地鐵車輛保護(hù)接地技術(shù)研究思路探析

劉明

（南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029）

地鐵車輛保護(hù)接地指的是設(shè)備的外殼接地，要讓車體與電氣傳導(dǎo)部件形成一個(gè)等勢(shì)體連接地面。地鐵車輛設(shè)備布局密度高，這是地鐵車輛的結(jié)構(gòu)決定的，高密度的設(shè)備布局會(huì)造成內(nèi)部電磁環(huán)境高度復(fù)雜，為了預(yù)防電磁干擾，有必要對(duì)車輛上的電子設(shè)備以及電氣設(shè)備進(jìn)行接地。現(xiàn)對(duì)地鐵車輛保護(hù)接地技術(shù)進(jìn)行探討。

1 當(dāng)前常用的接地方法

1.1 單點(diǎn)接地

這一方法將電流系統(tǒng)中的一個(gè)結(jié)構(gòu)點(diǎn)作為接地參考點(diǎn)，在這一點(diǎn)上連接所有的對(duì)地連接。當(dāng)工作頻率沒(méi)有超過(guò)1MHz時(shí)，單點(diǎn)接地的方法比較常用。這一方法包括并聯(lián)單點(diǎn)接地以及串聯(lián)單點(diǎn)接地2種方法。

1.2 多點(diǎn)接地

這一方法將機(jī)殼作為參考點(diǎn)，所有設(shè)備的機(jī)殼又將地作為參考點(diǎn)。當(dāng)工作頻率超過(guò)了10MHz時(shí)，多點(diǎn)接地的方法非常常見(jiàn)。這一方式將整個(gè)車體同時(shí)進(jìn)行安全接地、屏蔽接地、回流接地以及等電勢(shì)接地，與單點(diǎn)接地相比，更加有效、更加簡(jiǎn)單。接地線的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，頻率越高，接地線的感抗就越大，此時(shí)就會(huì)造成電磁干擾增加，所以要盡可能對(duì)接地線的長(zhǎng)度進(jìn)行控制，可采用就近接地的方法。

1.3 混合接地

這一方法同時(shí)具有多點(diǎn)接地以及單點(diǎn)接地的特點(diǎn)。

2 保護(hù)接地

當(dāng)金屬外殼帶電時(shí)，人們誤觸就很有可能引起事故，除此之外，金屬外殼帶電還會(huì)影響到設(shè)備的安全，地鐵車輛的保護(hù)接地方法需要從防觸電、等電勢(shì)連接以及防雷等方面進(jìn)行。

2.1 防觸電

通過(guò)人體的感知電流為0.5mA，當(dāng)通過(guò)人體的電流在10mA以上時(shí)，就可能對(duì)人帶來(lái)生命安全的威脅。地鐵車輛電器設(shè)備的工作電壓通常都是AC380V以及DC1500V，當(dāng)沒(méi)有很好地設(shè)置絕緣體，或者是絕緣體出現(xiàn)損壞的情況，就會(huì)引起各種傷害。通過(guò)設(shè)置接地可以非常有效地處理這種危險(xiǎn)。

設(shè)置地鐵車輛的保護(hù)接地時(shí)，采用防腐蝕性能良好的圓錫銅絞線可保護(hù)管線以及設(shè)備，這種接地線的優(yōu)勢(shì)在于具有良好的韌性，其阻值也比較小，通常長(zhǎng)度都在500mm以下。假設(shè)絞線的橫截面積為90mm2，那么其電阻在0.0015?以下，人體的電阻多在2K～20M?，這樣就能確保箱體外殼與地等電勢(shì)連接良好。牽引及輔助設(shè)備等車下電氣設(shè)備都可以采用這種比較粗短的接地絞線來(lái)實(shí)現(xiàn)與車體的連接。

電阻箱以及牽引輔助箱都使用接地座的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠接地，除此之外可以通過(guò)屏蔽罩的作用來(lái)對(duì)射頻干擾進(jìn)行控制。

2.2 等電勢(shì)連接

車輛組裝中的各個(gè)導(dǎo)電單元，如支架、梁、構(gòu)架以及墻體等，要在電氣上采用低電感、低阻抗實(shí)現(xiàn)相互連接，確保連接點(diǎn)多、連接面大。設(shè)置連接線可以實(shí)現(xiàn)等電勢(shì)連接。

2.3 防雷

雷擊電流的功率高達(dá)數(shù)億伏特，達(dá)到30～300kA，因此，雷擊電流會(huì)嚴(yán)重威脅到地鐵車輛上所有電氣系統(tǒng)的安全。將避雷器接地設(shè)置在所有MP車的車頂上可以實(shí)現(xiàn)防雷。

3 工作接地

工作接地在車輛電氣系統(tǒng)中非常重要，其可以為建立基準(zhǔn)電勢(shì)以及泄放電荷提供回流通道，減少噪聲電流。

3.1 回流

某地鐵車輛采用TC+MP+M2-MP-TC的配置，其中動(dòng)車包括M1、M2以及MP。各車底下都有牽引輔助箱1個(gè)。對(duì)車體、轉(zhuǎn)向架連接部位采用絕緣措施，從而讓電流流向正規(guī)接地回路，減少電蝕的發(fā)生。采用鍍錫銅絲絞合電纜，其具有良好的導(dǎo)電性，將截面積120mm2的電纜作為列車車端連接部位的地線，將95mm2絕緣電纜作為回流線。

3.2 屏蔽接地

屏蔽接地有線槽/管的接地以及電纜屏蔽層的接地。

第一，電纜屏蔽層的接地。電路中的寄生電容之間的干擾、對(duì)外界電廠敏感、電路輻射等，因此進(jìn)行屏蔽以及隔離非常有必要。屏蔽電纜在車輛的信號(hào)和控制線非常常用，例如屏蔽電纜在車載電線、以太網(wǎng)通信線、數(shù)據(jù)傳輸線、音頻信號(hào)、數(shù)據(jù)傳輸線中，在信號(hào)系統(tǒng)速度傳感器、牽引速度傳感器等電源中都有所使用。

屏蔽接地試驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn),低頻電路中采用單端接地的方式來(lái)設(shè)置屏蔽電纜的屏蔽層效果良好；高頻電路中，兩端接地的方式應(yīng)用比較多。分析發(fā)現(xiàn)，屏蔽線不接地時(shí)，此時(shí)效果最差，兩端接地的效果要比單端接地的效果更好。

電機(jī)電路工作電流達(dá)到160～240A，屏蔽層之間的電流比較大，此時(shí)車體與轉(zhuǎn)向架之間的電勢(shì)差比較大，這樣就會(huì)造成屏蔽層不能發(fā)揮等電勢(shì)導(dǎo)體的作用?？刹捎脝涡酒帘坞娎|，兩端360°接地的形式。

第二，線槽、線管的接地。金屬線槽、線管中設(shè)置貫通的電纜，這能發(fā)揮很好的隔離電磁干擾的作用。通過(guò)線槽、線管的可靠接地，可以將線槽、線管的靜電電荷釋放出來(lái)，還可以在線槽、線管中屏蔽電纜本身受到交變而出現(xiàn)的干擾屏蔽，這樣就可以發(fā)揮一個(gè)“屏蔽罩”的作用，從而減少射頻的干擾。考慮到變壓器工作電流以及車輛下方設(shè)備電抗器的電流變化比較大，會(huì)引起設(shè)備周圍出現(xiàn)100kHz以下的低頻磁場(chǎng)或者直流磁場(chǎng)。研究發(fā)現(xiàn)9kHz～150kHz頻段中線槽、線管接地屏蔽采用兩端接地的效果要比不接地以及單端接地的效果更加明顯，不接地、單端接地的效果幾乎沒(méi)有差別；30MHz～1GHz頻段下，兩端接地的效果要比單端接地、不接地的效果更好，而單端接地的效果又比不接地的效果更好。因此綜合考慮之后，車輛上進(jìn)行屏蔽接地時(shí)可以采用不銹鋼線槽、管單端接地的方法。

4 地鐵車輛保護(hù)技術(shù)的優(yōu)化

4.1 中壓交流并網(wǎng)供電故障策略

將中壓母線接觸器設(shè)置于中壓母線上，優(yōu)化控制電路，對(duì)輔助逆變器進(jìn)行并聯(lián)，采用它為輔助電源系統(tǒng)中的中壓母線供電，整列車都要有中壓母線，由中壓母線同時(shí)為中壓負(fù)載供電，采用母線接觸器隔離中壓母線與輔助電源。正常情況下，母線接觸器閉合，輔助電源為并聯(lián)供電；一旦母線短路故障，此時(shí)由于有了母線接觸器隔離短路母線，可以保證仍然有空壓機(jī)可以工作。中壓母線采用獨(dú)立的過(guò)流保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載故障時(shí)，此時(shí)過(guò)流保護(hù)開(kāi)關(guān)要將中壓母線與負(fù)載的連接斷開(kāi)，這樣就可以避免中壓母線受到傷害，SIV正常啟動(dòng)，并網(wǎng)。

4.2 低中壓系統(tǒng)保護(hù)接地

該系統(tǒng)中主要有列車的照明、空壓機(jī)組以及空調(diào)等，當(dāng)?shù)椭袎合到y(tǒng)接地出現(xiàn)故障時(shí)，就會(huì)引起接線電路的短路故障，當(dāng)故障嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)車輛運(yùn)行安全帶來(lái)威脅，所以設(shè)置保護(hù)接地來(lái)保護(hù)低中壓系統(tǒng)非常有必要。保護(hù)接地主要有低壓電流保護(hù)接地以及中壓母線保護(hù)接地，低壓母線保護(hù)指的是將接地電阻、母線與車體通過(guò)連接形成等電勢(shì)；中壓母線保護(hù)接地將中壓母線的N線與車體連接，從而起到保護(hù)效果。

4.3 低壓直流110V保護(hù)接地

當(dāng)前對(duì)地鐵車輛低壓110V母線進(jìn)行保護(hù)接地時(shí)，主要是連接接地電阻、母線與車體，從而讓車體保持等電勢(shì)。除此之外，采用單點(diǎn)接地的方式來(lái)減少車體以及設(shè)備的雜亂電流影響控制回路。盡管這種方式可以確保接地要求得到滿足，但城市軌道交通不斷發(fā)展，地鐵運(yùn)營(yíng)的可靠性以及安全性也都面臨著更高的要求，需要改進(jìn)低壓保護(hù)母線，從而減少控制回路受到設(shè)備電壓浮動(dòng)帶來(lái)的影響，也能減少設(shè)備受到短路電流的損害。DC110V系統(tǒng)發(fā)生電氣設(shè)備的接地故障時(shí)，一旦接地電流超過(guò)設(shè)定閾值，那么在故障電流的作用下會(huì)引起斷路器斷開(kāi)，采用TCMS來(lái)對(duì)斷路器狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督，當(dāng)發(fā)現(xiàn)斷路器斷開(kāi)時(shí)，司機(jī)顯示器上就會(huì)有相關(guān)提示。當(dāng)斷路器斷開(kāi)后，此時(shí)TC車的接地電阻要比正常的電阻更大，DC110負(fù)母線等效接地電阻會(huì)將故障電流限制在比較低的水平，以減少控制電路的斷路器跳閘的發(fā)生。因此即便是接地故障還沒(méi)有被清除，此時(shí)設(shè)備也不會(huì)受到由于接地故障電流的影響而出現(xiàn)損害，因此控制電路還能正常運(yùn)行，列車的正常運(yùn)行不會(huì)受到影響。實(shí)際應(yīng)用中可以發(fā)現(xiàn)，接地故障主要是屏蔽層錯(cuò)誤接到了電源的正級(jí)，或者是低壓設(shè)備正端直接對(duì)地引起，此類故障的故障電源都不高，因此與車輛應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，一般都是將接地?cái)嗦菲黝~定容量設(shè)置為0.5A。

5 結(jié)語(yǔ)

地鐵車輛集成了弱電與強(qiáng)電，當(dāng)前電磁環(huán)境高度復(fù)雜，其對(duì)控制以及信號(hào)都提出很高的要求。設(shè)置有效且正確的接地，能確保整車的安全。車輛接地可以為系統(tǒng)電磁干擾、雷擊電流以及漏電電流，通過(guò)接地通路的設(shè)計(jì)，為車輛安全運(yùn)行以及設(shè)備正常工作提供保障。