北交大学者提出新型牵引供电系统，可有效降低轨道电位与杂散电流

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为解决城市轨道交通中轨道电位与杂散电流导致的安全问题，北京交通大学电气工程学院的研究人员顾靖达、杨晓峰、郑琼林、商战、赵治钧，在2021年第8期《电工技术学报》上撰文，提出一种负阻变换器牵引供电系统。建模与实验结果表明，该系统无需改造列车与轨道等基础部件，即可有效降低轨道电位与杂散电流，在既有线路和新建线路中均具有良好的应用前景。

近年来，随着城市现代化建设的推进，城市轨道交通因绿色环保、输送客流量大、安全性高等特点，得以迅速发展。城市轨道交通普遍采用直流牵引供电系统，其存在的轨道电位与杂散电流问题受到广泛的关注。图1是轨道电位与杂散电流的产生机理示意图。

图1 轨道电位与杂散电流的产生

出于经济性考虑，走行轨在支撑列车运行的同时，通常兼作列车电流的回流轨。然而，走行轨与大地之间的绝缘水平随时间推移逐渐降低，部分回流电流经轨道-地电阻，由走行轨泄露至大地，并流向其他路径，如埋地基础设施的金属结构与管线等。此部分泄露的电流即为杂散电流。由于轨道-地电阻的作用，走行轨与大地之间形成电势差，称为轨道电位。

如图1所示，杂散电流会导致走行轨与牵引变电所（Traction Substation, TS）负极附近的埋地金属结构遭受电化学腐蚀，缩短其使用寿命，甚至导致锈蚀穿孔，引起火灾或爆炸等事故。此外，当乘客上下车时，过高的轨道电位会导致电击事故发生，严重威胁司乘的人身安全。因此，轨道电位与杂散电流问题亟待解决。

为此，国内外学者提出了一系列轨道电位与杂散电流的治理措施。传统治理措施主要有装设排流网、采用涂层材料或高电阻率的混凝土增强走行轨与大地之间的绝缘、增设专用回流轨、缩短供电距离、提高供电电压、增大埋地基础设施的电阻和减小走行轨纵向电阻等。

排流网难以收集全部的杂散电流，甚至会造成电流的二次泄露，加重杂散电流的腐蚀。而绝缘材料的性能会随时间逐渐变差，进而影响其治理效果。专用回流轨与大地之间的绝缘措施存在相似的问题，且其带来的车辆与隧道等相关部件的改造成本昂贵。现场应用中，对供电距离、供电电压、埋地金属或走行轨进行改造，受城市规划与行业标准等诸多因素限制，实施较为困难。

针对上述不足，北京交通大学电气工程学院的研究人员提出一种负阻变换器牵引供电系统（Negative Resistance Converter Traction Power System, NRC-TPS），用于治理城市轨道交通的轨道电位与杂散电流问题。

NRC-TPS在传统牵引供电系统的基础上增加了负阻变换器（Negative Resistance Converter, NRC）、开关单元（Switch Unit, SU）与回流电缆（Feeder Cable, FCA），其典型结构如图2所示。n为走行轨的区段数，j为FCA编号。

图2 NRC-TPS的结构

NRC-TPS通过直接安装电力电子设备，为列车电流提供零阻回路，缩短其在走行轨上的回流路径长度。该系统无需改造列车与轨道等基础部件，即能从源头上降低轨道电位与杂散电流。

图3 实验平台

研究人员指出，NRC-TPS适用于不同的牵引变电所接地方式，且接地方式的改变，不影响零阻回路的构建与作用。NRC-TPS适用于多种列车工况，其主要部件NRC、SU与FCA均为能量双向流动的设备，能够实现在多种列车工况下的正常运行。因此，本系统可有效降低城市轨道交通的轨道电位与杂散电流，且适用范围广，在既有线路和新建线路中均有良好的应用价值。

以上研究成果发表在2021年第8期《电工技术学报》，论文标题为“基于不同接地方式与列车工况的负阻变换器牵引供电系统轨道电位与杂散电流”，作者为顾靖达、杨晓峰、郑琼林、商战、赵治钧。