜, 王玉琦, 等. 城軌供電系統(tǒng)功率分配影響下鋼軌電位異常升高研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2020, 64(5): 137-143.

Du Guifu, Tian Jing, Wang Yuqi, et al. Effect of power distribution on abnormal rise of rail potential in urban rail power supply system[J]. Railway Standard Design, 2020, 64(5): 137-143.

[8] Lobo Pires C. What the IEC tells us about stray currents: guidance for a practical approach[J]. IEEE Electrification Magazine, 2016, 4(3): 23-29.

[9] Sahil Bhagat, 楊曉峰, 王淼, 等. 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(23): 4851-4863.

Sahil Bhagat, Yang Xiaofeng, Wang Miao, et al. Review and evaluation of stray current mitigation for urban rail transit[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2021(23): 4851-4863.

[10] 劉煒, 婁穎, 張戩, 等. 計(jì)及城市軌道逆變回饋裝置的交直流統(tǒng)一供電計(jì)算[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(20): 4381-4391.

Liu Wei, Lou Ying, Zhang Jian, et al. Unified AC/DC power supply calculation taking into account urban rail inverter feedback devices[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(20): 4381- 4391.

[11] 顧靖達(dá), 楊曉峰, 鄭瓊林, 等. 基于不同接地方式與列車工況的負(fù)阻變換器牽引供電系統(tǒng)軌道電位與雜散電流[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(8): 1703- 1717.

Gu Jingda, Yang Xiaofeng, Trillion Q Zheng, et al. Rail potential and stray current on negative resistance converter traction power system under different grounding schemes and train conditions[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(8): 1703-1717.

[12] 王淼, 楊曉峰, 李世翔, 等. 城市軌道交通直流自耦變壓器牽引供電系統(tǒng)故障保護(hù)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(4): 976-989.

Wang Miao, Yang Xiaofeng, Li Shixiang, et al. Fault protection of DC auto-transformer traction power supply system for urban rail transit[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(4): 976-989.

[13] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范: GB 50157-2013[S]. 北京: 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2014.

[14] 牟龍華, 史萬(wàn)周, 張明銳. 排流網(wǎng)情況下地鐵迷流分布規(guī)律的研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2007, 29(3): 45-49.

Mu Longhua, Shi Wanzhou, Zhang Mingrui. Metro stray current distribution with current drainage net[J]. Journal of the China Railway Society, 2007, 29(3): 45-49.

[15] Lin Yanhua, Li Kunpeng, Su Mengmeng, et al. Research on stray current distribution of metro based on numerical simulation[C]//2018 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility and 2018 IEEE Asia-Pacific Symposium on Electro- magnetic Compatibility, Suntec City, Singapore, 2018: 36-40.

[16] Zaboli A, Vahidi B, Yousefi S, et al. Evaluation and control of stray current in DC-electrified railway systems[J]. IEEE Transactions on Vehicular Tech- nology, 2017, 66(2): 974-980.

[17] 劉煒, 楊龍, 李國(guó)玉, 等. 計(jì)及回流系統(tǒng)設(shè)備行為過(guò)程的鋼軌電位動(dòng)態(tài)仿真[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(4): 1000-1009.

Liu Wei, Yang Long, Li Guoyu, et al. Dynamic simulation of rail potential considering the equipment behavior process of recirculation system[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(4): 1000-1009.

[18] (德)基布嶺, 著. 電氣化鐵道接觸網(wǎng)[M]. 中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司, 譯. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2004.

[19] Charalambous C A, Aylott P, Buxton D. Stray current calculation and monitoring in DC mass-transit systems: interpreting calculations for real-life con- ditions and determining appropriate safety margins[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2016, 11(2): 24-31.

[20] Bongiorno J, Boschetti G, Mariscotti A. Low- frequency coupling: phenomena in electic trans- portation systems[J]. IEEE Electrification Magazine, 2016, 4(3): 15-22.

[21] 劉煒, 尹乙臣, 潘衛(wèi)國(guó), 等. 直流動(dòng)態(tài)雜散電流在分層介質(zhì)中的擴(kuò)散模型[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(23): 4864-4873.

Liu Wei, Yin Yichen, Pan Weiguo, et al. Diffusion model of DC dynamic stray current in layered soil[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(23): 4864-4873.

[22] 蔡力, 王建國(guó), 樊亞?wèn)|, 等. 地鐵走行軌對(duì)地過(guò)渡電阻雜散電流分布的影響[J]. 高電壓技術(shù), 2015, 41(11): 3604-3610.

Cai Li, Wang Jianguo, Fan Yadong, et al. Influence of the track-to-earth resistance of subway on stray current distribution[J]. High Voltage Engineering, 2015, 41(11): 3604-3610.

[23] 國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局, 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 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)雜散電流的防護(hù)措施: GB/T 28026.2-2018[S]. 北京: 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2018.

The Influence of Drainage Device on Stray Current Distribution in DC Traction Power Supply System

12311

（1. School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 611756 China 2. Chengdu Metro Operation Co. Ltd Chengdu 610031 China 3. Hunan Yiyang Electric Power Bureau Yiyang 413000 China）

In the DC traction power supply system, whether the stray current is improved or worsened after the drain device is put into use has always been controversial. Therefore, this paper establishes a rail reflux system model considering the drainage device, and applies it to the calculation of stray current and rail potential in multi-traction substations combined with the superposition principle. The accuracy of the model in calculating the stray current and rail potential is verified by CDEGS simulation and the drop-out experiment of the drain device. On this basis, the influence factors of the primary stray current and the efficiency of collecting stray current in the drainage net are analyzed. The results show that the efficiency of collecting stray current by the drainage net of domestic rail transit projects is relatively low. After the drainage device is put into operation, the primary stray current increases by 4.87 times and 5.34 times, and the secondary stray current increases by 5.41 times and 4.63 times.

DC traction power supply system, stray current, drainage device, drainage net

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200203

TM922.3

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃子課題（2017YFB1201103-05）和四川省自然科學(xué)基金（2022NSFSC0463）資助項(xiàng)目。

2020-03-01

2022-03-11

劉 煒 男，1982年生，副教授，研究方向?yàn)闋恳╇娤到y(tǒng)理論與仿真、雜散電流與鋼軌電位、再生制動(dòng)能量利用。E-mail: liuwei_8208@swjtu.cn（通信作者）

鄭 杰 男，1977年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌ü╇娤到y(tǒng)運(yùn)行與維保。E-mail: 14629435@qq.com

（編輯 崔文靜）