- 頭條新型雜散電流與軌道電位動態模擬系統，系統復雜性低，應用前景好2020-09-22 作者：楊曉峰、薛皓、鄭瓊林 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語北京交通大學電氣工程學院的研究人員楊曉峰、薛皓、鄭瓊林，在2019年第13期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“基于雙向可變電阻模塊的雜散電流與軌道電位動態模擬系統”）指出，現代城市軌道交通中，雜散電流與軌道電位帶來的安全問題日益凸顯，上述問題的防治措施在現場驗證協調難度大，因此雜散電流與軌道電位模擬系統受到廣泛關注。 現有模擬系統缺乏對列車運行工況和牽引變電站接地方式的考慮，應用范圍受限。為此，提出一種雙向可變電阻模塊，用以模擬列車的不同運行工況；在此基礎上，結合牽引變電站接地方式，進一步提出了三種動態模擬系統，詳細研究了其應用場合、演化規律、參數選擇和控制策略。 仿真和實驗結果表明三種模擬系統不僅可用于研究雜散電流與軌道電位的動態分布規律，還可對相應的防治措施開展實驗評估，因此具有良好的應用前景。
隨著我國城市化進程的推進，軌道交通因為運力大、速度快、污染小以及安全性高等特點，近年來得到大力發展，其直流牽引系統中存在的雜散電流與軌道電位引起的安全問題受到廣泛關注。圖1為軌道交通直流牽引系統中雜散電流的產生機理示意圖，出于經濟運行的考慮，走行軌不僅用于列車運行，同時還作為列車牽引電流的回流軌。
由于走行軌與大地之間不可能完全絕緣，一部分牽引電流泄漏進入大地，并沿著土壤或埋地金屬管線流動，最后返回到走行軌和牽引變電站負極，這部分電流稱為雜散電流，也稱之為迷流。雜散電流會導致走行軌和牽引系統附近的金屬結構遭到嚴重的電化學腐蝕，使用壽命大大縮短；長時間的腐蝕將導致管線破損，甚至引發火災和爆炸事故。
同時，由于走行軌縱向電阻的存在，牽引電流會在走行軌上產生幾十伏甚至上百伏的電勢差，稱之為軌道電位。由于軌道電位的最大值出現在列車所在位置處，所以會對人體安全產生潛在危害。
圖1 直流牽引系統中雜散電流的產生機理
由于雜散電流與軌道電位的防治措施在現場驗證協調難度大，國內外學者提出了一系列模擬系統用于雜散電流與軌道電位的研究，主要分為三類：①多維空間模擬系統；②定值電阻模擬系統；③可變電阻模擬系統。
多維空間模擬系統因為建模過程復雜且適用對象單一而較少使用。定值電阻模擬系統的模擬精度與系統使用的電阻數量呈正比，同時只能實現雜散電流和軌道電位的靜態模擬。可變電阻模擬系統在定值電阻模擬系統的基礎上，采用電力電子變換器替代電阻，在提高系統模擬精度的同時，實現了雜散電流與軌道電位的動態模擬。
但已有的可變電阻模擬系統只適用于牽引變電站負極直接接地的牽引系統，且只能模擬列車以單一工況運行時的雜散電流與軌道電位，無法適用于為抑制雜散電流和軌道電位提出的多區間牽引系統。
針對上述不足，本文首先研究了一種雙向可變電阻模塊（Bidirectional Variable Resistance Module,BVRM），通過改變列車左右兩側的走行軌縱向電阻，模擬列車的不同運行工況。在此基礎上，結合牽引變電站接地方式和牽引系統特點，進一步提出三種動態模擬系統：基本型動態模擬系統（Basic Dynamic Simulation System,B-DSS）、多接地動態模擬系統（Multiple Grounding Dynamic Simulation System,MG-DSS）和多區間動態模擬系統（Multiple Interval Dynamic Simulation System,MI-DSS），分別討論了其工作原理、參數選擇和控制策略。最后對所提出模擬系統開展了詳細的仿真和實驗驗證。
圖18 模擬系統控制框圖
總結
本文在研究雙向可變電阻模塊BVRM的基礎上，提出三種動態模擬系統B-DSS、MG-DSS和MI-DSS，用于模擬城市軌道交通牽引系統中雜散電流和軌道電位的動態分布規律。本文對上述系統開展了詳細的理論分析、仿真和實驗驗證工作，得到以下結論：
- 1）BVRM可工作在列車牽引電流雙向流動模式下，通過改變列車左右兩側的走行軌縱向電阻，實現模擬列車以不同工況運行。
- 2）B-DSS適用于接地系統。MG-DSS在B-DSS的基礎上增設零電位參考點，通過不同的連接方式，可分別適用于浮地系統和接地系統。MI-DSS在B-DSS的基礎上引入區間切換模塊ISM，適用于多區間牽引系統。
- 3）B-DSS、MG-DSS和MI-DSS均采用單電阻集中接地結構，通過測量該電阻的電流及其對地電壓，即可方便得到雜散電流和軌道電位的分布。
綜上所述，本文提出的三種雜散電流和軌道電位動態模擬系統相比于現有模擬系統，有效降低了系統的復雜程度，并拓展了適用列車運行工況以及適用牽引系統類型范圍，因此具有良好的應用前景。
