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近年來，隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的推進(jìn)，城市軌道交通因綠色環(huán)保、輸送客流量大、安全性高等特點，得以迅速發(fā)展。城市軌道交通普遍采用直流牽引供電系統(tǒng)，其存在的軌道電位與雜散電流問題受到廣泛的關(guān)注。圖1是軌道電位與雜散電流的產(chǎn)生機(jī)理示意圖。

圖1 軌道電位與雜散電流的產(chǎn)生

出于經(jīng)濟(jì)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(jīng)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(chǔ)設(shè)施的金屬結(jié)構(gòu)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(dǎo)致走行軌與牽引變電所（Traction Substation, TS）負(fù)極附近的埋地金屬結(jié)構(gòu)遭受電化學(xué)腐蝕，縮短其使用壽命，甚至導(dǎo)致銹蝕穿孔，引起火災(zāi)或爆炸等事故。此外，當(dāng)乘客上下車時，過高的軌道電位會導(dǎo)致電擊事故發(fā)生，嚴(yán)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(nèi)外學(xué)者提出了一系列軌道電位與雜散電流的治理措施。傳統(tǒng)治理措施主要有裝設(shè)排流網(wǎng)、采用涂層材料或高電阻率的混凝土增強(qiáng)走行軌與大地之間的絕緣、增設(shè)專用回流軌、縮短供電距離、提高供電電壓、增大埋地基礎(chǔ)設(shè)施的電阻和減小走行軌縱向電阻等。

排流網(wǎng)難以收集全部的雜散電流，甚至?xí)斐呻娏鞯亩涡孤叮又仉s散電流的腐蝕。而絕緣材料的性能會隨時間逐漸變差，進(jìn)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(guān)部件的改造成本昂貴。現(xiàn)場應(yīng)用中，對供電距離、供電電壓、埋地金屬或走行軌進(jìn)行改造，受城市規(guī)劃與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員提出一種負(fù)阻變換器牽引供電系統(tǒng)（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(tǒng)牽引供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了負(fù)阻變換器（Negative Resistance Converter, NRC）、開關(guān)單元（Switch Unit, SU）與回流電纜（Feeder Cable, FCA），其典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。n為走行軌的區(qū)段數(shù)，j為FCA編號。

圖2 NRC-TPS的結(jié)構(gòu)

NRC-TPS通過直接安裝電力電子設(shè)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(tǒng)無需改造列車與軌道等基礎(chǔ)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(gòu)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(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)在多種列車工況下的正常運行。因此，本系統(tǒng)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(yīng)用價值。

以上研究成果發(fā)表在2021年第8期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“基于不同接地方式與列車工況的負(fù)阻變換器牽引供電系統(tǒng)軌道電位與雜散電流”，作者為顧靖達(dá)、楊曉峰、鄭瓊林、商戰(zhàn)、趙治鈞。