城市轨道交通系统迷流腐蚀的源头抑制

In more than eighty years since 1930, stray current corrosion has been a major concern for urban rail transit. Existing stray current corrosion control and protection measures don’t provide good solution. As mentioned in countless research documentation, those measures are not quite effective, nor very preventive. Starting from the analysis of rail potential, the source of stray current corrosion, this proposal defines the scientific issue of the stray current corrosion control as the reduction of rail potential distribution magnitude and shortening of rail potential acting time. In addition, the project proposes current returning virtual ground theory. Using power electronics systems, the project searches for ways to push current returning virtual ground to move along with railway trains and restraint returning current to a short distance on the rail way only, which can be called moving current returning section, as a result stray current corrosion would be greatly reduced. The project looks into the quantitative relation between the frequency and the magnitude of stray current corrosion, discloses the rules that govern the magnitude of stray current corrosion and the three key factors of stray current- strength, acting time and frequency, and provides theoretic support for quantitative approaches to control stray current corrosion at urban rail transit. To improve system reliability, the project will also focus on the control strategies to activate or deactivate some converters of the power electronics system adaptively and to maintain safe operation of the system even when some of converters fail.

1930年以来至今80多年间，迷流腐蚀一直是城市轨道交通系统建设与运行中十分关注的问题。已有的迷流腐蚀抑制和防护措施难以真正解决问题，就像很多文献都提到的那样：效果有限，且防不胜防。本项目从迷流腐蚀的源头——轨道电位入手，凝练出从源头上抑制迷流腐蚀的关键科学问题“轨道电位分布幅值的减小和作用时间的缩短”。针对这一关键科学问题，提出虚拟回流地的构想。研究采用电力电子系统实现虚拟回流地以及虚拟回流地能跟随运行列车移动的方法，把回流电流限制在走行轨的一小段距离——移动载流段上，达到很好抑制迷流腐蚀的目的。研究迷流电流交流频率与迷流腐蚀量之间的定量关系。揭示迷流电流三要素——大小、作用时间和频率与迷流腐蚀量之间服从的规律，为城市轨道交通系统迷流腐蚀的源头抑制的量化解决方案提供理论支撑。研究电力电子系统中各变换器自动起停的控制方法，及个别变换器因故障退出运行后的协调控制方法，以提高整个系统的可靠性。

随着城市轨道交通快速发展，杂散电流（也称迷流）问题日益突出，已有杂散电流治理措施成本高且效果有限。本项目从杂散电流源头入手，凝练出杂散电流治理思路，即“减小轨道电位分布幅值和缩短其作用时间”，提出虚拟回流地构想。基于电力电子手段实现虚拟回流地以及虚拟回流地的移动，本项目提出了移动回流地系统。该系统把回流电流限制在走行轨的一小段距离上，达到有效抑制杂散电流的目的。移动回流地系统的技术路线包括负阻变换器系统和直流自耦变压器系统。本项目针对负阻变换器系统和直流自耦变压器系统的拓扑、控制、输出性能、故障特性等开展详细理论分析，并且搭建相应仿真模型和实验平台开展验证，均表明移动回流地系统可有效地降低城市轨道交通的轨道电位和杂散电流。然后，通过扩展移动回流地系统，提出了中压直流牵引供电系统（简称中压直流系统），除了移动回流地系统功能，同时解决了列车制动能量利用问题。多功能直流变压器作为中压直流系统核心设备，本项目就其拓扑、控制、纹波抑制、故障保护等开展详细理论仿真分析和实验验证。此外，对比研究了传统走行轨和具有移动载流段走行轨的杂散电流极低频分量典型范围，揭示了直流牵引供电系统中杂散电流及其极低频分量的分布规律，通过杂散电流腐蚀平台验证了极低频杂散电流与金属腐蚀量之间的关系。最后，鉴于对移动回流地系统和中压直流系统直接开展现场实验验证存在的时空限制，提出了城市轨道交通直流牵引供电系统的杂散电流动态模拟平台（简称动模平台）。动模平台主要包括杂散电流动态模拟平台和列车动态模拟平台，用以复现列车位置动态移动下的杂散电流和列车电流的动态变化规律，进而有效地验证移动回流地系统和中压直流系统的杂散电流治理性能，并且为其现场实验测试奠定了良好基础。