陳茂魯，楊曉峰，鄭瓊林，趙治鈞，夏 雪，顧靖達(dá)

（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

城市軌道交通具有運(yùn)量大、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近年來獲得了快速發(fā)展。截至2021年底，我國內(nèi)地城市軌道交通累計(jì)運(yùn)營里程達(dá)9 192 km[1]。在城市軌道交通采用的直流牽引供電中，走行軌通常兼作列車牽引電流的回流路徑。一方面，由于走行軌縱向電阻的存在，軌地之間存在電位差，即軌道電位；另一方面，走行軌與大地之間并非完全絕緣，部分電流會(huì)泄漏至大地中，形成雜散電流[2-6]。

過高的軌道電位會(huì)危及人員安全，而鋼軌電位保護(hù)裝置動(dòng)作會(huì)強(qiáng)制將牽引所接地，進(jìn)而造成更多的雜散電流泄漏[7]。雜散電流會(huì)對沿線的地下金屬管道產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕[8-9]，造成管道腐蝕穿孔，因此在城市軌道交通的建設(shè)和運(yùn)維中需要對雜散電流進(jìn)行防護(hù)。

雜散電流治理方法通常包括“源控法”和“排流法”。前者通過提高系統(tǒng)電壓等級、縮小牽引所(traction substation，TS)間距、采用雙邊供電等方法降低走行軌回流電流的幅值；后者則通過排流網(wǎng)和排流柜為雜散電流提供一個(gè)低阻抗通道回流牽引所[3,10-12]。這些方法通常在線路建設(shè)的過程中實(shí)施，但對既有線路的改造和維護(hù)難度大，且治理效果隨時(shí)間衰減。而通過加裝電力電子設(shè)備來治理雜散電流則無需改變原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且便于維護(hù)，成本可控。文獻(xiàn)[13-14]通過沿線路設(shè)置升壓電路供列車牽引電流回流；文獻(xiàn)[15]則采用直流自耦變壓器牽引供電系統(tǒng)改變牽引電流回流路徑；二者均通過電力電子裝置縮短等效供電距離的方法抑制雜散電流的泄漏，但由于隧道內(nèi)安裝空間有限，沿線路安裝的電力電子設(shè)備體積也會(huì)受限。

為此，文獻(xiàn)[16]提出了用于治理雜散電流的零阻變換器系統(tǒng)(zero-resistance converter system，ZRCS)，僅在牽引所處安裝電力電子設(shè)備，而沿線的開關(guān)單元(switch unit，SU)體積較小，便于現(xiàn)場安裝。文獻(xiàn)[17]在系統(tǒng)建模的基礎(chǔ)上，對比了不同SU控制策略下ZRCS的雜散電流治理效果。文獻(xiàn)[18]則討論了ZRCS中關(guān)鍵部件的典型故障機(jī)理。文獻(xiàn)[19]分析了在不同牽引所接地方式與列車運(yùn)行工況下ZRCS的雜散電流抑制效果。

ZRCS開關(guān)單元為雙向開關(guān)，需要根據(jù)列車運(yùn)行區(qū)段實(shí)時(shí)切換，從而將特定區(qū)段的走行軌回流轉(zhuǎn)移至外加專用回流線纜，是ZRCS正常工作的關(guān)鍵部件之一。列車牽引電流通常高達(dá)數(shù)千安培，因此SU需要具有良好的通流能力與可靠性。

既有文獻(xiàn)采用的IGBT-SU由兩個(gè)IGBT反向串聯(lián)組成，其通態(tài)壓降較高，導(dǎo)致大電流時(shí)產(chǎn)生通態(tài)損耗問題；且IGBT的過流能力與耐受浪涌電流能力差，面對牽引供電系統(tǒng)大電流負(fù)荷波動(dòng)易出現(xiàn)過熱損壞，影響 ZRCS的可靠運(yùn)行。為此本文提出了由兩個(gè)晶閘管反向并聯(lián)組成的晶閘管開關(guān)單元(silicon controlled rectifier switch unit，SCR-SU)，其通態(tài)壓降小于IGBT-SU的串聯(lián)結(jié)構(gòu)?？紤]到開關(guān)單元損耗與其通態(tài)壓降成正比，SCR-SU相較于IGBT-SU在損耗方面更具優(yōu)勢，且晶閘管在面對浪涌電流時(shí)具有可靠性的優(yōu)勢，更適合ZRCS的應(yīng)用。然而，由于晶閘管的半控特性，只能控制其開通，無法控制其關(guān)斷，這將影響ZRCS正常運(yùn)行，而外加強(qiáng)制換流電路則會(huì)引入額外的輔助硬件電路，造成開關(guān)單元體積與成本的增加。為此本文提出了通過負(fù)阻變換器對SCR-SU進(jìn)行強(qiáng)制換流的關(guān)斷策略。

本文首先分析了零阻變換器系統(tǒng)的工作原理，接著在SCR-SU關(guān)斷機(jī)理分析基礎(chǔ)上，提出了基于負(fù)阻變換器實(shí)現(xiàn)晶閘管強(qiáng)制換流的SCR-SU關(guān)斷策略，最后通過仿真和硬件實(shí)驗(yàn)平臺，對本文所提出的晶閘管開關(guān)單元在ZRCS中的應(yīng)用、SCR-SU關(guān)斷策略的有效性及可行性進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 零阻變換器系統(tǒng)的工作原理

ZRCS的結(jié)構(gòu)如圖1所示，在傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)(conventional traction power system，CON-TPS)的牽引所、接觸網(wǎng)(或第三軌)與走行軌的基礎(chǔ)上，并聯(lián)安裝了負(fù)阻變換器(negative resistance converter，NRC)、開關(guān)單元(SU)和回流線纜(return cable，RCA)。

圖1 ZRCS結(jié)構(gòu)示意Figure 1 Illustration of ZRCS

在ZRCS中，SU為雙向可控開關(guān)，其拓?fù)淙鐖D2所示；NRC為雙極性輸出的電力電子設(shè)備，其典型拓?fù)淙鐖D3所示。兩個(gè)NRC與(n-1)個(gè)SU將TS1與TS2之間的供電區(qū)間劃分為n個(gè)區(qū)段。根據(jù)列車所在區(qū)段控制SU的通斷，由NRC輸出電壓抵消回流線纜與導(dǎo)通SU的壓降，即NRC等效輸出電阻為負(fù)，構(gòu)建等效零阻回路轉(zhuǎn)移走行軌回流電流，從而縮短走行軌的回流距離，降低軌道電位與雜散電流[16]。

圖2 SU拓?fù)銯igure 2 SU Topologies

圖3 NRC拓?fù)銯igure 3 NRC Topology

圖4為ZRCS整體控制邏輯，包括SU控制邏輯與 NRC控制邏輯。首先根據(jù)列車所在位置選擇對應(yīng)的SU開通，具體的列車位置檢測方案可使用列車位置檢測裝置[20]。其次根據(jù)SU的導(dǎo)通情況，控制NRC使?fàn)恳幣c導(dǎo)通SU處電位差為零。由NRC、RCA與SU共同構(gòu)建的零阻回路供列車牽引電流回流，在無列車運(yùn)行的走行軌區(qū)段則無電流流過[16]。

圖4 ZRCS整體控制邏輯Figure 4 Overall control logic of ZRCS

如圖5所示，以列車位于區(qū)段k為例，此時(shí)SU-(k-1)與SU-k導(dǎo)通，NRC-1和NRC-2輸出電壓滿足式(1)。式(2)為此時(shí)NRC-1和NRC-2構(gòu)建的兩條零阻回路電壓，其電壓幅值均為零，即等效電阻均為零，NRC表現(xiàn)為抵消回流線纜電阻的負(fù)電阻值。

圖5 列車位于區(qū)段k的示意Figure 5 Schematic of the train in section k

式中，uNRC-1為NRC-1輸出電壓，uNRC-2為NRC-2輸出電壓，uRCA-i為RCA-i兩端電壓，uSU-k為SU-k導(dǎo)通壓降。

式中，uzeroloop_1為構(gòu)建的零阻回路1電壓，uzeroloop_2為構(gòu)建的零阻回路2電壓。

開關(guān)單元(SU)作為分布在隧道內(nèi)的雙向開關(guān)，導(dǎo)通與關(guān)斷跟隨列車運(yùn)行周期，切換頻率極低?？紤]到機(jī)械開關(guān)電氣壽命較短，電力電子開關(guān)更為合適。對于隧道內(nèi)的有限空間，為降低流過大電流的開關(guān)單元導(dǎo)通損耗、降低熱損耗管理難度，應(yīng)選擇通態(tài)壓降相對較低的器件與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。相較其他電力電子器件，晶閘管具有成本低、開通損耗低、電流應(yīng)力大、驅(qū)動(dòng)簡單等優(yōu)勢，但存在無法自關(guān)斷的問題。接下來本文針對SCR-SU中晶閘管的關(guān)斷問題開展進(jìn)一步研究。

2 SCR-SU的關(guān)斷機(jī)理

晶閘管開通時(shí)，為其門極施加正向驅(qū)動(dòng)電壓脈沖，當(dāng)其陽極與陰極之間承受正向電壓時(shí)，晶閘管開通。而晶閘管關(guān)斷時(shí)，除了晶閘管門極需要施加零電壓或負(fù)壓外，還需將流過晶閘管的電流幅值降至維持電流以下[21]。

當(dāng)ZRCS正常工作時(shí)，開關(guān)單元SU需隨著列車運(yùn)行實(shí)時(shí)切換，但由于晶閘管的半控特性，只能控制SCR-SU的開通，無法控制其關(guān)斷，而開關(guān)單元的異常導(dǎo)通將影響ZRCS的正常工作。

當(dāng)列車的運(yùn)行工況由牽引或惰行工況轉(zhuǎn)為制動(dòng)工況時(shí)，列車的牽引電流由正變負(fù)，在關(guān)斷相應(yīng)觸發(fā)脈沖的條件下，迫使流過SU的電流由正值下降至零，即實(shí)現(xiàn)SCR-SU的自關(guān)斷。同理，若列車由制動(dòng)工況轉(zhuǎn)為牽引或惰行工況時(shí)，列車的牽引電流由負(fù)變正，可實(shí)現(xiàn)SCR-SU的自關(guān)斷。但是，當(dāng)列車以單一工況運(yùn)行時(shí)，則列車牽引電流的方向不發(fā)生變化，若流過SCR-SU的電流無法降至維持電流以下，則會(huì)出現(xiàn) SCR-SU無法自關(guān)斷的問題，影響ZRCS零阻回路的構(gòu)建。ZRCS通過SU將原本走行軌上的回流電流轉(zhuǎn)移至回流線纜，而無法自關(guān)斷的 SU相當(dāng)于在原有的零阻回路基礎(chǔ)上額外構(gòu)建了一條短路回路，如圖6所示。對于負(fù)阻變換器，這條短路回路相當(dāng)于額外并聯(lián)了一個(gè)小電阻負(fù)載，使得負(fù)阻變換器輸出電流大幅度增加，向走行軌“注入”電流，這與 ZRCS構(gòu)建零阻回路從而減少走行軌回流幅值的基本思路相悖，因此必將影響 ZRCS對雜散電流的治理效果，且給負(fù)阻變換器的安全運(yùn)行帶來威脅。

圖6 無法自關(guān)斷的SCR-SU示意Figure 6 Schematic of SCR-SU that cannot be turned off

在直流應(yīng)用中，常用外加強(qiáng)制換流電路的晶閘管強(qiáng)制關(guān)斷方法[22]；但外加的強(qiáng)制換流電路額外引入的硬件電路會(huì)大大增加SU復(fù)雜程度與體積，不利于在隧道的狹小空間內(nèi)安裝。盡管切換列車運(yùn)行工況無需改變SCR-SU結(jié)構(gòu)即可關(guān)斷晶閘管，但列車的實(shí)際運(yùn)行情況無法保證與開關(guān)單元的切換匹配。

綜上可知，無法自關(guān)斷的SCR-SU會(huì)影響ZRCS的正常運(yùn)行。切換列車工況和外加強(qiáng)制換流電路的SCR-SU關(guān)斷方法在實(shí)際應(yīng)用中適應(yīng)性差。為保證ZRCS中SCR-SU的正常投切，需采取其他關(guān)斷策略來保證SCR-SU的可靠關(guān)斷。

3 基于負(fù)阻變換器的SCR-SU關(guān)斷策略

針對上述關(guān)斷策略的不足，本文提出了在零阻變換器系統(tǒng)中基于負(fù)阻變換器的 SCR-SU關(guān)斷策略(簡稱“SCR-SU關(guān)斷策略”)，控制NRC參與晶閘管的強(qiáng)制換流過程，其原理如圖7所示。

圖7 利用NRC強(qiáng)制換流原理Figure 7 Principle of NRC forced commutation

在對SCR-SU門極施加零電壓或負(fù)電壓之后，通過NRC電源側(cè)吸收無法自關(guān)斷的SCR-SU支路的功率，從而利用NRC為SCR-SU提供一個(gè)反壓，實(shí)現(xiàn)SCR-SU的強(qiáng)制換流關(guān)斷，即控制圖7中S12與S13導(dǎo)通，S11與S14關(guān)斷，使加在開關(guān)單元內(nèi)晶閘管S1兩端(2a與2b之間)電壓為一負(fù)值。為保證SCR-SU中的晶閘管可靠關(guān)斷的同時(shí)，NRC輸出電壓不下降至一個(gè)過低的負(fù)值，控制NRC輸出零電壓或反壓。

在NRC參與強(qiáng)制換流期間，NRC無法抵消回流線纜與開關(guān)單元的等效電阻，為減小走行軌的回流，零阻回路的等效電阻應(yīng)盡可能小，即 NRC輸出電壓為零時(shí)對雜散電流治理效果是最優(yōu)的，故接下來本文僅討論NRC輸出零電壓的情況。考慮到SCR-SU關(guān)斷策略的持續(xù)時(shí)間只需要保證晶閘管完成換流關(guān)斷，而快速型晶閘管的關(guān)斷時(shí)間通常小于100 μs。開關(guān)單元的切換周期一般與列車運(yùn)行周期接近，故在保證負(fù)阻變換器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的條件下，利用 NRC強(qiáng)制換流關(guān)斷SCR-SU耗時(shí)占比相對于列車運(yùn)行周期可近似忽略不計(jì)，即SCR-SU關(guān)斷策略不會(huì)對ZRCS的正常工作造成顯著影響。

圖8為SCR-SU關(guān)斷策略控制框圖，當(dāng)ZRCS正常工作時(shí)，由兩個(gè) NRC構(gòu)建兩條零阻回路，即最多同時(shí)開通兩個(gè) SU，如 SU-(k-1)與 SU-k。若關(guān)斷靠近NRC-1的SU-(k-1)，則由NRC-1參與強(qiáng)制換流；同理，若關(guān)斷靠近NRC-2的SU-k，則由NRC-2參與強(qiáng)制換流。當(dāng)ZRCS僅一個(gè)SU導(dǎo)通時(shí)，如SU-k，若SU-k更靠近NRC-1，即k＜n/ 2，則由NRC-1參與強(qiáng)制換流，反之則由NRC-2參與強(qiáng)制換流。當(dāng)ZRCS中一個(gè)NRC參與SCR-SU強(qiáng)制換流時(shí)，另一NRC保持正常給定輸出，則不影響另一條零阻回路的構(gòu)建，即SCR-SU關(guān)斷策略不會(huì)影響ZRCS其余部分的正常運(yùn)行。

圖8 SCR-SU關(guān)斷策略Figure 8 Turn-off strategy of SCR-SU

綜上所述，本文的SCR-SU關(guān)斷策略能夠在保證列車與ZRCS正常運(yùn)行的同時(shí)關(guān)斷SCR-SU。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真驗(yàn)證

本節(jié)搭建了圖1所示的ZRCS仿真模型，牽引所采用懸浮接地方式，表1為仿真參數(shù)。為簡化分析，一輛列車從TS1處以恒流牽引運(yùn)行至TS2處，SU-1、SU-2、SU-3分別位于x=1.25 km，x=2.5 km，x=3.75 km，將5 km的供電區(qū)間平均分為4個(gè)區(qū)段。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Parameters of system

如圖9所示，若不對SCR-SU采取強(qiáng)制關(guān)斷，即不采用SCR-SU關(guān)斷策略，隨著列車運(yùn)行，盡管列車已經(jīng)進(jìn)入第3區(qū)段，SU-1在理想情況應(yīng)關(guān)斷，但流過SU-1的電流始終大于零，即SU-1無法自行關(guān)斷。

圖9 SU-1電流Figure 9 SU-1 current

以列車位于3.125 km處為例，此時(shí)SU-1應(yīng)關(guān)斷，SU-2與SU-3導(dǎo)通。假設(shè)SU-1最初因無法自關(guān)斷而處于開通狀態(tài)，在t1時(shí)刻關(guān)斷SU-1，即采用SCR-SU關(guān)斷策略，NRC-1參與強(qiáng)制換流關(guān)斷SU-1，SU-1的關(guān)斷過程如圖10所示；t2為NRC-1恢復(fù)正常給定電壓輸出時(shí)刻，其中NRC輸出電壓對應(yīng)于圖1中1a與1b兩端電壓，SU電流對應(yīng)于2a流向2b電流。

圖10 SU-1關(guān)斷過程Figure 10 Turn-off process of SU-1

采用圖8所示的SCR-SU關(guān)斷策略之前，SU-1、SU-2與SU-3流過的電流之和達(dá)到2 094 A，超過了列車牽引電流的1 667 A，這說明此時(shí)由于SU-1的異常導(dǎo)通，構(gòu)造了一條短路回路使NRC-1輸出電流增加，向走行軌額外注入了部分電流。

隨著NRC-1輸出電壓降至零，即開始參與SCR-SU的強(qiáng)制換流，SU-1原開通的晶閘管由NRC-1電源側(cè)強(qiáng)制換流關(guān)斷，此過程僅耗時(shí)1.2 ms。在NRC-1輸出電壓保持為零期間，流過 SU-2的電流幅值沒有太大變化，流過SU-3的電流與NRC-2的輸出電壓有所增加，但增幅較小在5%以下。此時(shí)流過SU-2與SU-3的電流之和小于列車牽引電流1 667 A，這是因?yàn)榇藭r(shí)由NRC-1、SU-2與回流線纜構(gòu)成的零阻回路等效為一正電阻并聯(lián)在走行軌上，部分牽引電流需要通過走行軌回流至牽引所。

當(dāng)NRC-1恢復(fù)正常工作后，SU-1已經(jīng)可靠關(guān)斷，流過 SU-2與 SU-3的電流之和接近列車牽引電流1 667 A，此時(shí)ZRCS恢復(fù)正常運(yùn)行，列車的大部分牽引電流通過由ZRCS構(gòu)建的兩條零阻回路回流至兩側(cè)的牽引所。因此SCR-SU關(guān)斷策略的正確性得到驗(yàn)證。

圖11為采用SCR-SU關(guān)斷策略前后的ZRCS軌道電位分布，根據(jù)式(3)和(4)可計(jì)算采用SCR-SU關(guān)斷策略前后的雜散電流總量分別為522.9 mA和243.4 mA，其中S1和S2分別為圖11中紅色和藍(lán)色陰影部分面積。采用 SCR-SU關(guān)斷策略之前，軌道電位的最大值從7.726 V增加至10.13 V，增加了31.1%，雜散電流增加了114.8%。

圖11 列車位于l=3.125 km時(shí)軌道電位Figure 11 Rail potential when train is at l=3.125 km

式中，is1和is2分別為采用SCR-SU關(guān)斷策略前后的雜散電流總量，ur1和ur2分別為采用SCR-SU關(guān)斷策略前后的軌道電位分布，S1和S2分別為圖11中紅色和藍(lán)色陰影部分面積，Rg為軌-地過渡電阻大小。

如圖12所示，若ZRCS能夠正常工作，即SCR-SU可正常關(guān)斷，則全路段下，由列車運(yùn)行所帶來的雜散電流平均值由1 035 mA降至314.1 mA，降低了

圖12 雜散電流Figure 12 Stray current

69.7%。但倘若SU-1無法關(guān)斷，全路段下雜散電流的平均值增加至425.8 mA，增加了35.6%。定義雜散電流抑制率ζ如式(5)所示，ZRCS在采用SCR-SU關(guān)斷策略與不采用SCR-SU關(guān)斷策略的平均雜散電流抑制率分別為69.7%和58.8%。

式中，ζ為雜散電流抑制率，Istray_CON-TPS為CON-TPS下的雜散電流，Istray_ZRCS為ZRCS下的雜散電流。

仿真結(jié)果表明，無法關(guān)斷的SCR-SU會(huì)對ZRCS的正常工作和雜散電流的治理效果造成顯著影響。而采用本文所提出的關(guān)斷策略能夠可靠關(guān)斷SCR-SU，從而保證ZRCS的正常運(yùn)行。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證SCR-SU及其關(guān)斷策略在ZRCS中的可行性以及上述理論分析的正確性，搭建了圖13的實(shí)驗(yàn)平臺。其中，列車以可編程電流源等效，兩個(gè) NRC分別由兩個(gè)獨(dú)立電源供電，3個(gè)SCR-SU將供電區(qū)間平均分成4個(gè)區(qū)段，其中CON-TPS與回流線纜由離散化的電阻網(wǎng)絡(luò)等效替代，主要參數(shù)見表2。

圖13 實(shí)驗(yàn)平臺示意Figure 13 Experimental platform

表2 CON-TPS與ZRCS實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental parameters of CON-TPS and ZRCS

圖14為當(dāng)列車位于3.125 km處時(shí)SU-1的關(guān)斷過程，t0時(shí)刻開始關(guān)斷SU-1，t1時(shí)刻完成SU-1的關(guān)斷，t2時(shí)刻恢復(fù)NRC-1的正常輸出。Uzeroloop_2為NRC-2構(gòu)成的零阻回路電壓，即NRC-2輸出電壓與區(qū)段4的回流線纜壓降和SU-3的導(dǎo)通壓降之和，在NRC-1執(zhí)行SCR-SU關(guān)斷策略前后Uzeroloop_2的值始終保持為零，可見SU-3、回流線纜與NRC-2的等效電阻之和約等于零，零阻回路有效構(gòu)建。因此NRC-1在執(zhí)行SCR-SU關(guān)斷策略不會(huì)影響 NRC-2零阻回路正常構(gòu)建，即ZRCS剩余部分可正常工作。

圖14 NRC-1關(guān)斷SU-1實(shí)驗(yàn)結(jié)果Figure 14 Experimental result of SU-1 turning off by NRC-1

SU-1的關(guān)斷耗時(shí)約為57 ms，其關(guān)斷速度主要與負(fù)阻變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度有關(guān)。ISU-1為流過 SU-1的電流，關(guān)斷前為6.6 A，當(dāng)NRC-1輸出電壓降至零后SU-1可靠關(guān)斷，電流降至0 A后保持不變。在執(zhí)行SCR-SU關(guān)斷策略前后，NRC-1輸出電壓分別為31.5 V和32 V，略有增加，其變化趨勢符合仿真結(jié)果。

INRC-1為流過NRC-1的電流，執(zhí)行SCR-SU關(guān)斷策略前后分別為9.9A和6.3A，根據(jù)式(6)可知在SU-1可靠換流關(guān)斷后，NRC-1的等效電阻為-5.08Ω。區(qū)段1、2回流線纜電阻之和為5Ω，此時(shí)SCR-SU的通態(tài)壓降為0.855 V，SU-2流過電流為7.4 A，其等效電阻約為0.11 Ω，則此時(shí)SU-2、回流線纜與NRC-1等效電阻之和為0.03 Ω，約等于零。這說明此時(shí)NRC-1恢復(fù)正常工作，成功構(gòu)建了零阻回路供列車的牽引電流回流至TS1。

式中，RNRC_eq為NRC輸出等效電阻，UNRC為NRC輸出電壓，INRC為NRC輸出電流。

圖15為SU-1關(guān)斷前后的軌道電位分布，分別采集TS1、SU-1、SU-2、列車、SU-3與TS2處軌道電位來擬合全路段下的軌道電位分布情況。根據(jù)式(3)和(4)可計(jì)算SU-1關(guān)斷前后，即采用SCR-SU關(guān)斷策略前后，軌道電位的最大值分別為10.41 V和8.587 V，雜散電流總量分別為0.485 7 A和0.359 8 A，而此時(shí)CON-TPS的軌道電位最大值和雜散電流總量分別為17.78 V和1.465 A，根據(jù)式(5)可得，采用SCR-SU關(guān)斷策略前后的雜散電流抑制率分別為66.84%和75.44%。

圖15 列車位于l=3.125 km時(shí)軌道電位分布實(shí)驗(yàn)結(jié)果Figure 15 Experiment result of rail potential distribution when train is at l=3.125 km

圖16為基于SCR-SU的ZRCS的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中CON-TPS的全路段下平均雜散電流為986.4 mA，而基于SCR-SU的ZRCS平均雜散電流僅為210.9 mA，平均抑制率可達(dá)到 78.62%。因此采用了 SCR-SU的ZRCS對雜散電流的治理效果得以驗(yàn)證。

圖16 CON-TPS與基于SCR-SU的ZRCS實(shí)驗(yàn)結(jié)果Figure 16 Experimental results of CON-TPS and SCR-SU based ZRCS

表3為容量相近的IGBT模塊FF150R12RT4與晶閘管模塊MTC160A構(gòu)成的開關(guān)單元的對比。在流過相同電流的情況下，IGBT-SU的損耗為SCR-SU的2.5倍，且成本提升了3.2倍。在面對開關(guān)單元突然導(dǎo)通時(shí)的浪涌電流時(shí)，SCR-SU可承受5 400 A的浪涌電流，為其額定電流的33倍；而IGBT-SU面對浪涌電流的可靠性較差。

表3 IGBT-SU與SCR-SU對比Table 3 Comparison between IGBT-SU and SCR-SU

在搭建的硬件實(shí)驗(yàn)平臺中，當(dāng)列車位于3.125 km處時(shí)，此時(shí) SU-2流過 7.4 A的電流，IGBT-SU與SCR-SU的導(dǎo)通壓降分別為1.871 V與0.855 V，此時(shí)SCR-SU在流過相同電流下?lián)p耗僅為 IGBT-SU的45.7%。綜上，SCR-SU相比于IGBT-SU具有成本、損耗與可靠性上的顯著優(yōu)勢。

5 結(jié)論

本文對SCR-SU在ZRCS中的關(guān)斷策略展開研究，在揭示SCR-SU關(guān)斷機(jī)理基礎(chǔ)上，從ZRCS系統(tǒng)級層面提出了基于負(fù)阻變換器的SCR-SU關(guān)斷策略。對上述內(nèi)容展開了詳細(xì)的理論研究、仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到下述結(jié)論：

1) SCR-SU和IGBT-SU相比，不僅在成本方面有著顯著優(yōu)勢，且在損耗與可靠性方面具有明顯優(yōu)勢，更具推廣前景。

2) 基于負(fù)阻變換器的 SCR-SU關(guān)斷策略能夠在不影響ZRCS正常工作的條件下實(shí)現(xiàn)SCR-SU的可靠關(guān)斷，從而保證ZRCS的正常運(yùn)行。

3) 基于SCR-SU的ZRCS在正常工作的情況下可有效治理城市軌道交通中的雜散電流問題，具有良好的應(yīng)用前景。