碳纖維復(fù)合材料地鐵車體接地網(wǎng)仿真研究

宋旭鵬

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 國家工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266111）

碳纖維復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、低密度和耐疲勞等優(yōu)良綜合性能，是輕量化車體設(shè)計(jì)制造的理想材料[1]。然而，碳纖維復(fù)合材料電導(dǎo)率為5 S/m～104S/m，遠(yuǎn)小于不銹鋼或鋁合金等傳統(tǒng)車體金屬材料。因此，碳纖維復(fù)合材料車體并不能直接作為電氣等電位面，形成導(dǎo)電通路，需要額外設(shè)置一套接地系統(tǒng)用于設(shè)備保護(hù)和EMC接地。

目前，在接地網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，功能復(fù)雜且技術(shù)要求高的接地網(wǎng)主要有復(fù)合材料飛機(jī)回流網(wǎng)[1]和變電站接地網(wǎng)[2]。飛機(jī)回流網(wǎng)主要為飛機(jī)的雷擊及靜電防護(hù)、電流回路，提供全機(jī)電氣設(shè)備的等電位基準(zhǔn)，機(jī)載設(shè)備與外界無電氣耦合，整機(jī)電氣設(shè)備功率容量較小，量級(jí)不高于102 kVA，接地網(wǎng)首要因素是優(yōu)化拓?fù)?，減小匯流路徑，實(shí)現(xiàn)降低回流電阻和減重目的。變電站接地網(wǎng)主要為接地或雷擊故障電流提供基本安全泄放通道，降低強(qiáng)電接地故障及其對(duì)人身和設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)，其設(shè)計(jì)屬于系統(tǒng)工程，空間延伸范圍大，設(shè)計(jì)裕度較大。

然而，復(fù)合材料地鐵列車的運(yùn)營工況與飛機(jī)和變電站系統(tǒng)存在顯著差別，地鐵通常采用1 500 V直流供電系統(tǒng)，牽引電流約幾千A，功率容量約103 kVA，介于飛機(jī)回流網(wǎng)和輸變電接地網(wǎng)之間。飛機(jī)電氣負(fù)載和輸變電系統(tǒng)均為靜態(tài)工況，而地鐵牽引、制動(dòng)和惰性動(dòng)態(tài)運(yùn)行條件下，存在接地網(wǎng)與軌道、地的雜散電流耦合。此外，車體本身集成了各類強(qiáng)電弱電設(shè)備以及電壓等級(jí)不同的線束，因此，碳纖維復(fù)合材料車體接地網(wǎng)設(shè)計(jì)既要考慮動(dòng)態(tài)工況下的車-軌道-地的耦合規(guī)律[3-4]，更要注重設(shè)備保護(hù)接地、人身安全和EMC接地的功能需求。

為滿足整車保護(hù)接地和電磁兼容接地要求，本文提出了一套適用于復(fù)材車體的接地網(wǎng)，并通過仿真方法研究了接地網(wǎng)-軌道-車耦合工況下，接地網(wǎng)雜散電流分布特性，分析了短路工況下接地網(wǎng)的暫態(tài)響應(yīng)特性和匯流排熱效應(yīng)及其影響。

1 接地網(wǎng)拓?fù)?/h2>

對(duì)于金屬車體而言，所有設(shè)備、線槽接地通常就近設(shè)置接地座作為設(shè)備接地點(diǎn)，然而，碳纖維復(fù)材車體阻抗大，車體上不能直接設(shè)置接地座，這要求在不改變保持接地點(diǎn)位的前提下，布置接地網(wǎng)。選取地鐵列車的頭車（拖車）設(shè)計(jì)接地網(wǎng)，通常，接地網(wǎng)采用硬質(zhì)金屬匯流排。根據(jù)車體接地點(diǎn)位，按照就近接地原則，給出如圖1所示的接地網(wǎng)拓?fù)?，接地網(wǎng)主要分為車頂、側(cè)墻和車下3部分。為了直觀描述下文中仿真激勵(lì)端口的位置，圖1給出了接地網(wǎng)與軌道地平面和后部車體的電氣連接位置。

圖1 接地網(wǎng)拓?fù)?/p>

2 接地網(wǎng)耦合雜散電流分析

2.1 接地網(wǎng)耦合分析

將碳纖維車體接地網(wǎng)拓?fù)淙我鈨晒?jié)點(diǎn)間匯流排等效為一個(gè)電阻，單位長(zhǎng)度匯流排電阻實(shí)測(cè)0.2 mΩ/m，從而生成一個(gè)接地網(wǎng)等效電阻網(wǎng)絡(luò)，接地網(wǎng)通過車下2個(gè)50 mΩ接地電阻（用阻值相同的接地線代替）與軌道地平面連接，如圖1所示，其中，二位端接地網(wǎng)與后部車體連接，將后部車體等效為5 mΩ電阻，用等值接地線代替，并與軌道地平面連接。

碳纖維復(fù)合材料地鐵列車采用第三軌受流，圖2為接地網(wǎng)與軌道和地的連接示意圖，該圖為電路仿真模型中提取的局部，其中，圖上方長(zhǎng)方框代表接地網(wǎng)，內(nèi)部是接地網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)排的等效電阻，具體等效電阻模型未在圖中詳細(xì)說明；a標(biāo)記為軌道縱向電阻0.001Ω/100 m；b標(biāo)記為軌道-地過渡電阻15Ω；c標(biāo)記為車端兩個(gè)接地電阻0.05Ω，分別位于一位端和二位端附近；d標(biāo)記為轉(zhuǎn)向架與車體金屬件間橡膠絕緣電阻1 MΩ，其中，車體金屬件與接地網(wǎng)相連；e標(biāo)記為每個(gè)車軸軸承油膜電阻為1Ω。接地網(wǎng)的電氣連接接口主要包括：兩個(gè)車下電阻器、兩個(gè)轉(zhuǎn)向架向連接和二位端后部車體連接。

用Matlab/Simulink仿真一列六編組地鐵列車，其中，2個(gè)頭車為拖車，采用碳纖維車體，并設(shè)置接地網(wǎng)，4個(gè)動(dòng)車為金屬車體，位于編組中間。將2個(gè)頭車拖車接地網(wǎng)和4個(gè)動(dòng)車金屬車體分別等效成電阻網(wǎng)絡(luò)，并形成編組，置于相鄰兩車站區(qū)間。圖3為相鄰兩車站區(qū)間內(nèi)編組與軌道和地的連接示意圖，其中，第三軌、軌道和地分別對(duì)應(yīng)圖2中3個(gè)電流端口。將牽引總電流2 320 A作為電流源從第3軌輸入，軌道和地分別作為電流回路。圖2模型的仿真結(jié)果顯示，頭車拖車通過單個(gè)50 mΩ接地電阻進(jìn)入接地網(wǎng)的雜散電流約40 A，而從轉(zhuǎn)向架構(gòu)架到接地網(wǎng)的雜散電流幾乎為零。

圖2 頭車接地網(wǎng)-軌道-地耦合模型

圖3 整編組列車-軌道-地連接示意圖

2.2 接地網(wǎng)雜散電流分布

根據(jù)圖1所示的接地網(wǎng)拓?fù)浜蛙圀w模型建立接地網(wǎng)三維電磁模型，如圖4所示，整個(gè)模型尺寸19×2.5×2.5 m，接地排為截面4×25 mm金屬排，材質(zhì)為鋁合金。按照前文電路仿真結(jié)果，在一位端和二位端2個(gè)50 mΩ接地電阻安裝位置分別注入40 A激勵(lì)電流，該激勵(lì)電流為電路仿真得到的從軌道進(jìn)入接地網(wǎng)的電流，目的是模擬軌道回流進(jìn)入接地網(wǎng)的雜散電流，觀察雜散電流在接地網(wǎng)中的分布情況。模型中，電流注入點(diǎn)與車下匯流排連接，側(cè)墻匯流排通過軟連接線與車下匯流排貫通。

圖4模型的仿真結(jié)果顯示，電流首先進(jìn)入車下匯流排，然后，通過軟連接線流入側(cè)墻和車頂匯流排，如圖1所示，最后，從車下2個(gè)50 mΩ和1個(gè)5 mΩ接地軟線進(jìn)入大地。圖4中取電流交匯節(jié)點(diǎn)，可以看到車長(zhǎng)方向2個(gè)分支電流約8 A，車高方向匯流排電流約1.4 A，車寬方向電流約0.15 A，雜散電流在單根匯流排上的分布規(guī)律是：車長(zhǎng)方向＞車高方向＞車寬方向，圖5為側(cè)墻匯流排與車下匯流排連接處的電流分布狀態(tài)，結(jié)果顯示雜散電流經(jīng)過軟連接線從車下接地網(wǎng)流入車上接地網(wǎng)部分，由于側(cè)墻匯流排數(shù)量較多，單根匯流排承擔(dān)雜散電流相對(duì)較小，而車長(zhǎng)方向從一位端到二位端有4根匯流排，流過的雜散電流相對(duì)較大。

圖4 接地網(wǎng)雜散電流分布

圖5 車下-側(cè)墻連接處雜散電流

3 接地網(wǎng)短路響應(yīng)

接地網(wǎng)在暫態(tài)工況下，引起的電壓升高和熱效應(yīng)，可能會(huì)引起如下負(fù)面影響：（1）車載弱電系統(tǒng)暫態(tài)電壓高于2 kV[5]，會(huì)干擾設(shè)備正常工作；（2）短路溫升過大，會(huì)導(dǎo)致鋁合金排和碳纖維復(fù)合材料樹脂部分，出現(xiàn)燒熔或燒蝕現(xiàn)象。為分析接地網(wǎng)暫態(tài)響應(yīng)特性，模擬了直流側(cè)輔助逆變器（SIV）短路工況，即在SIV接地點(diǎn)位置，見圖1中位置4，注入幅值30 kA，脈沖寬度100 ms的短路電流。該電流波形按照公式（1）一階RL短路模型給出[6]，時(shí)域波形如圖6所示，其頻譜主瓣頻帶寬度約10 Hz。

圖6 短路電流時(shí)域波形

其中：I為最終電流穩(wěn)定值，A；ι為時(shí)間常數(shù)，取15 ms。

圖7為短路電流注入接地網(wǎng)后的仿真結(jié)果，可以看到，電流注入接地網(wǎng)后分流，向前電流分量約18 kA，向后分量約12 kA，最終，電流通過2個(gè)50 mΩ接地電阻和5 mΩ接地電阻進(jìn)入軌道地平面。由圖8可知電流注入點(diǎn)電壓隨時(shí)間變化，短路電流引起接地位置電壓升高約80 V。此外，入地的短路電流在一位端和二位端50 mΩ電阻器分別引起接地網(wǎng)67 V和35 V的電壓升高。

圖7 短路電流分布

圖8 電流注入點(diǎn)電壓變化

取1段金屬排，緊貼在碳纖維板材表面，參考圖6波形注入18 kA脈沖電流，觀察匯流排熱效應(yīng)。從圖9仿真結(jié)果看到，電流瞬態(tài)熱效應(yīng)引起匯流排約62 K的溫升，短路電流引起的溫升均在匯流排和碳纖維復(fù)合材料正常工作溫度范圍內(nèi)。

圖9 短路溫升

4 結(jié)論

本文針對(duì)車體各類保護(hù)和EMC接地需求，提出了碳纖維復(fù)合材料車體接地網(wǎng)，基于仿真分析，得出如下結(jié)論：

（1）整個(gè)接地網(wǎng)會(huì)分布從軌道耦合進(jìn)入的雜散電流。由于雜散電流會(huì)通過接地方式流入車內(nèi)金屬扶手桿，而被車內(nèi)乘客觸摸到，因此，與接地網(wǎng)連接的設(shè)備應(yīng)單點(diǎn)接地，盡量不采用多點(diǎn)接地，避免雜散電流在金屬件上形成回流。

（2）接地網(wǎng)雜散電流分布規(guī)律為車長(zhǎng)方向＞車高方向＞車寬方向。由于車寬方向雜散電流相對(duì)較小，引起的電壓噪聲也較小，因此，接地點(diǎn)位應(yīng)優(yōu)選車寬方向的橫向匯流排上。

（3）接地網(wǎng)能夠滿足短路工況下大電流泄放要求，短路工況引起的電壓升高值低于弱電系統(tǒng)暫態(tài)電壓限值，同時(shí)，短路熱效應(yīng)不會(huì)導(dǎo)致金屬接地排和碳纖維復(fù)合材料損壞。