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新型杂散电流与轨道电位动态模拟系统

现代城市轨道交通中,杂散电流与轨道电位带来的安全问题日益凸显,上述问题的防治措施在现场验证协调难度大,因此杂散电流与轨道电位模拟系统受到广泛关注。

现有模拟系统缺乏对列车运行工况和牵引变电站接地方式的考虑,应用范围受限。为此,提出一种双向可变电阻模块,用以模拟列车的不同运行工况;在此基础上,结合牵引变电站接地方式,进一步提出了三种动态模拟系统,详细研究了其应用场合、演化规律、参数选择和控制策略。

仿真和实验结果表明三种模拟系统不仅可用于研究杂散电流与轨道电位的动态分布规律,还可对相应的防治措施开展实验评估,因此具有良好的应用前景。

随着我国城市化进程的推进,轨道交通因为运力大、速度快、污染小以及安全性高等特点,近年来得到大力发展,其直流牵引系统中存在的杂散电流与轨道电位引起的安全问题受到广泛关注。图1为轨道交通直流牵引系统中杂散电流的产生机理示意图,出于经济运行的考虑,走行轨不仅用于列车运行,同时还作为列车牵引电流的回流轨。

由于走行轨与大地之间不可能完全绝缘,一部分牵引电流泄漏进入大地,并沿着土壤或埋地金属管线流动,最后返回到走行轨和牵引变电站负极,这部分电流称为杂散电流,也称之为迷流。杂散电流会导致走行轨和牵引系统附近的金属结构遭到严重的电化学腐蚀,使用寿命大大缩短;长时间的腐蚀将导致管线破损,甚至引发火灾和爆炸事故。

同时,由于走行轨纵向电阻的存在,牵引电流会在走行轨上产生几十伏甚至上百伏的电势差,称之为轨道电位。由于轨道电位的最大值出现在列车所在位置处,所以会对人体安全产生潜在危害。

新型杂散电流与轨道电位动态模拟系统
图1  直流牵引系统中杂散电流的产生机理

由于杂散电流与轨道电位的防治措施在现场验证协调难度大,国内外学者提出了一系列模拟系统用于杂散电流与轨道电位的研究,主要分为三类:①多维空间模拟系统;②定值电阻模拟系统;③可变电阻模拟系统。

多维空间模拟系统因为建模过程复杂且适用对象单一而较少使用。定值电阻模拟系统的模拟精度与系统使用的电阻数量呈正比,同时只能实现杂散电流和轨道电位的静态模拟。可变电阻模拟系统在定值电阻模拟系统的基础上,采用电力电子变换器替代电阻,在提高系统模拟精度的同时,实现了杂散电流与轨道电位的动态模拟。

但已有的可变电阻模拟系统只适用于牵引变电站负极直接接地的牵引系统,且只能模拟列车以单一工况运行时的杂散电流与轨道电位,无法适用于为抑制杂散电流和轨道电位提出的多区间牵引系统。

针对上述不足,本文首先研究了一种双向可变电阻模块(Bidirectional Variable Resistance Module,BVRM),通过改变列车左右两侧的走行轨纵向电阻,模拟列车的不同运行工况。在此基础上,结合牵引变电站接地方式和牵引系统特点,进一步提出三种动态模拟系统:基本型动态模拟系统(Basic Dynamic Simulation System,B-DSS)、多接地动态模拟系统(Multiple Grounding Dynamic Simulation System,MG-DSS)和多区间动态模拟系统(Multiple Interval Dynamic Simulation System,MI-DSS),分别讨论了其工作原理、参数选择和控制策略。最后对所提出模拟系统开展了详细的仿真和实验验证。

总结
本文在研究双向可变电阻模块BVRM的基础上,提出三种动态模拟系统B-DSS、MG-DSS和MI-DSS,用于模拟城市轨道交通牵引系统中杂散电流和轨道电位的动态分布规律。本文对上述系统开展了详细的理论分析、仿真和实验验证工作,得到以下结论:

1)BVRM可工作在列车牵引电流双向流动模式下,通过改变列车左右两侧的走行轨纵向电阻,实现模拟列车以不同工况运行。
2)B-DSS适用于接地系统。MG-DSS在B-DSS的基础上增设零电位参考点,通过不同的连接方式,可分别适用于浮地系统和接地系统。MI-DSS在B-DSS的基础上引入区间切换模块ISM,适用于多区间牵引系统。
3)B-DSS、MG-DSS和MI-DSS均采用单电阻集中接地结构,通过测量该电阻的电流及其对地电压,即可方便得到杂散电流和轨道电位的分布。

综上所述,本文提出的三种杂散电流和轨道电位动态模拟系统相比于现有模拟系统,有效降低了系统的复杂程度,并拓展了适用列车运行工况以及适用牵引系统类型范围,因此具有良好的应用前景。
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