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  • 頭條北京交通大學(xué)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(shù)學(xué)報》  |  點擊率:
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    導(dǎo)語為解決城市軌道交通中軌道電位與雜散電流導(dǎo)致的安全問題,北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員顧靖達、楊曉峰、鄭瓊林、商戰(zhàn)、趙治鈞,在2021年第8期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文,提出一種負阻變換器牽引供電系統(tǒng)。建模與實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)無需改造列車與軌道等基礎(chǔ)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(yīng)用前景。

    近年來,隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的推進,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)生機理示意圖。

    北京交通大學(xué)科研團隊在解決軌道電位與雜散電流問題上取得新進展

    圖1 軌道電位與雜散電流的產(chǎn)生

    出于經(jīng)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(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?,F(xiàn)場應(yīng)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(guī)劃與行業(yè)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(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員提出一種負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。

    北京交通大學(xué)科研團隊在解決軌道電位與雜散電流問題上取得新進展

    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。

    北京交通大學(xué)科研團隊在解決軌道電位與雜散電流問題上取得新進展

    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(tǒng)軌道電位與雜散電流”,作者為顧靖達、楊曉峰、鄭瓊林、商戰(zhàn)、趙治鈞。