北京14號線A型地鐵車輛接地技術分析與應用

[摘 要] 文章主要以北京14號線A型地鐵車輛為例，介紹車輛的接地分類、特點、應用及安裝要求。

[關鍵詞] A型地鐵車輛；保護接地；工作接地；回流；屏蔽接地

[作者介紹] 耿前臻，南車青島四方機車車輛股份公司技術中心工程師，研究方向：城軌車輛車下設計，山東 青島，266111

[中圖分類號] U264.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1007-7723（2012）12-0009-0004

南車青島四方機車車輛股份公司基于北京地鐵14號線工程項目的需要，自主研發(fā)生產(chǎn)了國內(nèi)首列輕量化不銹鋼A型地鐵車輛，已于2012年12月下線。該A型地鐵車輛最高運營速度為每小時80公里，采用受電弓受流方式，每列車輛6節(jié)編組，每輛車比北京現(xiàn)行運營的B型地鐵車輛長3米左右，最大載客量達到2580人，比北京現(xiàn)行運營的B型車輛增加700人左右。這也是北京軌道交通的首列A型車輛。

北京14號線A型地鐵車輛采用DC1500V直流供電系統(tǒng)，通過鋼軌作為匯流排直接連至牽引變電站。通過牽引變電站-接觸網(wǎng)-受電弓-車輛電氣設備-輪對-軌道-地下匯流排-牽引變電站形成回路閉環(huán)。由于地鐵車輛的結構特點決定了車輛設備內(nèi)部布局十分密集，進而使得車輛內(nèi)部的電磁環(huán)境變得更為復雜，考慮到抑制EMI（電磁干擾），須將地鐵車輛上的電氣、電子設備進行接“地”。合理解決車輛的接地問題是解決EMI問題最有效和最廉價的方法。地鐵車輛與地面固定裝置不同的是，車輛的“地”不是大地，而是相對零電勢基準——車體。通過車體為地鐵車輛電路系統(tǒng)提供一個等電位參考電勢。

根據(jù)文獻1，接地的方法主要分為3種：單點接地、多點接地和混合接地。

車輛的接地按其功能可分為保護接地、工作接地。

本文以北京14號線A型地鐵車輛為例，對A型地鐵車輛的接地技術進行分析、介紹。

一、接地的方法

1. 單點接地：單點接地是為許多在一起的電路提供公共電勢參考點的方法，即把整個電路系統(tǒng)中的一個結構點作為接地參考點，所有對地連接都接在這一點。工作頻率低于1MHz經(jīng)常采用單點接地。單點接地又可分為串聯(lián)單點接地和并聯(lián)單點接地。

2. 多點接地：如下圖1所示，從圖中可以看出，設備內(nèi)電路都以機殼為參考點，而各個設備的機殼又都以地為參考點。多點接地容易產(chǎn)生公共阻抗耦合問題。一般在工作頻率高于10MHz時采用多點接地。由于接地線感抗與頻率和長度成正比，工作頻率高時會增加共地阻抗，增大電磁干擾，因此要求接地線盡量短，也就是常說的就近接地。

多點接地方式的基本方法是車體同時作為安全接地、等電勢接地、回流地和屏蔽接地。它相對常規(guī)的單點接地而言對車輛更為簡單、有效。

3. 混合接地：混合接地結合了單點接地和多點接地的特性。如下圖3所示。

三、保護接地

保護接地是為防止設備的金屬外殼帶電危及人身和設備安全而進行的接地。北京14號線A型地鐵車輛上的保護接地主要從以下方面考慮。

（一）等電勢連接

等電勢連接是將分開的裝置、導電體用等電位連接導體連接起來以減小電流產(chǎn)生的電位差，也可以稱為安全接地。車輛組裝的各導電單元，比如墻體、構架、梁、支架等，應在電氣上以低阻抗、低電感互相連接，連接的表面盡量大且點盡量多。車體（包括墻體和頂）作為一個高效的等勢導體。而每輛車車體間的連接線使每個車體之間等電勢，進而確保整列車中所有可能故障帶電及可能觸及的導電體等電勢連接。每輛車的車體和軸端接地碳刷連接可以保證電荷通過輪對泄放到鋼軌上。

等電勢連接有利于提高設備工作時的信噪比，有效的改善信號通信質量。車體的等電勢連接可以使整個通信、信號系統(tǒng)接地阻抗減小，為有用信息提供統(tǒng)一優(yōu)質的參考面。

（二）防觸電

一般情況下，通過人體的感知電流在0.5mA，電流超過10mA就會有生命危險。地鐵車輛電氣設備工作電壓多為DC1500V和AC380V。如果絕緣被損壞，設備外殼和地之間就有較高的電位差，當人觸及設備及其外殼時，會導致較大的電流流過人體，造成人身傷害。因此，通過接地來消除這種危險是一種十分簡單而有效的辦法。

在14號線地鐵車輛上設備及管線的保護接地線采用防腐蝕的圓錫銅絞線，這種接地線阻值小，韌性好，實際長度一般不超過500mm。以90mm2的絞線為例，其電阻不超過0.0015Ω，而人體電阻通常為2K～20MΩ，這樣保證了箱體外殼與地等電勢良好連接。在下圖4中可以車下電氣設備（牽引及輔助設備）均采用短而粗的接地絞線連接車體。

牽引輔助箱、電阻箱等均用接地座連接到車體上進行可靠接地，提供足夠的EMI（電磁干擾）回路，釋放掉積累在電氣設備上的靜電電荷。同時牽引箱、電器柜等設備內(nèi)的電力電子器件是車輛EMC（電磁兼容）的主要干擾源，把這些箱體的金屬外殼接地起到一個大的“屏蔽罩”的作用，減少了射頻干擾。

（三）防雷

雷擊電流可達30～300kA，功率可達到1億伏特至10億伏特，對地鐵車輛的整個電氣系統(tǒng)的安全產(chǎn)生巨大的威脅。在每個MP車的車頂上通過一個避雷器接地，一旦遇到雷擊，雷擊電流經(jīng)過避雷器-車體-輪對，將雷擊電流注入大地，防止雷擊和過電壓對設備及人身造成危害，做到有效保護。

三、工作接地

工作接地是車輛整個電氣系統(tǒng)正常工作的必要條件，一方面為泄放電荷或建立基準點勢提供回流通道，這是最主要的作用；另一方面在EMC設計中接地可以將噪聲電流引入大地，減少干擾。正確的工作接地是抑制電磁噪聲、防止電磁干擾的重要方法之一。

（一）回流

北京地鐵14號線A型地鐵車輛的配置為Tc-Mp-M1+M2-Mp-Tc，其中M1、M2、Mp車為動車。每輛車下均配置一個牽引輔助箱。高壓直流電通過Mp車頂安裝的受電弓引入，然后向牽引系統(tǒng)和各輔助系統(tǒng)供電。主回路接地電流分流到轉向架、驅動裝置、牽引電機軸承。為避免發(fā)生電蝕，阻止分流的措施包括采用在轉向架、車體連接部位進行絕緣，進而使轉向架構架和軸箱支撐裝置或軸承和軸箱絕緣，使電流流向正規(guī)的接地回路。

在實際電路中工作地線最主要的作用是作為電源的回流線。如下圖5中所示，Tc和M車的回流均通過絕緣電纜，經(jīng)過接地匯流箱，流向軸端接地碳刷，再到鋼軌。回流線使用截面積為95mm2的絕緣電纜，列車車端的連接處的地線采用截面積為120mm2電纜。電纜為鍍錫銅絲絞合而成，導電性好。

（二）信號地

信號地也可以稱為基準電勢。它的作用是保證電路有一個統(tǒng)一的基準電位，不致于浮動而引起信號誤差。在14號線A型地鐵車輛上交流供電系統(tǒng)采用AC380V三相四線制，中線接地，這樣保證輔助供電的三相系統(tǒng)中線對地電壓不變，同時引出380V/220V電源。DC110V電流最終流回蓄電池負極，負極接地可以起到電勢的參考作用。所有DC110V負極在底架接地。

（三）屏蔽接地

屏蔽接地包括電纜的屏蔽層接地、線槽/管的接地。

由于電路之間存在的寄生電容會相互干擾以及電路輻射、對外界電場敏感等，必須進行必要的隔離和屏蔽。在車輛配線中信號和控制線多采用屏蔽電纜，例如，牽引速度傳感器、信號系統(tǒng)速度傳感器等的電源和數(shù)據(jù)傳輸線、音頻信號、數(shù)據(jù)傳輸線、以太網(wǎng)通信線、車載天線等均采用屏蔽電纜。屏蔽電纜是在金屬電纜和絕緣膠皮之間有一層金屬網(wǎng)線或鋁箔。外界電磁輻射及磁場的大部分能量直接通過這層網(wǎng)線將感生電流引開，而對內(nèi)層電纜產(chǎn)生的干擾極小甚至可以忽略。因此，電纜的屏蔽層必須接地才能起到屏蔽的作用。

根據(jù)文獻1中提及的屏蔽接地試驗測試結果，對于低頻電路（f<1MHz），屏蔽電纜的屏蔽層通常是單端接地；對于高頻電路（f>1MHz），通常是兩端接地。由于高頻集膚效應噪聲電流只在屏蔽層外表面流動，兩端接地的磁屏蔽作用被加強。這一點在文獻2的3.9試驗中也得到了的證實。

通過圖6分析結果看，屏蔽線不接地的效果最差，雙端接地比單端接地效果好，特別是在2MHz-10MHz不接地比接地要差6-18dB。

在14號線車輛上牽引電機電纜采用的是單芯屏蔽電纜，屏蔽層兩端接地。電機電路在工作中電流可達到160A～240A，屏蔽層間有較大電流，轉向架與車體間會產(chǎn)生較大的電勢差，此時屏蔽層無法充當?shù)入妱輰w。同時，屏蔽層也會遭受熱應力并充當耦合路徑的傳導干擾。為保證列車的可靠性，電機電纜采用單芯屏蔽電纜，兩端360°接地。圖7為現(xiàn)車實例。

在14號線車輛上貫通的電纜敷設在金屬線槽/管中，這樣可以有效地隔離電磁干擾。

通過線槽/管的可靠接地，可以釋放線槽/管的靜電電荷，同時也可將電纜本身由于交變產(chǎn)生的干擾屏蔽在槽/管內(nèi)，起到相當于“屏蔽罩”的作用，減少射頻干擾。由于車輛下部設備電抗器、變壓器工作電流變化較大，在設備周圍產(chǎn)生直流磁場或100kHz以下的低頻磁場。根據(jù)文獻2的3.12項鋼槽/管接地屏蔽試驗結果：在9kHz-150kHz頻段中鋼管雙端接地效果略優(yōu)于單端接地和不接地；在150kHz-30MHz頻段鋼管雙端接地效果明顯好于單端接地和不接地，而單端接地和不接地之間的差別很??；在30MHz-1GHz頻段的電場發(fā)射來看，整體上鋼管雙端接地效果好于單端接地，鋼管單端接地效果又好于不接地。綜合考慮，在14號線車輛上采用不銹鋼線槽/管單端接地。