低壓負(fù)母線接地電阻連接方式探討

陳玲茜 杜友勝

摘要：本文就常州地鐵1號(hào)線車輛AB箱內(nèi)低壓負(fù)母線接地電阻連接方式與其他城市地鐵低壓負(fù)母線接地電阻進(jìn)行比較，并對(duì)其在今后應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討。

關(guān)鍵詞：低壓負(fù)母線;接地電阻;連接方式;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

一、引言

接地電阻就是用來衡量接地狀態(tài)是否良好的一個(gè)重要參數(shù)，是電流由接地裝置流入大地再經(jīng)大地流向另一接地體或向遠(yuǎn)處擴(kuò)散所遇到的電阻。

低壓負(fù)母線的接地電阻直接采用的低阻抗導(dǎo)線與車體接地，一旦發(fā)生DC110V電源母線（或某一負(fù)載電源線）接地故障，如果不對(duì)故障電流進(jìn)行限制，故障電流很容易導(dǎo)致負(fù)載的DC110V供電斷路器跳閘，那么該負(fù)載的控制電路就會(huì)失電。在電客車低壓供電中重要負(fù)載都有空調(diào)系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、受電弓控制系統(tǒng)、牽引控制系統(tǒng)及制動(dòng)系統(tǒng)等，尤其是對(duì)于重要的行車控制系統(tǒng)，若是控制電路失電，嚴(yán)重的情況下可能會(huì)影響到行車安全。本文以常州地鐵1號(hào)線為例，對(duì)其接地電阻連接方式存在的故障隱患進(jìn)行分析，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化探討。

二、接地回流工作原理概述

常州地鐵1號(hào)線車輛配置是四動(dòng)兩拖的六節(jié)編組列車（Tc1-Mp1-M1-Tc2-Mp2

-M2），其中Mp、M車為動(dòng)車，Tc車為拖車。每節(jié)拖車下配置AB箱（含蓄電池充電機(jī)）、PH高壓箱、PA高壓輔逆箱。列車的DC1500V供電由Mp車上的受電弓引入，向牽引系統(tǒng)供電，并向各輔助逆變器供電。地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)的供電系統(tǒng)回流路徑為牽引變電所正極-接觸網(wǎng)-受電弓-車輛負(fù)載-輪對(duì)-軌道-地下回流線-牽引變電所負(fù)極（如圖1所示）。

車輛內(nèi)部電子設(shè)備的增加，使車輛內(nèi)部設(shè)備布局十分密集，為了保證地鐵車輛上的電氣設(shè)備正常工作和人身安全，必須將地鐵車輛上的電氣、電子設(shè)備進(jìn)行接地。宏觀上來講，地可以是等電位或等位面，它為電路系統(tǒng)提供參考點(diǎn)位，其電位可以與大地電位相同，也可以不同。地鐵車輛是一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，因此與地面固定裝置不同的地方在于車輛內(nèi)的接地不是大地，而只是相對(duì)零電位基準(zhǔn)——車體。

地鐵列車接地方式主要分為安全接地和工作接地。列車高壓電回流接地屬于工作接地，為防止高壓電對(duì)其他回路產(chǎn)生干擾，并保證接地可靠，回流接地通過電源的負(fù)端直接與接地裝置連接，再通過接地裝置連接到鋼軌。Tc1車輔助逆變器的DC1500V的回流、Mp1車牽引逆變器的DC1500V的回流以及M車牽引逆變器的DC1500V的回流均通過絕緣電纜流向軸端接地刷，再至鋼軌。整個(gè)地鐵車輛的DC1500V電路通過鋼軌進(jìn)行負(fù)極回流（如圖2所示）。

低壓負(fù)母線的接地是屬于安全接地，在實(shí)際工作中安全接地最主要是為低壓系統(tǒng)接地，一般直接連接到車體上，然后通過與車體相連接的接地線接到接地裝置，再接到鋼軌。負(fù)責(zé)給列車低壓負(fù)載供電的DC110V電路在整列車內(nèi)構(gòu)成回路，電流最終流回蓄電池負(fù)極，再經(jīng)過接地電阻接地，負(fù)極接地只起到電位參考作用。每個(gè)單元Mp1、M1車DC110V負(fù)母線的電流最終流向Tc車。

上述所提到的DC110V電路的負(fù)極接地指的就是低壓負(fù)母線的接地，低壓負(fù)母線是列車低壓負(fù)載共用的負(fù)DC110V電壓線，目前常州地鐵1號(hào)線采用的低壓負(fù)母線接地的連接方式就只是通過一個(gè)30Ohms的接地電阻接地，該接地電阻位于電客車Tc1車與Tc2車的AB箱中，（如圖3所示標(biāo)記處）。

三、故障隱患分析

常州地鐵1號(hào)線自2019年5月試運(yùn)行以來，低壓負(fù)母線接地電阻工作狀態(tài)保持穩(wěn)定。根據(jù)常州地鐵1號(hào)線所采用的低壓負(fù)母線接地方式與南京地鐵3號(hào)線相同，以下以南京地鐵3號(hào)線為背景，分析低壓負(fù)母線接地電阻的故障隱患：

南京地鐵3號(hào)線自2015年4月運(yùn)營(yíng)至今共發(fā)生5起AB箱體內(nèi)低壓負(fù)母線接地電阻燒毀故障，其中1起故障原因?yàn)榈蛪合鋬?nèi)線路破損短路，2起故障原因?yàn)樾铍姵丶靶铍姵叵潴w燒損，1起故障原因?yàn)樾铍姵叵鋬?nèi)部線路短路以及1起故障原因?yàn)檩o助設(shè)備故障。這些故障共同點(diǎn)是由于線路短路，造成DC110V繞過負(fù)載直接正極對(duì)地，此時(shí)電流超過低壓負(fù)母線接地電阻的最大電流。常州地鐵1號(hào)線和南京地鐵3號(hào)線采用的低壓負(fù)母線接地電阻阻值為30Ohms，額定功率為100W，持續(xù)工作電流為58A，最大電流為1.5KA（瞬時(shí)1S內(nèi)）。

此外，當(dāng)?shù)蛪褐苯诱龢O對(duì)地，線路短接電流過大并超過低壓負(fù)載控制回路上斷路器的額定電流時(shí)，會(huì)造成低壓負(fù)載控制回路失電，若是與行車有關(guān)的重要系統(tǒng)失電，則會(huì)影響到地鐵車輛的運(yùn)營(yíng)安全與效率。同時(shí)短接造成的低壓負(fù)母線接地電阻燒損情況存在不能被及時(shí)察覺到的隱患，由于沒有故障提示，所以只能在日常維護(hù)中發(fā)現(xiàn)其異常。若不及時(shí)發(fā)現(xiàn)其燒損情況，則會(huì)對(duì)箱體造成一定損壞，這就需要對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)。

四、結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)探討

4.1 優(yōu)化改進(jìn)方式

南京地鐵3號(hào)線車輛直流低壓負(fù)母線接地結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)成漏電流檢測(cè)裝置接地，該裝置主要由820Ohms、8.2Ohms及斷路器（BGCB）構(gòu)成（如圖4 所示），R1并=410 Ohms，R2并=4.1 Ohms，則該漏電流檢測(cè)裝置的等效接地電阻約為4.06Ohms，在R2并聯(lián)的支路中有一個(gè)小容量的斷路器BGCB。其中斷路器的輔助觸點(diǎn)信號(hào)須送給網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)斷路器跳開時(shí)，TCMS接收斷路器BGCB的輔助觸點(diǎn)狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)做故障顯示（即DDU顯示故障信息），監(jiān)控點(diǎn)位為Tc車DX2的DX8E_In8;當(dāng)TCMS接受到BGCB輔助觸點(diǎn)狀態(tài)為“1”時(shí)在司機(jī)室顯示屏上顯示“低壓接地故障”。若有直流負(fù)載正極接地故障，斷路器BGCB將跳開，屬正常保護(hù)。

當(dāng)出現(xiàn)低壓設(shè)備正線碰殼漏電或直接對(duì)地是，故障電流會(huì)使BGCB斷開，斷開之后，該裝置等效接地阻值為410 Ohms，遠(yuǎn)大于正常時(shí)的4.06 Ohms，故能有效的減小故障電流不致?lián)p壞設(shè)備，同時(shí)保證低壓電路仍能繼續(xù)使用，不至于影響車輛運(yùn)營(yíng)。

該項(xiàng)漏電流檢測(cè)裝置接地設(shè)計(jì)也被運(yùn)用在南京地鐵1號(hào)線增購(gòu)車輛、無錫地鐵二號(hào)線車輛以及蘇州地鐵3號(hào)線車輛，這雖然是比較經(jīng)典的接地電阻形式，但是相較于30Ohms那種安裝簡(jiǎn)單，成本低的接地電阻形式，改進(jìn)后的漏電流檢測(cè)裝置能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，提高檢修維護(hù)效率。

4.2 改進(jìn)后應(yīng)用效果

南京地鐵3號(hào)線由于至今已發(fā)生5起AB箱體內(nèi)低壓負(fù)母線接地電阻燒毀故障，所以針對(duì)該故障情況對(duì)低壓負(fù)母線接地電阻形式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。將原先接地電阻形式改進(jìn)成漏電流檢測(cè)裝置接地形式，由車輛網(wǎng)絡(luò)TCMS對(duì)BGCB斷路器觸點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)上報(bào)低壓系統(tǒng)短接故障。

于2019年8月1日08：50分，南京地鐵3號(hào)線053054列車在九龍湖站上行報(bào)BGCB斷路器斷開故障。經(jīng)分析為列車B-線與車體之間存在電壓差，現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn)054A車左側(cè)蓄電池有兩節(jié)擊穿，箱體受損燒出孔洞（如圖5所示）。由于漏電流檢測(cè)裝置及時(shí)監(jiān)控到“低壓接地故障”，所以能及時(shí)發(fā)現(xiàn)蓄電池被擊穿受損，在一定程度上縮小故障影響范圍。從這個(gè)改進(jìn)后應(yīng)用的案例可以發(fā)現(xiàn)該漏電流檢測(cè)裝置具有一定的優(yōu)勢(shì)，能使車輛網(wǎng)絡(luò)TCMS及時(shí)監(jiān)控低壓供電系統(tǒng)工作狀態(tài)。此外，南京地鐵3號(hào)線車輛的蓄電池?zé)龘p故障發(fā)生頻率較高，就目前已經(jīng)發(fā)生四起，剩下3起分別是2017年9月8日，089A車蓄電池?zé)龘p;2018年1月8日，059A車蓄電池?zé)龘p;2019年1月7日，064A車蓄電池?zé)龘p，所以低壓負(fù)母線接地電阻形式改進(jìn)成漏電流檢測(cè)裝置的接地電阻形式是很有必要的。

五、優(yōu)缺點(diǎn)分析

本文討論的兩種接地電阻形式，其本質(zhì)區(qū)別就是對(duì)于低壓負(fù)母線的接地情況進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控，能第一時(shí)間掌握低壓供電的短接故障情況。

六、結(jié)論

本文詳細(xì)分析了目前常州地鐵1號(hào)線采用的低壓負(fù)母線接地電阻方式存在的故障隱患，并以南京地鐵3號(hào)線為對(duì)象對(duì)低壓負(fù)母線接地電阻方式的優(yōu)化改進(jìn)進(jìn)行探討：改進(jìn)后采用漏電流檢測(cè)裝置接地形式，由車輛網(wǎng)絡(luò)TCMS對(duì)BGCB斷路器觸點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)上報(bào)低壓系統(tǒng)短接故障。該改進(jìn)后的接地電阻形式及時(shí)監(jiān)控到了南京地鐵3號(hào)線蓄電池?zé)龘p頻繁的故障，保障了列車低壓供電系統(tǒng)運(yùn)行。

目前常州地鐵1號(hào)線車輛使用的蓄電池品牌型號(hào)與南京地鐵3號(hào)線的相同，接地電阻形式也與南京地鐵3號(hào)線先前的一樣，由于常州地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間還不算長(zhǎng)，并未出現(xiàn)南京地鐵3號(hào)線類似的蓄電池?zé)龘p及接地電阻燒損故障，所以此次研究為常州地鐵1號(hào)線車輛相關(guān)系統(tǒng)解決故障提供了參考依據(jù)以及故障隱患的預(yù)測(cè)。常州地鐵1號(hào)線車輛接地電阻形式可以以此參考進(jìn)行相關(guān)整改，保障列車運(yùn)行。

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