我国城市轨道交通的里程数正在迅猛发展。但是,在走行轨兼作回流通路的城市轨道交通直流牵引系统中,存在杂散电流泄漏严重和钢轨电位异常升高等一系列问题,给城市轨道交通线路安全稳定地运行带来了威胁。目前,杂散电流和钢轨电位相关问题已受到了相关学者和设备研制企业的高度重视。依托于成都中工电气有限公司大力支持,本文针对轨地过渡电阻不均分布下模型的建立与分析、钢轨电位限制装置（Rail Overvoltage Protection Device,OVPD）频繁或长期合闸和杂散电流离线测试步骤繁琐与测量范围受限等问题,开展杂散电流和钢轨电位的分布、防护治理以及监测等研究工作。本文具体研究工作如下:（1）针对实际城市轨道交通线路中存在轨地过渡电阻不均匀的问题,建立了回流系统不均匀分布的模型。首先针对杂散电流和钢轨电位分布情况,分别搭建了基于不同回流层数的单双边供电模型。详细推导了杂散电流和钢轨电位的分布解析式,通过MATLAB软件仿真分析了各个模型下的杂散电流分布情况,得出了各个回流参数对杂散电流和钢轨电位的影响规律,为后续杂散电流的防护治理提供理论支撑。其次,本文针对实际城市轨道交通线路中轨地过渡电阻不均匀的特点,建立了回流系统不均匀分布的模型。基于该模型,本文设置了多种不同工况的对比实验以及多供电区间下出现绝缘破损时的模型,研究得出了分布不均匀的轨地过渡电阻对杂散电流和钢轨电位的影响规律。（2）设计了一种能够限压限流的改进型钢轨电位限制装置（Intelligence Rail Overvoltage Protection Device,i OVPD）,具有自动合闸和自动断开的功能和限压限流的功能。由于存在轨地过渡电阻分布不均匀和机车频繁启动与制动等因素,会导致OVPD长期、频繁的合闸,这是目前城市轨道交通直流牵引系统中普遍存在的问题,加大了杂散电流的扩散并影响地铁安全稳定运行。为此,本文设计了一种能够限压限流的改进型钢轨电位限制装置,以保证钢轨电位符合安全标准的情况下限制杂散电流的扩散。为了验证改进型钢轨电位限制装置对杂散电流和钢轨电位治理能力,本文使用MATLAB/Simulink平台搭建了南宁1号线的实际模型,仿真分析了改进型OVPD对全线钢轨电位的影响以及排流量。实验证明:与传统OVPD相比,改进型OVPD对杂散电流的扩散有明显的抑制作用。在此基础上,研究了杂散电流的防护措施。（3）针对杂散电流扩散的路径不明和不能直接对其进行测量的问题,本文研究了杂散电流的在线监测方法。首先,分析对比了各种监测方案的优缺点,详细推导杂散电流泄漏量计算方法,然后在现有城市轨道交通系统技术条件下和设备配置水平下,对杂散电流在线监测系统的构建方案、回流参数离线测试方法和系统特点进行研究与分析。其次,为了解决在实际工程中接线过于复杂和测量范围受限等问题,针对传统分离式的仪表测量方法耗时耗力的缺点,本文设计了一种组合式的仪表测量方法。