城市軌道交通車輛電氣系統(tǒng)接地探討

劉 洋

（蘇州軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司 江蘇 蘇州 215101）

0 前言

為了保證城市軌道交通車輛上的電氣設(shè)備或者電路正常工作和人身安全，以及考慮到整車電磁兼容性能，必須將軌道交通車輛上的電氣、電子設(shè)備進(jìn)行接地。廣義地說(shuō)，“地”可以是一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面，它為電路系統(tǒng)提供一個(gè)參考電位，為靜電釋放提供通道，為設(shè)備故障電流和雷擊電流泄放提供通道，因此必須科學(xué)合理的設(shè)置接地電路。按用途可將接地劃分為：工作接地、安全接地、屏蔽接地。

1 工作接地

地鐵列車的工作接地包括高壓回流接地、低壓工作接地

1.1 高壓回流接地

高壓回流接地的作用是將從接觸網(wǎng)處獲得的電流引入軌道，回流至變電所，形成一個(gè)回路保證電路的接通。該電路設(shè)計(jì)應(yīng)能保證所有電流均回流至電源，不會(huì)導(dǎo)致任何損壞或觸電危險(xiǎn)?；亓鹘拥仉娎|阻抗應(yīng)盡可能低。

圖1 高壓主電路

根據(jù) 《IEC 60077-1鐵路應(yīng)用—軌道車輛用電器設(shè)備 第1部分：一般操作要求和規(guī)則》要求：

1）至少應(yīng)有兩個(gè)不同的通路同時(shí)用于電流回流，從而一個(gè)通路的失敗不會(huì)引起損壞或觸電危險(xiǎn)；

2）實(shí)現(xiàn)電力回流的方法是使所有的電路分別與一母線相連，該母線應(yīng)與車身和與所有外露的導(dǎo)電元件絕緣，和本身與電流回流集電器（車軸電刷/回流集電靴）相連。

1.2 低壓工作接地

低壓工作接地的作用是為低壓電路提供一個(gè)基準(zhǔn)電位，同時(shí)也是雜散信號(hào)的回流通道。

圖2 低壓工作接地電路

如圖2(a)所示，電路1、2、3共用一根接地線，由于地線存在阻抗，后端電路電流會(huì)疊加到前端電路的地線阻抗上，當(dāng)后端電路的電流改變時(shí)，會(huì)影響前端電路地線上壓降，進(jìn)而影響前端負(fù)載的工作電壓，這種干擾稱之為共組抗干擾。當(dāng)高頻信號(hào)作用時(shí)，地線阻抗將主要由感抗決定，這種干擾將更加明顯。

在實(shí)際的電路中應(yīng)當(dāng)盡量避免共組抗干擾，尤其是數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。因此數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)應(yīng)該分開單獨(dú)接地，如圖2(b)所示。

除了把相互干擾的電路分開接地以外，還應(yīng)當(dāng)盡量使接地電纜的接地阻抗低。

2 安全接地

安全接地主要為保護(hù)人身和設(shè)備安全。對(duì)于人身安全的保護(hù)首先要研究電流通過(guò)人體的效應(yīng)。

2.1 人身安全保護(hù)

根據(jù)《IEC 60479電流流過(guò)人體和動(dòng)物的效應(yīng)》，電流的效應(yīng)由生理參數(shù)和電氣參數(shù)決定。心室纖維性顫動(dòng)是導(dǎo)致死亡的主要原因。

2.1.1 15～100Hz交流電流對(duì)人體的效應(yīng)

圖3 15～100Hz交流電-通電時(shí)間對(duì)應(yīng)圖

表1 15～100Hz交流電流對(duì)人體的效應(yīng)說(shuō)明

2.1.2 直流電流對(duì)人體的效應(yīng)

圖4 直流電-通電時(shí)間對(duì)應(yīng)圖

表2 直流電流對(duì)人體的效應(yīng)說(shuō)明

2.1.3 直流電流對(duì)人體的其他效應(yīng)

1）接近100mA時(shí)，通電期間，四肢有發(fā)熱感。

2）在接觸面的皮膚內(nèi)感到疼痛。

3）300 mA以下橫向電流流過(guò)人體幾分鐘，隨著時(shí)間和電流量的增加，可引起可以恢復(fù)的心律失常、電流傷痕、燒傷、頭暈以及有時(shí)失去知覺。

4）電流達(dá)數(shù)安培連續(xù)超過(guò)幾秒，則可能發(fā)生內(nèi)部燒傷或其他損傷，甚至死亡。

2.1.4 人體的阻抗

人體的阻抗除根據(jù)個(gè)人體質(zhì)不同，阻抗不相同以外，從電氣上存在以下差異：

1）施加電壓越大時(shí)，阻抗越小。電壓頻率越大時(shí)，皮膚阻抗越小。2）施加電壓的接觸面積越大，阻抗越小。

3）施加電壓的位置不同，阻抗不相同。如左手到右手、雙手到腳等。

例如：在接觸面積較大，從左手到右手，施加電壓為DC125V，95%的人的阻抗會(huì)在3000歐。

2.1.5 車輛接地措施

為防止乘客、乘務(wù)人員、檢修人員受到車輛電氣設(shè)備電擊傷害，車輛所有易于被人接觸的電氣設(shè)備都安裝在箱體和內(nèi)裝板內(nèi)，所有金屬箱體要求通過(guò)接地線連接車體，車體通過(guò)接地線與回流軸端連接，進(jìn)而與鐵軌導(dǎo)通，使車體、設(shè)備箱體與鐵軌等電位，鐵軌處于地電位。一旦發(fā)生設(shè)備漏電，因人體阻抗遠(yuǎn)大于車體、接地線、鋼軌的串聯(lián)阻抗，通過(guò)人體的電流可以控制在安全區(qū)域內(nèi)。

2.2 設(shè)備安全保護(hù)

2.2.1 防雷接地

在受電弓后端設(shè)置金屬氧化物避雷器，保護(hù)車輛電氣設(shè)備免受雷擊過(guò)電壓的損壞，并限制續(xù)流的持續(xù)時(shí)間，且可以限制續(xù)流幅度。

2.2.2 高壓設(shè)備外殼接地

1）防止外殼上積累電荷；

2）當(dāng)設(shè)備的絕緣損壞而使外殼帶電時(shí)，促使電源的保護(hù)動(dòng)作而切斷電源；

3）屏蔽設(shè)備巨大的電場(chǎng)。

3 屏蔽接地

3.1 集膚效應(yīng)

當(dāng)交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)，電流將趨于導(dǎo)體表面流過(guò)，這種現(xiàn)象叫集膚效應(yīng)。頻率越高，集膚效應(yīng)越明顯。因此對(duì)于高頻信號(hào)的接地電纜應(yīng)盡量選用表面積大的編織接地線。

3.2 電場(chǎng)屏蔽

在屏蔽層未接地時(shí)電路中的耦合關(guān)系如圖5(a)所示，其等效電路如圖5(b)實(shí)線所示。

圖5 電場(chǎng)騷擾電路

由等效電路可知，騷擾源電路上的電壓U1可以通過(guò)導(dǎo)線1與屏蔽層之間的耦合電容Cms耦合到屏蔽層上，再通過(guò)屏蔽層與導(dǎo)線2之間的耦合電容Cs耦合到導(dǎo)線2上，從而對(duì)導(dǎo)線2上的電路形成干擾。將屏蔽層接地以后，相當(dāng)于將C2s短路，如圖虛線所示，Cms被短接至地，不能將騷擾傳導(dǎo)至導(dǎo)線2。

因此電場(chǎng)的屏蔽只需要屏蔽層單端接地即可。此外，要選用屏蔽編織層比較緊密的電纜以減小C12，同時(shí)芯線不要露出屏蔽層外。

3.3 磁場(chǎng)屏蔽

根據(jù)Φ=Li很容易推導(dǎo)得出屏蔽層的自感Ls等于屏蔽層與線芯的互感M，即：Ls=M

如圖6(a)，屏蔽層雙端接地，則根據(jù)等效電路圖6(b)可知：

圖6 屏蔽層雙端接地電路

ω0=rs／Ls，為電源的截止頻率。 當(dāng) ω＞＞ω0時(shí)，Is≈I1，此時(shí) IG≈0。

因此，屏蔽層外，屏蔽層產(chǎn)生的磁場(chǎng)與回流產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互抵消，實(shí)現(xiàn)了磁場(chǎng)的屏蔽。以上為主動(dòng)屏蔽，被動(dòng)屏蔽原理與此類似。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)f≥10kHz時(shí)，回流幾乎全部走屏蔽層。當(dāng)頻率較低時(shí)，回流大部分經(jīng)由地線回至電源負(fù)極。因此當(dāng)頻率較高時(shí)，屏蔽層接地應(yīng)采用雙端接地，也可以雙端接電源的負(fù)線。

3.4 地環(huán)路對(duì)屏蔽的影響

如右圖7(a)所示，如果接地點(diǎn)A、B之間存在壓降，根據(jù)前邊所述，會(huì)形成地環(huán)路。

圖7 地環(huán)路電路圖

由圖7(b)等效電路可得：

UL＝－jωMIs＋jωLsIs＋rsIs＋E

又有 Ls＝M，則：UL＝rsIs＋E

即加到負(fù)載上的電壓除信號(hào)源的有用電壓外，還有噪聲電壓，噪聲電壓為噪聲電流與屏蔽層電阻的乘積。 可見地環(huán)路會(huì)削弱屏蔽層的屏蔽效果。

3.5 不同電纜克服地環(huán)路效應(yīng)舉例

3.5.1 三軸式同軸電纜或雙重屏蔽電纜

如圖8所示，內(nèi)層屏蔽用作信號(hào)回流線。若有地環(huán)路形成的噪聲電流，則由外屏蔽層經(jīng)過(guò)。

圖8 雙重屏蔽電纜克服地環(huán)路效應(yīng)

3.5.2 同軸電纜

當(dāng)f＞1MHz時(shí)，由于高頻集膚效應(yīng)，信號(hào)電流在屏蔽層的內(nèi)表面流動(dòng)，而地環(huán)路的噪聲電流則在屏蔽層的外表面流動(dòng)

3.5.3 屏蔽雙絞線電纜

如圖9所示，信號(hào)電流在兩根導(dǎo)線上流過(guò)，一根是去流，一根是回流，而地環(huán)路產(chǎn)生的噪聲電流則流過(guò)屏蔽層。由屏蔽層通過(guò)互感感應(yīng)到兩根內(nèi)導(dǎo)線上的噪聲電壓因其大小相等且方向相同，在信號(hào)回路上將相互抵消。實(shí)現(xiàn)了屏蔽效果。

圖9 屏蔽雙絞線克服地環(huán)路效應(yīng)

由上可知，屏蔽雙絞線也可起到三軸電纜的作用，但其價(jià)格便宜，使用方便，實(shí)際應(yīng)用時(shí)多被采用。

3.6 建議的屏蔽接地方法

低頻電路指頻率小于1MHz的電路，高頻電路指頻率大于1MHz的電路。

圖10 屏蔽層接地方法示意圖

［1］IEC 60077-1鐵路應(yīng)用—軌道車輛用電器設(shè)備 第1部分：一般操作要求和規(guī)則[S].1999,10.

［2］IEC 60479 電流流過(guò)人體和動(dòng)物的效應(yīng)[S].2005,07.

［3］黃盛霖,顏禮彬,邱杰.電路中信號(hào)電纜層屏蔽層接地方式的探討[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2002年9月,17(5).

［4］白周云.電磁兼容設(shè)計(jì)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2001.