軌道電位與雜散電流動模實驗平臺

北京交通大學電氣工程學院的研究人員王慧康、楊曉峰、倪夢涵、鄭瓊林，在2020年第17期《電工技術學報》上撰文 ，採用走行軌回流的直流牽引供電系統存在軌道電位與雜散電流問題，給城市軌道交通的安全運行帶來隱患。上述問題的抑制措施開展現場驗證難度大，為此，提出一種基於可變電阻模塊的電力電子動模實驗平臺。

直流牽引供電系統採用的軌道回流方式不可避免地造成軌道電位以及雜散電流問題。由於軌道自身存在電阻率，軌道回流電流會在軌道上產生幾十伏甚至上百伏的軌道電位；且軌道對地之間並非完全絕緣，地鐵列車牽引電流一部分會通過軌道對地過渡電阻流入地下，並沿著埋地金屬返回到軌道，最終流入牽引變電所負極，這部分電流被稱為雜散電流。

雜散電流會引起地下金屬管線、隧道結構鋼筋發生電化學腐蝕，進而導致自來水、天然氣、石油的洩露並對結構鋼筋造成破壞，產生嚴重安全隱患。

直流牽引供電系統牽引所負極接地方式通常為懸浮接地或直接接地兩種，廣泛採用的懸浮接地直流牽引供電系統雖然能降低雜散電流，但在牽引所位置產生與列車位置電壓大小相同的軌道電位，一旦超過安全閾值對牽引所設備接地與人員安全造成威脅，過電壓保護裝置啟動牽引所負極直接接地；直接接地雖然能將牽引所電位減小為零，但會造成更多的雜散電流和列車位置更高的軌道電位，因此實際系統運行存在不同接地方式的頻繁切換。

國內外學者關於軌道電位與雜散電流的主要研究包括：

• ①考慮對地的多層結構軌道電位與雜散電流模型和理論分布，難以測量各層金屬間過渡參數，且沒有考慮牽引所不同接地方式切換，參數來源不準確；
• ②用於模擬軌道電位與雜散電流定值電阻系統無法反映在列車運動情況下的軌道電位和雜散電流分布；
• ③用於解決城市軌道交通中的迷流和軌道電位等問題，提出了基於RSCC的直流自耦變壓器牽引供電系統；
• ④直接接地單列車工況的軌道電位與雜散電流模擬的動態模擬系統，由於列車不同運行工況電流方向不同，難以實現雙向電流的模擬，實際中牽引變電所一般在直接接地和懸浮接地中切換，簡單的動態模擬系統難以模擬直流牽引供電系統採用的多接地方式切換。

北京交通大學的科研人員研究了雙邊供電系統在懸浮接地與直接接地兩種方式下，軌道電位與雜散電流的分布規律與列車位置的關係。並在理論研究的基礎上，提出了一種多接地方式切換的軌道電位與雜散電流的動模實驗平臺。

圖1 多接地系統可變電阻控制框圖

他們首先對比研究了牽引所懸浮接地和直接接地兩種方式、沿軌道分布的軌道電位與雜散電流三維數學模型，然後提出了雙向電流軌道電阻和雙向電流軌道對地過渡電阻模型以及基於上述模型的硬體模擬系統方案，進而實現不同接地方式下的軌道電位和雜散電流動態分布規律模擬。

圖2 雙向電流可變軌道電阻模塊實驗結果

圖3 系統不同接地方式下列車位置軌道電位實驗結果

最後科研人員通過仿真與實驗結果，驗證了軌道電位與雜散電流動模實驗平臺的正確性與可行性，並得到以下結論：

1）根據多接地系統的軌道電位與雜散電流的三維模型，對列車位置做截面，得到列車運動任意位置處，兩牽引所之間的軌道電位與雜散電流分布；對兩牽引所之間任意一點做截面，能得到這一點隨著列車位置變化的軌道電位與雜散電流分布。因此上述三維模型能夠用於軌道電位和雜散電流的預測與分析。

2）兩種雙向電流可變電阻模塊BCRLRM和BCRGRM根據列車位置控制佔空比分別模擬列車運動過程左右兩側軌道電阻以及軌道對地電阻的變化，並能適應列車不同工況下的軌道電位與雜散電流模擬。

3）多接地軌道電位與雜散電流動模實驗平臺MGDE根據列車運行過程中軌道以及軌道對地過渡電阻分布式參數模型，提出了兩種雙向電流可變電阻模塊模擬變化的電阻，並結合系統不同接地方式特點，實現了列車運動過程中對列車和牽引所處的軌道電位與雜散電流的動態模擬。採用集中式的可變電阻代替了分布式的軌道和過渡電阻，使系統具有結構簡單、準確性高、可操作性強的優點。

以上研究成果發表在2020年第17期《電工技術學報》，論文標題為「軌道電位與雜散電流動模實驗平臺」，作者為王慧康、楊曉峰、倪夢涵、鄭瓊林。