载流线圈产生的磁场仿真实验「电磁场实验、演示及仿真第三版」

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北京交通大学电气工程学院的研究人员王慧康、杨晓峰、倪梦涵、郑琼林，在2020年第17期《电工技术学报》上撰文 ，采用走行轨回流的直流牵引供电系统存在轨道电位与杂散电流问题，给城市轨道交通的安全运行带来隐患。上述问题的抑制措施开展现场验证难度大，为此，提出一种基于可变电阻模块的电力电子动模实验平台。

直流牵引供电系统采用的轨道回流方式不可避免地造成轨道电位以及杂散电流问题。由于轨道自身存在电阻率，轨道回流电流会在轨道上产生几十伏甚至上百伏的轨道电位；且轨道对地之间并非完全绝缘，地铁列车牵引电流一部分会通过轨道对地过渡电阻流入地下，并沿着埋地金属返回到轨道，最终流入牵引变电所负极，这部分电流被称为杂散电流。

杂散电流会引起地下金属管线、隧道结构钢筋发生电化学腐蚀，进而导致自来水、天然气、石油的泄露并对结构钢筋造成破坏，产生严重安全隐患。

直流牵引供电系统牵引所负极接地方式通常为悬浮接地或直接接地两种，广泛采用的悬浮接地直流牵引供电系统虽然能降低杂散电流，但在牵引所位置产生与列车位置电压大小相同的轨道电位，一旦超过安全阈值对牵引所设备接地与人员安全造成威胁，过电压保护装置启动牵引所负极直接接地；直接接地虽然能将牵引所电位减小为零，但会造成更多的杂散电流和列车位置更高的轨道电位，因此实际系统运行存在不同接地方式的频繁切换。

国内外学者关于轨道电位与杂散电流的主要研究包括：

①考虑对地的多层结构轨道电位与杂散电流模型和理论分布，难以测量各层金属间过渡参数，且没有考虑牵引所不同接地方式切换，参数来源不准确；②用于模拟轨道电位与杂散电流定值电阻系统无法反映在列车运动情况下的轨道电位和杂散电流分布；③用于解决城市轨道交通中的迷流和轨道电位等问题，提出了基于RSCC的直流自耦变压器牵引供电系统；④直接接地单列车工况的轨道电位与杂散电流模拟的动态模拟系统，由于列车不同运行工况电流方向不同，难以实现双向电流的模拟，实际中牵引变电所一般在直接接地和悬浮接地中切换，简单的动态模拟系统难以模拟直流牵引供电系统采用的多接地方式切换。

北京交通大学的科研人员研究了双边供电系统在悬浮接地与直接接地两种方式下，轨道电位与杂散电流的分布规律与列车位置的关系。并在理论研究的基础上，提出了一种多接地方式切换的轨道电位与杂散电流的动模实验平台。

图1 多接地系统可变电阻控制框图

他们首先对比研究了牵引所悬浮接地和直接接地两种方式、沿轨道分布的轨道电位与杂散电流三维数学模型，然后提出了双向电流轨道电阻和双向电流轨道对地过渡电阻模型以及基于上述模型的硬件模拟系统方案，进而实现不同接地方式下的轨道电位和杂散电流动态分布规律模拟。

图2 双向电流可变轨道电阻模块实验结果

图3 系统不同接地方式下列车位置轨道电位实验结果

最后科研人员通过仿真与实验结果，验证了轨道电位与杂散电流动模实验平台的正确性与可行性，并得到以下结论：

1）根据多接地系统的轨道电位与杂散电流的三维模型，对列车位置做截面，得到列车运动任意位置处，两牵引所之间的轨道电位与杂散电流分布；对两牵引所之间任意一点做截面，能得到这一点随着列车位置变化的轨道电位与杂散电流分布。因此上述三维模型能够用于轨道电位和杂散电流的预测与分析。

2）两种双向电流可变电阻模块BCRLRM和BCRGRM根据列车位置控制占空比分别模拟列车运动过程左右两侧轨道电阻以及轨道对地电阻的变化，并能适应列车不同工况下的轨道电位与杂散电流模拟。

3）多接地轨道电位与杂散电流动模实验平台MGDE根据列车运行过程中轨道以及轨道对地过渡电阻分布式参数模型，提出了两种双向电流可变电阻模块模拟变化的电阻，并结合系统不同接地方式特点，实现了列车运动过程中对列车和牵引所处的轨道电位与杂散电流的动态模拟。采用集中式的可变电阻代替了分布式的轨道和过渡电阻，使系统具有结构简单、准确性高、可操作性强的优点。

以上研究成果发表在2020年第17期《电工技术学报》，论文标题为“轨道电位与杂散电流动模实验平台”，作者为王慧康、杨晓峰、倪梦涵、郑琼林。