《IEEE Access》：Effects of Induced Current From High-Voltage Transmission Lines on Voltage-Limiting Device Operation in Electrified Monorail Systems
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本文探讨了高压交流输电线路与城市高架直流轨道交通线路并线运行时，其电磁耦合产生的感应电流对直流牵引网电压限制装置（VLD）运行效果的影响。研究通过建立列车-节点联合仿真模型，分析了曼谷黄线的实际运营数据。结果表明，VLD动作在钳制负轨电位的同时，会降低其附近的接触网正极电压。而感应电流的注入会抬升牵引网正负导体电位，且负导体更为敏感。研究揭示了复杂电磁环境下轨道交通系统电压安全的耦合机制，为VLD的优化设置提供了重要参考。
在城市高密度的立体交通走廊中，高架轨道线路常常与高压输电线路、市政管线等基础设施“比邻而居”，共享有限的空间资源。这种集约化的布局在带来便利的同时，也埋下了看不见的“暗流”——电磁干扰的隐患。想象一下，一条承载着数千伏直流电、为单轨列车提供动力的牵引网，与一条电压等级高达数十万伏的高压交流输电线路并行延伸。由于电磁感应现象，强大的交变磁场会在邻近的直流牵引网导体中“激发”出持续的交流感应电流。这股不受欢迎的“外来电流”会注入原本设计为直流的牵引供电系统中，带来一系列复杂且潜在危险的影响，对保障列车安全运行的电压限制装置（Voltage-Limiting Device, VLD）构成了新的挑战。
电压限制装置是直流电气化铁路系统中的关键安全设备，其核心使命是在特定条件下（如雷击或故障时），迅速将牵引网的负性回流导体与车站接地网短接，从而将钢轨电位和可能出现的接触电压限制在安全范围之内，保护乘客、维护人员及沿线设备的安全。然而，VLD的每一次动作，都意味着牵引供电网络拓扑结构的瞬间改变，这不仅会影响回流系统，也会波及为列车提供动力的正极接触网电压。在以往的研究和工程实践中，VLD的设置和整定主要考虑列车牵引、制动等自身负荷变化引起的电压波动。但当高压交流输电线路产生的感应电流叠加在直流系统上时，整个牵引网的电位分布将被重塑，VLD的工作环境变得前所未有的复杂。一个尖锐的问题随之浮现：在感应电流与VLD动作的双重影响下，牵引网的电压安全边界会发生怎样的变化？现有的VLD配置策略是否依然有效？这正是发表于《IEEE Access》的这项研究试图解答的核心问题。
为了深入探究这一耦合影响机制，研究人员构建了一个精细的仿真分析框架。他们首先开发了一个耦合了列车动态运行与直流牵引网络节点方程的联合仿真模型，能够精确模拟多列车在线路上运行时的实时负荷变化及网络电压响应。这个模型被应用于一个真实的工程案例——泰国曼谷的黄线跨座式单轨系统。通过设置五个对比鲜明的工况，研究层层递进地揭示了问题的全貌：从多列车正常运营的基线场景，到强制VLD动作的极端情况；从评估不同距离下高压交流输电线路磁场强度的衰减规律，到定量分析50安培至200安培不同强度的感应电流注入的影响；最后，还考虑了不同列车发车间隔（即线路负荷水平）对上述相互作用敏感度的影响。
研究团队通过仿真计算，得到了一系列揭示内在规律的量化结果。在“基线多车运营”场景中，研究刻画了无感应电流时，列车运行引起的牵引网电压自然波动特征。“强制VLD动作”场景则清晰地展示，VLD的闭合虽然成功地将负性导体的电位钳制在接近大地电位，但其副作用是导致动作点附近的接触网正极电压出现约30至40伏的下降，这可能会影响邻近列车的受电质量。在“磁场估计与高压线距离”分析中，研究量化了电磁耦合强度随并行间距增大而衰减的关系，为线路规划提供了参考。
最具启示性的发现来自“感应电流水平”分析。当在模型中引入感应电流后，牵引网正、负导体的对地电位均出现了整体抬升。值得注意的是，负性导体对感应电流的敏感度远高于正性导体。在所研究的感应电流范围内，负性导体电位的增幅达到了惊人的45%至178%。这意味着，感应电流的存在会显著改变牵引网各点对地的电压参考基准，可能使VLD在未达到原有动作阈值时就提前感知到危险信号，或干扰其正确判断。“发车间隔敏感性”分析则表明，增加列车发车间隔（降低线路负荷）能够有效减少由牵引负荷本身引起的钢轨电位波动，从而在一定程度上减弱VLD动作带来的电压扰动。然而，一个关键结论是：感应电流造成的影响具有“基底效应”的性质，即使在车流稀疏的轻负荷时段，其影响依然显著存在，不会因为列车负荷的减轻而消失。
这项研究综合运用了系统建模与仿真技术，核心是基于MATLAB平台开发的耦合列车运动-直流电网节点模型，该模型能够动态模拟列车位置、速度、牵引/制动功率与牵引供电网络电气状态的实时交互。研究以实际的曼谷黄线跨座式单轨系统的线路参数、列车数据及供电网络结构作为仿真的基础。通过设置多场景对比案例，包括基线运营、装置强制动作、外场耦合分析、干扰强度扫描和运营密度敏感性测试，系统地分离并量化了不同影响因素的作用。
研究得出以下主要结论：
- 1.
VLD动作的双重效应：电压限制装置在履行其安全职责、钳制负轨电位的同时，会作为一种网络扰动，导致其安装点附近的接触网正极电压出现一定程度的降低，这种副作用在装置优化布置时需要予以考虑。
- 2.
感应电流的全局性影响：高压交流输电线路通过电磁感应在直流牵引网中注入的交流电流，会普遍抬升牵引网正、负导体对地的电位水平。其中，负性回流导体对感应电流的敏感性显著高于正性接触网导体。
- 3.
影响因素的独立性：由牵引负荷变化引起的钢轨电位波动，可以通过增大列车发车间隔（降低运营密度）来缓解，并进而减弱VLD动作造成的局部电压扰动。然而，感应电流对牵引网电位的抬升效应是一种固有的、背景性的干扰，其强度主要取决于外部电磁场，与线路自身的列车负荷关系不大，因此在轻运营时段其影响依然明显。
- 4.
工程指导意义：该研究揭示了在高压输电线路与直流轨道交通线路共走廊的复杂电磁环境下，牵引网电压安全是内部负荷动态与外部感应干扰共同作用的耦合结果。这一认识对于在此类工程场景中，科学合理地选择电压限制装置的安装位置、优化其动作阈值整定、以及评估系统的整体电压安全裕度，提供了重要的理论依据和数据分析支持。
总之，这项研究将视野从牵引供电系统内部拓展至与外部基础设施的电磁交互界面，阐明了高压交流感应电流这一特定因素如何与直流牵引网的安全防护装置产生相互作用，并量化了其影响程度。其结论强调了在现代密集城市空间进行轨道交通规划与设计时，进行系统性电磁兼容分析和协同设计的必要性，对于提升同类工程的安全性与可靠性具有明确的实践价值。
