地鐵車輛保護(hù)接地技術(shù)研究

蔡里明

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東 青島 266000

引言

目前地鐵車輛的輔助供電方式主要有三種，分別為擴(kuò)展供電、交叉供電和并網(wǎng)供電。早期地鐵列車一直采用擴(kuò)展供電方式和中壓交叉網(wǎng)絡(luò)供電形式，直到近年來開始采用中壓并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)供電形式。中壓并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)供電其前身出自于電力供電系統(tǒng)的高壓直流并聯(lián)供電技術(shù)，并隨著列車通信和控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而逐漸成熟。特別是在長編組多輔助逆變器(SIV)的車輛上采用并網(wǎng)供電技術(shù)，當(dāng)輔助供電系統(tǒng)故障時(shí)，通過列車監(jiān)控管理系統(tǒng)(TCMS)對逆變器和負(fù)載進(jìn)行管理，從而有效降低供電故障對列車性能的影響。相比傳統(tǒng)的供電方式，多臺輔助逆變器的并網(wǎng)供電系統(tǒng)冗余性強(qiáng)，大大提高了列車運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，因此并網(wǎng)供電將成為未來的趨勢。

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等勢體，最終與地面相連。為了防止觸電危險(xiǎn)，車輛的中壓380V和低壓110V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380V中壓母線的N線與車體相連，保證N線對地等電勢；低壓110V負(fù)母線與車體相連，使低壓負(fù)母線與車體等電勢。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個接地匯流排的方式，容易造成列車的工作回流通過車體及構(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度鋼軌的電阻，可能使鋼軌的雜散電流回流至車體。為了提高車體及構(gòu)架的電動勢，降低列車回流通過車體及構(gòu)架的電流量，增加接地電阻對減少流經(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，要對車輛中壓和低壓的保護(hù)接地進(jìn)行優(yōu)化。

2 輔助系統(tǒng)中壓交流并網(wǎng)供電方案

輔助系統(tǒng)是列車運(yùn)行不可缺少的一部分，是給列車通風(fēng)設(shè)備、空調(diào)、照明、制動和控制單元供電的系統(tǒng)。輔助系統(tǒng)包括輔助供電系統(tǒng)和輔助用電設(shè)備，輔助供電系統(tǒng)分為中壓(AC380V)供電系統(tǒng)和低壓(DC110V)供電系統(tǒng)，中壓供電系統(tǒng)由輔助逆變器提供電源，低壓供電系統(tǒng)由充電機(jī)提供電源。輔助用電設(shè)備同樣也包括中壓用電設(shè)備和低壓用電設(shè)備，中壓用電設(shè)備包括，空調(diào)、制動電阻風(fēng)機(jī)、空氣壓縮機(jī)、電抗器風(fēng)機(jī)；低壓用電設(shè)備包括照明、PIS系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、其他輔助設(shè)備。整個輔助系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)主要設(shè)備包括輔助逆變器(簡稱SIV)、蓄電池充電機(jī)和蓄電池。采用并網(wǎng)供電方式時(shí)，設(shè)置列車DC1500V輔助專用高壓母線，通過高壓輔助母線將列車4臺輔助電源輸入端并行連接起來，并設(shè)置母線熔斷器和輸出接觸器進(jìn)行保護(hù)。輔助變流器并網(wǎng)工作時(shí)，模塊之間采用直接并聯(lián)模式，并通過網(wǎng)絡(luò)指定主機(jī)和從機(jī)，主機(jī)提供輸出電壓的幅值和頻率基準(zhǔn)，主機(jī)和從機(jī)均勻分配輸出電流。當(dāng)其中一臺輔助變流器模塊出現(xiàn)故障時(shí)，其余模塊可經(jīng)內(nèi)部控制系統(tǒng)的邏輯運(yùn)算繼續(xù)為負(fù)載供電，其調(diào)整速度快、穩(wěn)定性好、均流能力強(qiáng)。

3 地鐵車輛保護(hù)接地技術(shù)分析

3.1 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，勢必造成短路事故。短路電流可能會導(dǎo)致對應(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。

3.2 中壓交流并網(wǎng)供電故障策略的實(shí)現(xiàn) 在中壓母線上設(shè)置3個中壓母線接觸器并對控制電路進(jìn)行優(yōu)化，輔助電源系統(tǒng)的中壓母線由并聯(lián)的輔助逆變器供電，中壓母線貫穿于整列車給整列車的中壓負(fù)載同時(shí)供電，母線接觸器用于將輔助電源與中壓母線隔離。正常情況時(shí)，母線接觸器處于閉合狀態(tài)并且所有的輔助電源處于并聯(lián)供電模式；當(dāng)發(fā)生母線短路故障時(shí)，母線接觸器可以將短路母線隔離，確保至少有一臺空壓機(jī)可以工作。中壓母線上的所有負(fù)載都應(yīng)提供獨(dú)立的過流保護(hù)開關(guān)用來保護(hù):當(dāng)任意一個負(fù)載故障時(shí)，過流保護(hù)開關(guān)應(yīng)該斷開負(fù)載和中壓母線的連接以確保中壓母線不受影響，SIV按正常啟動邏輯啟動并進(jìn)行并網(wǎng)；當(dāng)短路點(diǎn)無法通過線路空開進(jìn)行切除時(shí)，斷開母線接觸器，SIV各自啟動，判斷短路點(diǎn)并通過母線接觸器對短路點(diǎn)進(jìn)行切除，切除部分SIV停止工作，其余SIV按正常啟動邏輯啟動并進(jìn)行并網(wǎng)。

3.3 系統(tǒng)接地方式的合理選擇 系統(tǒng)接地方式是經(jīng)常能夠見到的接地方式，也是地鐵設(shè)備中常見的問題。由于系統(tǒng)接地線是各路電流互相耦合的通道，因此也常常造成電流之間的干擾，從而導(dǎo)致設(shè)備使用過程中的誤差甚至是錯誤。因此需要正確的接地方式來避免這種情況的發(fā)，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)工作的精確度。低頻道路遵循一點(diǎn)接地原則。這種方式區(qū)分串聯(lián)和并聯(lián)，串聯(lián)時(shí)單點(diǎn)接地可以給多個電路提供參考，而并聯(lián)單點(diǎn)接地不存在公共阻抗問題。高頻電路或者數(shù)字電路接地時(shí)，要遵循多點(diǎn)接地原則，如此便可在一定程度上降低接地線阻抗，保證設(shè)備穩(wěn)定工作?；旌辖拥厝诤狭艘稽c(diǎn)接地和多點(diǎn)接地，針對電路系統(tǒng)不同頻率的部分采用不同的系統(tǒng)接地方式。

3.4 對接地規(guī)范加以明確 如果想要對施工人員在接地施工過程中所做出的行為加以規(guī)范，并在此基礎(chǔ)上提高接地的質(zhì)量和效率，以地鐵系統(tǒng)為基礎(chǔ)建立相應(yīng)的接地規(guī)范就顯得很有必要。在實(shí)踐過程中對規(guī)章制度的內(nèi)容進(jìn)行不斷完善，能夠在極大程度上提高圍繞著地鐵設(shè)備所開展接地施工的質(zhì)量與效率，需要注意的是，規(guī)章制度所包含的內(nèi)容并不僅僅局限于接地目的和類型，還應(yīng)當(dāng)包括機(jī)箱接地要求、設(shè)備接地類型、差價(jià)接地要求等。除此之外，對接地部分進(jìn)行檢查也是很有必要的，而接地規(guī)范中與接地檢查相關(guān)的內(nèi)容應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)接地流程及檢查標(biāo)準(zhǔn)，例如，接地電纜、電源是否存在損傷；接電線截面是否能夠滿足有關(guān)要求。在此基礎(chǔ)上對驗(yàn)收及檢驗(yàn)環(huán)節(jié)加以完善，能夠在最大程度上提高接地質(zhì)量，加快地鐵設(shè)備所應(yīng)用接地技術(shù)發(fā)展的速度，較為常見的接地問題自然能夠迎刃而解。

結(jié)語

本文通過對地鐵車輛保護(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。通過對保護(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和隔離功能角度，完善列車接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。