地鐵車輛保護(hù)接地技術(shù)研究

李張群，譚萬(wàn)忠，鐘 杰

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東深圳 518000）

0 引言

地鐵上的用電設(shè)備在使用中會(huì)由于絕緣老化、磨損、浸水、潮濕等原因，導(dǎo)致帶電導(dǎo)線或部件與機(jī)殼之間漏電；或者由于設(shè)備超負(fù)荷引起嚴(yán)重發(fā)熱，燒損絕緣造成漏電；還可能因環(huán)境氣體污染、灰塵沉積導(dǎo)致漏電，所以要對(duì)地鐵上各種用電設(shè)備進(jìn)行保護(hù)接地。

1 地鐵車輛的保護(hù)接地概述

地鐵車輛的保護(hù)接地主要指設(shè)備外殼接地，包括車體金屬部件之間、所有金屬箱體與車體之間、車鉤與車鉤之間、車體和轉(zhuǎn)向架之間、轉(zhuǎn)向架和牽引電機(jī)之間，使所有電氣傳導(dǎo)部件與車體成為一個(gè)等勢(shì)體，最終與地面相連。

為了防止觸電危險(xiǎn)，車輛的中壓 380 V 和低壓 110 V也需要進(jìn)行保護(hù)接地，此處的“地”以車體為參考零電位。一般將中壓 380 V 中壓母線的 N 線與車體相連，保證N線對(duì)地等電勢(shì)；低壓 110 V 負(fù)母線與車體相連，使低壓負(fù)母線與車體等電勢(shì)。

2 地鐵車輛保護(hù)接地方式分析

地鐵車輛的保護(hù)接地目前普遍采用與高壓工作回流接地共用 1 個(gè)接地匯流排的方式，容易造成列車的工作回流通過(guò)車體及構(gòu)架產(chǎn)生雜散電流，使軸承發(fā)生電蝕故障。特別是鋁合金車體的電阻小于相等長(zhǎng)度鋼軌的電阻，可能使鋼軌的雜散電流回流至車體[1]。

為了提高車體及構(gòu)架的電動(dòng)勢(shì)，降低列車回流通過(guò)車體及構(gòu)架的電流量，參考文獻(xiàn)[2]提出，增加接地電阻對(duì)減少流經(jīng)車體的回流有明顯的改善作用，但接地電阻的數(shù)量和阻值大小需要另行確定。

地鐵車輛中壓和低壓的保護(hù)接地因?yàn)榕c車體相連，發(fā)生接地故障時(shí)，容易引起車體電壓的升高，造成控制系統(tǒng)紊亂。為了提高車輛運(yùn)營(yíng)的穩(wěn)定性和可靠性，使保護(hù)設(shè)備不被較大的短路電流損壞，要對(duì)車輛中壓和低壓的保護(hù)接地進(jìn)行優(yōu)化。

3 保護(hù)接地電阻的理論計(jì)算和數(shù)值模擬計(jì)算

在以往的車輛設(shè)計(jì)中，保護(hù)接地電阻阻值的大小多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇，并無(wú)明確依據(jù)?，F(xiàn)通過(guò)對(duì)保護(hù)接地電阻進(jìn)行理論計(jì)算和數(shù)值模擬計(jì)算，可以明確保護(hù)接地電阻的最優(yōu)值。

3.1 保護(hù)接地電阻的理論計(jì)算

歐標(biāo) EN50153-2003《鐵路設(shè)施鐵道車輛電氣隱患防護(hù)規(guī)定》中提到，車體與地面裝置的保護(hù)性導(dǎo)體之間的阻值不能大于 50 mΩ[3]。因此，增設(shè)的接地電阻阻值不能太大，目前的經(jīng)驗(yàn)值是 30 mΩ[4]。車體增加接地電阻后的等效電路如圖1所示。

圖中：Rc 是電纜電阻，Re 是接地電刷電阻，Rt 是過(guò)渡電阻（車輪與軌道之間的電阻），Rp 是保護(hù)接地電阻。一輛車有 4 個(gè)軸端接地裝置。

其中鋁合金車體的電阻為 1 μΩ/m，軌道的電阻為 30 μΩ/m，接地電刷Re 的電阻為 5～20 mΩ（經(jīng)驗(yàn)值），過(guò)渡電阻Rt 為 3.5 mΩ，截面積為120 mm2接地電纜的電阻為 0.2 mΩ/m，保護(hù)電阻Rp 目前的經(jīng)驗(yàn)值是30 mΩ。車體和軌道的電阻較小，可以忽略不計(jì)。接地電刷Re 的接觸電阻取最大值 20 mΩ。接地電纜的長(zhǎng)度按 15 m 計(jì)算。

接地匯流排和軌道間的一條回流支路電阻為：則 4 條回流支路并聯(lián)的電阻為：

則車體和保護(hù)性線路（軌道）間的電阻為：

因此，保護(hù)接地電阻取 30 m Ω，滿足標(biāo)準(zhǔn) EN50153的要求。

圖 1 帶有接地電阻的車體與軌道之間的等效電路

圖 2 整車保護(hù)接地等效電路模型

3.2 保護(hù)接地電阻的數(shù)值模擬分析

依據(jù)圖 1 單車的接地等效電路，可以建立整車的保護(hù)接地等效電路（圖 2）。

圖 2 中黃色端口 1～6 為牽引逆變器和輔助逆變器至鋼軌的回流輸入。端口 1 和 6 的最大回流電流約為170 A，端口 2 和 5 的最大回流電流約為 1 000 A，端口 3和 4 的最大回流電流約為 1 170 A。車輛段供電回流設(shè)置在車輛的一側(cè)。

R1 是車體跨接等效電阻，為車體電阻和車輛間接地電纜的接觸電阻之和，約為 5 mΩ。R2 是單車保護(hù)接地電阻，為保護(hù)電阻與接觸電阻之和。R3 是 2 個(gè)轉(zhuǎn)向架中心對(duì)應(yīng)鋼軌的電阻值，約為 0.25 mΩ。R4 是兩車之間鋼軌對(duì)應(yīng)的電阻值，約為 0.14 mΩ。

模型中 P2、P3、P4、P5、P6、P7 為車體電壓電流探針，用于監(jiān)測(cè)車體的電壓電流變化。P8、P9、P10、P11、P12、P13 為保護(hù)接地電阻的電壓探針。P14、P15、P16、P17、P18 為車輛所在鋼軌的電壓電流探針。P1 為總的回流探針。

3.2.1 單車保護(hù)接地電阻（R2）取 30 mΩ 的情況

在仿真分析中，當(dāng)保護(hù)接地電阻取 30 mΩ時(shí)，車體上各探針點(diǎn)對(duì)地電壓值如圖 3 所示，保護(hù)接地電阻的電流值如圖 4 所示。

仿真結(jié)果顯示，當(dāng)接地保護(hù)電阻取 30 mΩ時(shí)，電流主要在鋼軌上流動(dòng)，只有部分小電流進(jìn)入車體。從圖4 可以看出，進(jìn)入車體的電流最大約為 21 A。從圖 3 可以看出，因保護(hù)接地電阻的存在，車體電壓抬升約為 1 V。

圖 3 各探針點(diǎn)的對(duì)地電壓值

圖 4 保護(hù)接地電阻的電流值

3.2.2 單車保護(hù)接地電阻（R2）取 20 mΩ和 40 mΩ的情況

單車保護(hù)接地電阻取 20 m Ω和 40 m Ω時(shí)，流經(jīng)車體的電流值如圖 5 和圖 6 所示。

從仿真結(jié)果來(lái)看，當(dāng)單車保護(hù)接地電阻取 20 mΩ時(shí)，車體各探針點(diǎn)對(duì)地電壓值變化不大；流經(jīng)車體的電流比R2 取 30 m Ω時(shí)增大了約 10 A。當(dāng)單車保護(hù)接地電阻取 40 mΩ時(shí)，車體各探針點(diǎn)對(duì)地電壓有微小變化；流經(jīng)車體的電流比R2 取 30 mΩ時(shí)小一些。

從理論計(jì)算和數(shù)值模擬分析的結(jié)果可知，單車保護(hù)接地電阻取 20 mΩ時(shí)，流經(jīng)車體的軌道回流電流值增加。保護(hù)接地電阻取 40 mΩ時(shí)，又過(guò)于接近標(biāo)準(zhǔn)EN50153 中關(guān)于車體對(duì)地電阻小于 50 mΩ的要求。因此，保護(hù)接地電阻取值 30 mΩ是合適的，一方面整車電壓抬升不高，約為 1 V 左右；另一方面也有效抑制了流經(jīng)車體的軌道回流，同時(shí)也滿足標(biāo)準(zhǔn) EN50153 中關(guān)于車體對(duì)地電阻小于 50 mΩ 的要求。

4 地鐵車輛中、低壓系統(tǒng)的保護(hù)接地

車輛的中、低壓系統(tǒng)主要為列車空調(diào)、空壓機(jī)組、列車照明、控制電路、車門、車載信號(hào)與通信設(shè)備等提供電源，特別是列車控制系統(tǒng)主要是由 DC110V 供電，若低壓系統(tǒng)發(fā)生接地故障，勢(shì)必造成短路事故。短路電流可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的 DC110V 供電斷路器跳閘，列車將失去 DC110V 控制電源，影響重要的控制系統(tǒng)，如制動(dòng)系統(tǒng)的控制電源，嚴(yán)重情況下還可能影響行車安全。因此，車輛的中、低壓系統(tǒng)必須要做好保護(hù)接地。

圖 5 保護(hù)接地電阻取 20 mΩ時(shí)流經(jīng)車體的電流

圖 6 保護(hù)接地電阻取 40 mΩ時(shí)流經(jīng)車體的電流

4.1 中壓母線保護(hù)接地的改進(jìn)

地鐵車輛的中壓 380 V 保護(hù)接地一般是將中壓母線中的N線與車體相連，在采用中壓交流并網(wǎng)供電運(yùn)行時(shí)，為了減小中壓負(fù)載發(fā)生短路故障時(shí)對(duì)中壓母線的影響，要求對(duì)短路故障進(jìn)行在線檢測(cè)和隔離。一般情況下，每個(gè)中壓負(fù)載都帶有過(guò)流保護(hù)開(kāi)關(guān)，當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，過(guò)流保護(hù)開(kāi)關(guān)應(yīng)該斷開(kāi)故障負(fù)載和中壓母線的連接，以確保中壓母線不受影響。當(dāng)短路點(diǎn)無(wú)法通過(guò)線路空氣開(kāi)關(guān)進(jìn)行切除時(shí)，為確保中壓母線不受影響，需要對(duì)中壓母線供電電路進(jìn)行優(yōu)化。

通過(guò)在中壓母線上設(shè)置 3 個(gè)母線接觸器，將輔助電源與中壓母線進(jìn)行隔離。正常情況下，通過(guò)列車控制和管理系統(tǒng)（TCMS）給控制電路發(fā)出閉合指令，將母線接觸器閉合，此時(shí)所有的輔助電源處于并聯(lián)供電模式。當(dāng)中壓母線發(fā)生短路故障時(shí)，TCMS 負(fù)責(zé)短路的定位和故障支線的隔離，此時(shí)母線接觸器將被斷開(kāi)，確保至少有1臺(tái)空壓機(jī)可以正常工作。

4.2 低壓直流 110 V 保護(hù)接地的改進(jìn)

現(xiàn)有地鐵車輛的低壓 110 V 母線保護(hù)接地一般是將母線通過(guò)接地電阻連接到車體上，確保低壓母線不是懸浮電壓且和車體保持等電勢(shì)。同時(shí)設(shè)置單點(diǎn)接地，降低設(shè)備和車體內(nèi)的雜散電流對(duì)控制回路的影響?，F(xiàn)有低壓母線保護(hù)接地方式基本滿足接地要求，但隨著城市軌道交通的發(fā)展，對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)的安全性、可靠性要求也越來(lái)越高。當(dāng)接地故障發(fā)生時(shí)，為了減小設(shè)備電壓浮動(dòng)對(duì)控制回路的影響，同時(shí)保護(hù)設(shè)備不被較大的短路電流損壞，需要對(duì)地鐵車輛低壓母線保護(hù)接地進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的接地電路如圖 7 所示。

圖 7 低壓 110 V 負(fù)母線接地示意圖

DC110V 負(fù)母線貫通全列車，每輛車的低壓負(fù)母線通過(guò)一定阻值的電阻與車體相連。其中R1 為 820 Ω，R2 為 8.2 Ω，在R2 并聯(lián)的支路中有一個(gè)小容量的斷路器（0.5 A）。正常情況下接地?cái)嗦菲魇情]合的，Tc 車接地電阻為 4 Ω，整列車 DC110V 負(fù)母線的等效接地電阻為 2Ω，斷路器中只流過(guò)微弱的漏電流，因此接地電阻上的壓降非常小，負(fù)母線的電位接近車體的電位，確保了DC110V 系統(tǒng)負(fù)母線電位的穩(wěn)定，也可有效抑制電磁干擾[5]。

當(dāng) DC110V 系統(tǒng)中出現(xiàn)電氣設(shè)備接地故障，接地電流超過(guò)斷路器跳閘的設(shè)定值時(shí)，故障電流會(huì)使斷路器斷開(kāi)，同時(shí)通過(guò) TCMS 監(jiān)視斷路器的狀態(tài)，當(dāng)該斷路器斷開(kāi)時(shí)，在司機(jī)顯示器上會(huì)提示低壓電路出現(xiàn)接地故障。斷路器斷開(kāi)后，Tc 車接地電阻為 410 Ω，遠(yuǎn)大于正常時(shí)的 4 Ω，此時(shí) DC110V 負(fù)母線等效接地電阻為 68 Ω，故障電流會(huì)被限制在較小的水平，這大大降低了控制電路斷路器跳閘的可能性。在清除接地故障前，故障接地電流不至于損壞設(shè)備，控制電路均可以正常使用，不影響列車運(yùn)營(yíng)。

在實(shí)際應(yīng)用中，接地故障多是由于低壓設(shè)備的正端直接對(duì)地或屏蔽層錯(cuò)接至電源正極造成的，這類接地故障的故障電源均比較小。因此，結(jié)合車輛的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，接地?cái)嗦菲鞯念~定容量通常定為 0.5 A。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)地鐵車輛保護(hù)接地的理論分析，確定了保護(hù)接地的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過(guò)對(duì)保護(hù)接地電阻的阻值進(jìn)行理論計(jì)算和仿真分析，給出保護(hù)接地電阻的建議值。對(duì)于車輛中、低壓系統(tǒng)的保護(hù)接地，從提高車輛運(yùn)行的安全性和可靠性角度，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，隨著列車通信控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，從加強(qiáng)列車接地故障的在線檢測(cè)和隔離功能角度，完善列車接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為地鐵車輛工作者進(jìn)行接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供新的思路。

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