- 頭條北京交通大學科研團隊在解決軌道電位與雜散電流問題上取得新進展2021-11-07 作者：顧靖達 楊曉峰 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為解決城市軌道交通中軌道電位與雜散電流導致的安全問題，北京交通大學電氣工程學院的研究人員顧靖達、楊曉峰、鄭瓊林、商戰、趙治鈞，在2021年第8期《電工技術學報》上撰文，提出一種負阻變換器牽引供電系統。建模與實驗結果表明，該系統無需改造列車與軌道等基礎部件，即可有效降低軌道電位與雜散電流，在既有線路和新建線路中均具有良好的應用前景。
近年來，隨著城市現代化建設的推進，城市軌道交通因綠色環保、輸送客流量大、安全性高等特點，得以迅速發展。城市軌道交通普遍采用直流牽引供電系統，其存在的軌道電位與雜散電流問題受到廣泛的關注。圖1是軌道電位與雜散電流的產生機理示意圖。
圖1 軌道電位與雜散電流的產生
出于經濟性考慮，走行軌在支撐列車運行的同時，通常兼作列車電流的回流軌。然而，走行軌與大地之間的絕緣水平隨時間推移逐漸降低，部分回流電流經軌道-地電阻，由走行軌泄露至大地，并流向其他路徑，如埋地基礎設施的金屬結構與管線等。此部分泄露的電流即為雜散電流。由于軌道-地電阻的作用，走行軌與大地之間形成電勢差，稱為軌道電位。
如圖1所示，雜散電流會導致走行軌與牽引變電所（Traction Substation, TS）負極附近的埋地金屬結構遭受電化學腐蝕，縮短其使用壽命，甚至導致銹蝕穿孔，引起火災或爆炸等事故。此外，當乘客上下車時，過高的軌道電位會導致電擊事故發生，嚴重威脅司乘的人身安全。因此，軌道電位與雜散電流問題亟待解決。
為此，國內外學者提出了一系列軌道電位與雜散電流的治理措施。傳統治理措施主要有裝設排流網、采用涂層材料或高電阻率的混凝土增強走行軌與大地之間的絕緣、增設專用回流軌、縮短供電距離、提高供電電壓、增大埋地基礎設施的電阻和減小走行軌縱向電阻等。
排流網難以收集全部的雜散電流，甚至會造成電流的二次泄露，加重雜散電流的腐蝕。而絕緣材料的性能會隨時間逐漸變差，進而影響其治理效果。專用回流軌與大地之間的絕緣措施存在相似的問題，且其帶來的車輛與隧道等相關部件的改造成本昂貴。現場應用中，對供電距離、供電電壓、埋地金屬或走行軌進行改造，受城市規劃與行業標準等諸多因素限制，實施較為困難。
針對上述不足，北京交通大學電氣工程學院的研究人員提出一種負阻變換器牽引供電系統（Negative Resistance Converter Traction Power System, NRC-TPS），用于治理城市軌道交通的軌道電位與雜散電流問題。
NRC-TPS在傳統牽引供電系統的基礎上增加了負阻變換器（Negative Resistance Converter, NRC）、開關單元（Switch Unit, SU）與回流電纜（Feeder Cable, FCA），其典型結構如圖2所示。n為走行軌的區段數，j為FCA編號。
圖2 NRC-TPS的結構
NRC-TPS通過直接安裝電力電子設備，為列車電流提供零阻回路，縮短其在走行軌上的回流路徑長度。該系統無需改造列車與軌道等基礎部件，就能夠從源頭上降低軌道電位與雜散電流。
圖3 實驗平臺
研究人員指出，NRC-TPS適用于不同的牽引變電所接地方式，且接地方式的改變，不影響零阻回路的構建與作用。NRC-TPS適用于多種列車工況，其主要部件NRC、SU與FCA均為能量雙向流動的設備，能夠實現在多種列車工況下的正常運行。因此，本系統可有效降低城市軌道交通的軌道電位與雜散電流，且適用范圍廣，在既有線路和新建線路中均有良好的應用價值。
以上研究成果發表在2021年第8期《電工技術學報》，論文標題為“基于不同接地方式與列車工況的負阻變換器牽引供電系統軌道電位與雜散電流”，作者為顧靖達、楊曉峰、鄭瓊林、商戰、趙治鈞。
