直流牵引供电系统中普遍存在钢轨电位过高的问题,而钢轨电位仿真一般仅考虑钢轨直流电阻模型。但是钢轨的不规则截面以及其铁磁特性导致钢轨交流内阻抗随频率变化而变化,这会对钢轨电位仿真结果有很大影响,所以构建考虑钢轨频率特性的钢轨电位动态仿真模型十分必要。在考虑频率特性的钢轨内阻抗计算过程中,钢轨的不规则截面以及其铁磁特性会大大增加了其计算难度。本文首先对比分析了现有考虑频率特性的钢轨交流内阻抗计算方法的利弊,选择利用管状导体模型计算钢轨不同频率下的交流内阻抗。然后总结了国外的钢轨频率特性测量平台的技术要点,在实验室内搭建了钢轨阻抗频率特性测量平台。根据实测不同频率下的钢轨交流内阻抗结果,拟合确定P60钢轨等效管状导体参数。在实际运营线路中,由于轨中电流包含大量1～50Hz和部分6倍频谐波成分。基于Tylavsky四周无限大地模型计算得到不同频率下的导体间的互阻抗、导纳参数,对回流系统电气解耦得到回流系统电气参数,提出在多个牵引变电所、多车的复杂工况下考虑钢轨等效管状导体模型和实测轨中电流交流成分的钢轨电位计算方法。以单边供电为例证明了该计算方法的可靠性。对比轨中电流和钢轨电位中的谐波成分发现:地铁列车注入钢轨电流中含有丰富的1～50Hz分量和部分6倍频分量,这部分回流在传输过程中,经过钢轨阻抗频率特性的作用,呈现于钢轨电位成分中6倍频分量影响更大。虽然上述过程计算结果准确,但是该方法是以已知实际轨中电流数据为基础。本文在Matlab/Simulink平台搭建了基于Foster电路的钢轨回流系统动态仿真系统,分别建立了包含列车、基于Foster电路的钢轨、钢轨电位限制器电弧等模型。本文仿真计算了多车、多个牵引变电所复杂工况以及段场库内钢轨电位限制器复归工况下的钢轨电位,并与实测数据对比验证了上述动态仿真模型的正确性。对比钢轨等效为不同模型仿真的钢轨电位结果可以看出:钢轨等效为直流电阻会遗失钢轨电位中的高频谐波成分导致钢轨电位计算最大值降低了13.482%;等效为1阶RL电路会增大钢轨电位中的交流成分;等效为8阶Foster电路可有效降低钢轨电位仿真误差。最后根据仿真结果分析了多车多个牵引变电所复杂工况以及库内钢轨电位限制器复归工况下产生异常钢轨电位的原因,并提出了相应的改进措施。