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軌道電位與雜散電流

顧靖達 楊曉峰 鄭瓊林 商 戰 趙治鈞

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軌道電位與雜散電流

顧靖達 楊曉峰 鄭瓊林 商 戰 趙治鈞

（北京交通大學電氣工程學院 北京 100044）

為解決城市軌道交通中軌道電位與雜散電流導致的安全問題，該文提出一種負阻變換器牽引供電系統（NRC-TPS）。在傳統牽引供電系統（CON-TPS）的基礎上，NRC-TPS通過直接安裝電力電子設備，為列車電流提供零阻回路，縮短其回流至牽引變電所的路徑長度。由于雜散電流的產生源頭減少，NRC-TPS能夠降低城市軌道交通系統的軌道電位與雜散電流。此外，考慮牽引變電所的接地方式與列車工況，該文詳細研究NRC-TPS的工作原理、軌道電位與雜散電流的分布規律。建模與實驗結果表明，NRC-TPS無需改造列車與軌道等基礎部件，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用前景。

城市軌道交通 軌道電位 雜散電流 負阻變換器 接地方式

0 引言

近年來，隨著城市現代化建設的推進，城市軌道交通因綠色環保、輸送客流量大、安全性高等特點，得以迅速發展。城市軌道交通普遍采用直流牽引供電系統，其存在的軌道電位與雜散電流問題受到廣泛的關注[1]。圖1是軌道電位與雜散電流的產生機理示意圖。出于經濟性考慮，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[2]。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，如埋地基礎設施的金屬結構與管線等[3]。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[4]。

圖1 軌道電位與雜散電流的產生

如圖1所示，雜散電流會導致走行軌與牽引變電所（Traction Substation, TS）負極附近的埋地金屬結構遭受電化學腐蝕，縮短其使用壽命，甚至導致銹蝕穿孔，引起火災或爆炸等事故[5]。此外，當乘客上下車時，過高的軌道電位會導致電擊事故發生，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，國內外學者提出了一系列軌道電位與雜散電流的治理措施。傳統治理措施主要有裝設排流網[6]、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[7]、增設專用回流軌[8]、縮短供電距離[2]、提高供電電壓[9]、增大埋地基礎設施的電阻[10]和減小走行軌縱向電阻[11]等。排流網難以收集全部的雜散電流，甚至會造成電流的二次泄露，加重雜散電流的腐蝕。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部件的改造成本昂貴?，F場應用中，對供電距離、供電電壓、埋地金屬或走行軌進行改造，受城市規劃與行業標準等諸多因素限制，實施較為困難。

針對上述不足，本文提出一種負阻變換器牽引供電系統（Negative Resistance Converter Traction Power System, NRC-TPS），通過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。該系統無需改造列車與軌道等基礎部件，即能從源頭上降低軌道電位與雜散電流。在此基礎上，結合不同的牽引變電所負極接地方式與列車工況，進一步討論了NRC-TPS的工作原理、軌道電位與雜散電流的分布規律。最后對所提出的NRC-TPS進行了詳細的實驗驗證。

1 NRC-TPS的工作原理

1.1 NRC-TPS的拓撲

傳統牽引供電系統（Conventional Traction Power System, CON-TPS）主要由牽引變電所、接觸網（或第三軌）與走行軌組成[12-13]。在CON-TPS的基礎上，NRC-TPS增加了負阻變換器（Negative Resistance Converter, NRC）、開關單元（Switch Unit, SU）與回流電纜（Feeder Cable, FCA），其典型結構如圖2所示。為走行軌的區段數，為FCA編號。

圖2 NRC-TPS的結構

隨著城市軌道交通的發展，TS負極采用了不同的接地方式，主要有懸浮接地、直接接地和二極管接地等[14]。在懸浮接地方式中，TS的負極與大地絕緣，無電氣連接。在直接接地方式中，TS的負極與大地直接連接。在二極管接地方式中，TS的負極通過二極管與大地連接，二極管的陰極與TS的負極連接，二極管的陽極與大地連接。對于二極管接地方式，若TS負極處的軌道電位足以使二極管導通，此時的接地方式等效于直接接地；若TS負極處的軌道電位不足以使二極管導通，此時的接地方式等效于懸浮接地。

因此，本文的討論主要針對懸浮接地方式與直接接地方式，其中，懸浮接地的傳統牽引供電系統（Floating grounded scheme for Conventional Traction Power System, FCON-TPS）簡稱傳統浮地系統，直接接地的傳統牽引供電系統（Direct grounded scheme for Conventional Traction Power System, DCON- TPS）簡稱傳統接地系統；懸浮接地的負阻變換器牽引供電系統（Floating grounded scheme for Negative Resistance Converter Traction Power System, FNRC- TPS）簡稱負阻浮地系統，直接接地的負阻變換器牽引供電系統（Direct grounded scheme for Negative Resistance Converter Traction Power System, DNRC- TPS）簡稱負阻接地系統。

1.2 NRC的工作原理

NRC是雙極性輸出的電力電子變換器，其拓撲及等效電路如圖3所示，電壓與電流正方向如圖中箭頭標示。

圖3 NRC的等效電路

當NRC工作在模態1時，開關管S11由脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）信號控制，S12與S13常斷，S14常通。此時NRC的輸出電流oN為正，通過調節S11的占空比進而控制其輸出電壓oN，促使輸出電阻oN為負，用以抵消SU與FCA的電阻，為列車電流構造電阻為零的回流路徑，即零阻回路。

同理，當NRC工作在模態2時，S12由PWM信號控制，S11與S14常斷，S13常通。此時oN為負，通過調節S12的占空比，oN亦為負。因此，NRC在系統中等效為一個阻值為負的可變電阻，其阻值表示為

1.3 SU的工作原理

SU是雙向可控的電力電子開關，其拓撲及等效電路如圖4所示。SU主要構建在隧道內的均流線附近，與NRC和FCA協同作用，為列車電流提供零阻回路。

圖4 SU的等效電路

當SU工作在模態1時，S21常通，S22常斷。SU的導通壓降SUon為正，電流SU亦為正。通常情況下，一個SU涉及兩個零阻回路的構建，SU與其所在零阻回路中oN方向相同，但大小不一定相等。然而，零阻回路是串聯結構，為方便分析其工作原理，將SU的等效電阻SU-2m定義為

式中，SU-2m為正；為SU編號。同理，當SU工作在模態2時，S22常通，S21常斷，SU-2m亦為正。當SU兩側區段無列車時，SU工作在模態3，為關斷狀態。因此，當SU導通時，其在系統中等效為一個阻值為正的電阻，如式（2）所示；當SU關斷時，等效為開路。

1.4 FCA的工作原理

FCA是并聯電纜，沿走行軌鋪設，以連接NRC與SU，其等效電路如圖5所示。

圖5 FCA的等效電路

當FCA工作在模態1時，其兩端壓降FCA為正，電流FCA亦為正，且與其所在零阻回路中的oN大小相等，方向相同。故FCA-3的等效電阻FCA-3j為正；同理，當FCA工作在模態2時，FCA-3j亦為正。因此，FCA在系統中等效為一個阻值為正的固定電阻，表示為

1.5 NRC-TPS的工作原理

根據上述分析，為構建零阻回路，NRC抵消SU與FCA的正電阻作用，故圖2中NRC-11與NRC-12的輸出電阻表示為

式中，為列車所在區段；oN-11與oN-12為NRC-11與NRC-12的輸出電阻；FCA-3j為FCA-3的電阻；SU-2(k-1)與SU-2k分別為列車所在區段兩端的SU- 2(-1)與SU-2的等效電阻。

NRC-TPS中，NRC與SU將走行軌分為多個區段，每個區段的長度取決于軌道電位與雜散電流的治理要求。NRC與SU根據列車所在區段進行模態切換。為進一步說明NRC-TPS的工作原理，在上述等效電路的基礎上，結合TS不同的接地方式，將走行軌均分為四個區段，并以牽引工況為例，分析列車在各區段時的運行情況。列車在區段1或區段4如圖6所示，列車在區段2或區段3如圖7所示。

圖6 列車在區段1或區段4

圖7 列車在區段2或區段3

1）列車位于區段1（NRC-11與SU-21之間）

如圖6b所示，此時SU-21導通，SU-22與SU-23均關斷，零阻回路電阻為

理想情況下，式（5）中，oN-11、FCA-31與SU-21之和為零，oN-12、FCA-32、FCA-33、FCA-34與SU-21之和也為零，因此zr1與zr2為零，回路得以構建。走行軌與SU-21連接的點AREG即虛擬回流地（Returning Equi-Ground, REG）。AREG等效于TS2的負極。與圖6a中CON-TPS的回流路徑相比，列車電流在NRC-TPS中的回流路徑縮短至區段1，區段2～4被零阻回路短路。

2）列車位于區段2（SU-21與SU-22之間）

如圖7b所示，此時SU-21與SU-22均導通，SU-23關斷，即

理想情況下，式（6）中，oN-11、FCA-31與SU-21之和為零，oN-12、FCA-33、FCA-34與SU-22之和為零，即zr1與zr2為零，零阻回路得以構建。

AREG等效于TS1的負極，BREG等效于TS2的負極。與圖7a中CON-TPS的回流路徑相比，列車電流在NRC-TPS中的回流路徑縮短至區段2，區段1、3與4被零阻回路短路。

3）列車位于區段3（SU-22與SU-23之間）

根據NRC-TPS的對稱性，列車位于區段3時，其結構與列車位于區段2時對稱，如圖7所示。此時SU-22與SU-23均導通，SU-21關斷，即

理想情況下，式（7）中，oN-11、FCA-31、FCA-32與SU-22之和為零，oN-12、FCA-34與SU-23之和為零，即zr1與zr2為零，零阻回路構建。AREG等效于TS1的負極，BREG等效于TS2的負極。與CON- TPS中的回流路徑相比，列車電流在NRC-TPS中的回流路徑縮短至區段3，區段1、2與4均被零阻回路短路。

4）列車位于區段4（SU-23與NRC-12之間）

同理，根據NRC-TPS的對稱性，列車位于區段4時，其結構與列車位于區段1時對稱，如圖6所示。此時SU-23導通，SU-21與SU-22均關斷，即

理想情況下，式（8）中，oN-11、FCA-31、FCA-32、FCA-33與SU-23之和為零，oN-12、FCA-34與SU-23之和也為零，即zr1與zr2為零，零阻回路得以構建。AREG等效于TS1負極。與列車電流在CON-TPS中的回流路徑相比，其在NRC-TPS中的回流路徑縮短至區段4，區段1、2與3被零阻回路短路。

根據上述分析，在不同的TS接地方式下，零阻回路均能構建；且接地方式的變化，不影響零阻回路的結構。此外，NRC、SU與FCA均能實現能量雙向流動，在其他列車工況下，NRC-TPS具有與上文相似的工作原理。因此在不同接地方式與列車工況下，NRC-TPS均能縮短列車電流在走行軌上的回流路徑長度，從源頭上降低軌道電位與雜散電流。

2 軌道電位和雜散電流的建模與分布

由上述分析知，當列車在區段1與區段4時，其工作原理相似；當列車在區段2與區段3時，其工作原理相似。因此NRC-TPS的等效電路如圖8a所示，CON-TPS的等效電路如圖8b所示。

為評估不同接地方式下，NRC-TPS對軌道電位與雜散電流的降低效果，以CON-TPS為參照，根據微元法對NRC-TPS的軌道電位與雜散電流進行建模[15]。出于簡化分析的考慮，假設NRC-TPS與CON-TPS中金屬為均勻介質。主要參數見表1。

圖8 NRC-TPS與CON-TPS的等效電路

表1 NRC-TPS與CON-TPS的建模參數

Tab.1 Modelling parameters of NRC-TPS and CON-TPS

2.1 軌道電位與雜散電流的建模

2.1.1 FNRC-TPS的建模

當列車位于圖8a所示的FNRC-TPS區段1或區段4時，根據零阻回路的構建，TS1負極、TS2負極與AREG處軌道電位相等。由此得到各區段的軌道電位rNf與雜散電流sNf表達式為

當列車位于圖8a所示的FNRC-TPS區段2或區段3時，根據零阻回路的構建，TS1負極與AREG處的軌道電位相等，TS2負極與BREG處的軌道電位相等。由此得到各區段rNf與sNf的表達式分別為

式中，參數1f、2f、3f、4f、1f、2f、3f與4f均由式（12）中的邊界條件計算而得。

2.1.2 FCON-TPS的建模

當列車在圖8b所示的FCON-TPS時，TS1負極與TS2負極處的軌道電位相等。由此得到走行軌的軌道電位rCf與雜散電流sCf表達式為

式中，參數1f、2f、1f與2f均由式（14）中的邊界條件計算而得。

2.1.3 DNRC-TPS的建模

當列車位于圖8a所示的DNRC-TPS區段1或區段4時，根據零阻回路的構建，TS1負極、TS2負極與AREG處的軌道電位相等且為零。由于零阻回路的結構與FNRC-TPS中的相似，由式（9）可得雜散電流sNd表達式為

但其參數均由式（16）中的邊界條件計算而得。

如表3所示,節點初始部署時,節點間有共享密鑰的安全連接的個數為262個,算法運行200次以后,僅僅以網絡覆蓋率為優化目標的改進的單目標粒子群算法存在183個安全連接,安全連通度為0.0183,并且在多目標優化算法中,粒子群算法與改進的粒子群算法存在安全連接的個數分別為229、243個,安全連通度分別為0.022 9和0.024 3?？梢?單目標優化算法雖然能夠提高網絡覆蓋率,但是對節點之間的安全連接破壞嚴重,改進多目標粒子群優化算法比多目標粒子群算法在運行200次以后有更高的網絡覆蓋率以及安全連通度。

同理，當列車位于圖8a所示的DNRC-TPS區段2或區段3時，TS1負極、TS2負極、AREG與BREG處的軌道電位相等且為零。因此，由式（11）可得sNd表達式為

但其參數均由式（18）中的邊界條件計算而得。

2.1.4 DCON-TPS的建模

當列車在圖8b所示的DCON-TPS時，TS1負極與TS2負極處的軌道電位相等且為零。由于列車電流的回流路徑與FCON-TPS中的相似，走行軌的軌道電位rCd表示為式（13），雜散電流sCd表示為

但其參數由式（20）中的邊界條件計算而得。

2.2 軌道電位與雜散電流的分布

通過對NRC-TPS與CON-TPS建模，得到各種接地方式下的軌道電位與雜散電流表達式。根據文獻[16-17]中的列車牽引計算，列車運行期間，其電流L動態變化如圖9所示。當列車與TS1距離在0～0.48km時，為牽引工況；當列車與TS1距離在0.48～4.69km時，為勻速工況；當列車與TS1距離在4.69～5km時，為制動工況。

圖9 動態列車電流曲線

NRC-TPS與CON-TPS的線路參數見表2，結合表2，得到軌道電位與雜散電流的分布曲線。

表2 NRC-TPS與CON-TPS的線路參數

Tab.2 Line parameters of NRC-TPS and CON-TPS

NRC-11（TS1）、SU-21、SU-22、SU-23與NRC-12（TS2）分別位于=0km、1.25km、2.50km、3.75km與5km處。

1）FNRC-TPS與FCON-TPS的軌道電位和雜散電流分布

根據式（9）、式（11）與式（13）的計算結果，得到列車位置固定時，FCON-TPS與FNRC-TPS的軌道電位曲線，如圖10所示。FCON-TPS的軌道電位rCf基本呈線性變化：自TS1至處逐漸升高，自處至TS2逐漸降低；且rCf在TS1、TS2與處數值相等，方向相反。

雜散電流sCf表示為

圖10 FNRC-TPS與FCON-TPS的軌道電位

式中，C為圖10中rCf在正半平面的面積。

FNRC-TPS中，列車所在區段的軌道電位rNf基本呈線性變化：自REG至處逐漸升高，自處至另一REG逐漸降低。無列車區段rNf等于AREG或BREG處的軌道電位：列車在區段1或區段4時，各區段均被零阻回路短路，rNf在TS1、TS2與REG處相等；列車在區段2或區段3時，由于列車所在區段FCA的作用，rNf在REG處不相等。此時雜散電流sNf為

式中，N為圖10中rNf在正半平面的面積。

FNRC-TPS與FCON-TPS的軌道電位和雜散電流分布曲線如圖11所示，圖11a～圖11f是整個運行過程中rCf與rNf的三維曲線。圖11g是列車處rCf與rNf的曲線，圖11h是sCf與sNf的曲線。

圖11 FNRC-TPS與FCON-TPS的軌道電位和雜散電流分布曲線

FCON-TPS中，列車運行于牽引工況和勻速工況時，TS處rCf為負，列車處rCf為正；當列車運行于制動工況時，rCf的分布情況與牽引工況相反：TS處rCf為正，列車處rCf為負。且相較于勻速工況，牽引工況與制動工況的列車電流較大，其對應的rCf也較大。sCf亦呈現相似的特點。FNRC-TPS中，列車所在區段的rNf呈現與rCf近似的分布規律，然而由于零阻回路的作用，無列車區段的rNf相等。且零阻回路改變了走行軌的電流分布，如圖11g所示，部分位置rNf高于rCf，但圖11h中sNf始終小于sCf。故相較于FCON-TPS，FNRC-TPS的軌道電位與雜散電流均有所降低。

2）DNRC-TPS與DCON-TPS的軌道電位和雜散電流分布

根據式（9）、式（11）與式（13）的計算結果，得到列車位置固定時，DCON-TPS與DNRC-TPS的軌道電位，如圖12所示。DCON-TPS的軌道電位rCd基本呈線性變化，且在TS1與TS2處等于零。此時雜散電流sCd為

式中，C為圖12中rCd與軸圍成的面積。DNRC- TPS中，列車所在區段的軌道電位rNd基本呈線性變化，無列車區段rNd等于零。此時雜散電流sNd為

圖12 DNRC-TPS與DCON-TPS的軌道電位

式中，N為圖12中rNd與軸圍成的面積。

DNRC-TPS與DCON-TPS的軌道電位和雜散電流分布曲線如圖13所示。圖13a～圖13f是整個運行過程中rCd與rNd的三維曲線；圖13g是列車處rCd與rNd的曲線；圖13h是sCd與sNd的曲線。

DCON-TPS中，rCd和sCd的分布規律與rCf和sCf近似，但rCd均大于等于零，sCd亦近似等于sCf的2倍。DNRC-TPS中rNd和sNd的分布規律與rNf和sNf近似。然而由于TS接地方式的改變，無列車區段的rNd均等于零。且整個運行過程中，rNf均低于rCf，sNf亦始終小于sCf。故相較于DCON-TPS，DNRC-TPS的軌道電位與雜散電流均有所降低。

圖13 DNRC-TPS與DCON-TPS的軌道電位和雜散電流分布曲線

3 軌道電位與雜散電流的降低效果分析

為分析NRC-TPS的降低效果，定義軌道電位降低百分比與雜散電流降低百分比分別為

考慮到NRC-TPS中，部分軌道電位的方向與CON-TPS中不同，式（25）亦定義了2以表示軌道電位降低，但其方向改變，并確保在0～100%之間變化，t為列車處軌道電位的降低百分比，以1的計算公式為準。不同接地方式的與如圖14與圖15所示。

圖14a與圖14b表明，對于懸浮接地方式，FNRC-TPS的軌道電位主要降低了54%～100%；尤其在TS與SU附近，最高為100%。在rCf=0附近的空白區域，rNf均高于rCf，無法準確評估軌道電位的降低效果。然而圖14c表明，FNRC-TPS的雜散電流始終減小81%～100%。因此，雖然rCf=0附近空白區域的rNf略高于rCf，但其不影響FNRC-TPS的軌道電位平均值降低。

圖14 FNRC-TPS軌道電位與雜散電流的降低百分比

圖15 DNRC-TPS軌道電位與雜散電流的降低百分比

圖15a與圖15b表明，對于直接接地方式，DNRC-TPS的軌道電位均降低73%～100%；在無列車區段，=100%。同時，圖15c表明，DNRC-TPS的雜散電流始終減小93%～100%。

綜上所述，與CON-TPS相比，在不同的接地方式下，NRC-TPS均能夠有效降低軌道電位與雜散電流。實際應用中，若需設置保護裝置以確?；A設施和人員的安全，則能夠根據軌道電位與雜散電流降低百分比進行合理評估與安裝。

4 實驗驗證

為驗證NRC-TPS的可行性與上述分析的正確性，搭建NRC-TPS與CON-TPS的小容量縮比實驗平臺，如圖16所示。

CON-TPS的平臺主要由接觸網電阻、走行軌電阻與軌道-地電阻組成。在此基礎上，NRC-TPS的平臺還包括兩個NRC、三個SU與四個FCA；NRC、SU與FCA的拓撲如圖2所示。DSP與FPGA控制板用于采樣、計算、通信與保護。各工況列車電流的特性通過電流源模擬。主要參數見表3。

圖16 實驗平臺

表3 NRC-TPS與CON-TPS的實驗參數

Tab.3 Experimental parameters of NRC-TPS and CON-TPS

4.1 FNRC-TPS與FCON-TPS的驗證

FCON-TPS與FNRC-TPS的實驗結果如圖17所示。圖17a、圖17c與圖17e是FCON-TPS的軌道電位rCf；圖17b、圖17d與圖17f是FNRC-TPS的軌道電位rNf；圖17g是兩系統的列車處軌道電位，圖17h是兩系統的雜散電流sCf與sNf。

圖17中的曲線趨勢與數值表明，前述建模結果正確。FNRC-TPS的軌道電位與雜散電流降低百分比如圖17i與圖17j所示。

經過對比，FNRC-TPS的軌道電位和雜散電流降低百分比與建模結果吻合，誤差在6%左右。考慮到軌道-地電阻離散化、金屬電阻阻值及其準確度的影響，此誤差合理。因此，FNRC-TPS對軌道電位與雜散電流的降低效果得以驗證。

圖17 FCON-TPS與FNRC-TPS的實驗結果

4.2 DNRC-TPS與DCON-TPS的驗證

DCON-TPS與DNRC-TPS的實驗結果如圖18所示。圖18a、圖18c與圖18e是DCON-TPS的軌道電位rCd；圖18b、圖18d與圖18f是DNRC-TPS的軌道電位rNd；圖18g是兩系統的列車處軌道電位；圖18h是兩系統的雜散電流sCd與sNd。

圖18中的曲線趨勢與數值表明，前述建模結果正確。DNRC-TPS的軌道電位與雜散電流降低百分比如圖18i與圖18j所示。

經過對比，DNRC-TPS的軌道電位和雜散電流降低百分比與建模結果吻合，誤差在4%左右?？紤]到軌道-地電阻離散化、金屬電阻阻值及其準確度的影響，此誤差合理。因此，DNRC-TPS對軌道電位與雜散電流的降低效果亦得以驗證。

圖18 DCON-TPS與DNRC-TPS的實驗結果

5 結論

本文結合不同的牽引變電所接地方式與列車工況，提出新型牽引供電系統NRC-TPS，用于治理城市軌道交通的軌道電位與雜散電流問題。本文對上述內容開展了詳細的理論研究、降低效果分析與實驗驗證工作，得到以下結論：

1）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建與作用。

2）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備，能夠實現在多種列車工況下的正常運行。

3）在不同的牽引變電所接地方式與列車工況下，NRC-TPS無需改造列車與軌道等基礎部件，即可縮短列車電流在走行軌上的回流路徑，從源頭上降低軌道電位與雜散電流。

綜上所述，本文提出的NRC-TPS有效地降低了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用價值。

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Rail Potential and Stray Current on Negative Resistance Converter Traction Power System under Different Grounding Schemes and Train Conditions

（School of Electrical Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）

For the safety problems caused by rail potential and stray current in urban rail transit, this paper proposes a negative resistance converter traction power system (NRC-TPS). Based on the conventional traction power system (CON-TPS), power electronic equipment is installed directly for NRC-TPS, where the return path of train current is shortened through providing a zero-resistance loop for the train current. Since the source of stray current is reduced, rail potential and stray current are mitigated in NRC-TPS. Besides, considering different grounding schemes of traction substations and multiple train conditions, this paper discusses the working principle of NRC-TPS as well as the distribution of rail potential and stray current in detail. The results indicate that NRC-TPS can effectively reduce rail potential and stray current without modifying basic components such as trains or rails, which shows good application prospects in both existing and new urban rail transits.

Urban rail transit, rail potential, stray current, negative resistance converter (NRC), grounding scheme

TM922

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200869

國家自然科學基金重點項目（51737001）和中央高校基本科研業務費（2019JBM058）資助。

2020-07-17

2020-08-27

顧靖達 女，1994年生，博士研究生，研究方向為軌道交通電力電子技術、軌道電位與雜散電流治理。E-mail: 15117391@bjtu.edu.cn

楊曉峰 男，1980年生，副教授，博士生導師，研究方向為地鐵迷流的綜合治理、多電平變換器技術和電能質量控制。E-mail: xfyang@bjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）