地鐵車輛保護接地技術研究

李張群，譚萬忠，鐘 杰

（中國鐵道科學研究院集團有限公司深圳研究設計院，廣東深圳 518000）

0 引言

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

1 地鐵車輛的保護接地概述

地鐵車輛的保護接地主要指設備外殼接地，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、車體和轉向架之間、轉向架和牽引電機之間，使所有電氣傳導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，車輛的中壓 380 V 和低壓 110 V也需要進行保護接地，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線對地等電勢；低壓 110 V 負母線與車體相連，使低壓負母線與車體等電勢。

2 地鐵車輛保護接地方式分析

地鐵車輛的保護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[1]。

為了提高車體及構架的電動勢，降低列車回流通過車體及構架的電流量，參考文獻[2]提出，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接地因為與車體相連，發(fā)生接地故障時，容易引起車體電壓的升高，造成控制系統(tǒng)紊亂。為了提高車輛運營的穩(wěn)定性和可靠性，使保護設備不被較大的短路電流損壞，要對車輛中壓和低壓的保護接地進行優(yōu)化。

3 保護接地電阻的理論計算和數(shù)值模擬計算

在以往的車輛設計中，保護接地電阻阻值的大小多根據(jù)經(jīng)驗進行選擇，并無明確依據(jù)。現(xiàn)通過對保護接地電阻進行理論計算和數(shù)值模擬計算，可以明確保護接地電阻的最優(yōu)值。

3.1 保護接地電阻的理論計算

歐標 EN50153-2003《鐵路設施鐵道車輛電氣隱患防護規(guī)定》中提到，車體與地面裝置的保護性導體之間的阻值不能大于 50 mΩ[3]。因此，增設的接地電阻阻值不能太大，目前的經(jīng)驗值是 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 是過渡電阻（車輪與軌道之間的電阻），Rp 是保護接地電阻。一輛車有 4 個軸端接地裝置。

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)驗值），過渡電阻Rt 為 3.5 mΩ，截面積為120 mm2接地電纜的電阻為 0.2 mΩ/m，保護電阻Rp 目前的經(jīng)驗值是30 mΩ。車體和軌道的電阻較小，可以忽略不計。接地電刷Re 的接觸電阻取最大值 20 mΩ。接地電纜的長度按 15 m 計算。

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：

則車體和保護性線路（軌道）間的電阻為：

因此，保護接地電阻取 30 m Ω，滿足標準 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 整車保護接地等效電路模型

3.2 保護接地電阻的數(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。車輛段供電回流設置在車輛的一側。

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 是單車保護接地電阻，為保護電阻與接觸電阻之和。R3 是 2 個轉向架中心對應鋼軌的電阻值，約為 0.25 mΩ。R4 是兩車之間鋼軌對應的電阻值，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)測車體的電壓電流變化。P8、P9、P10、P11、P12、P13 為保護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 單車保護接地電阻（R2）取 30 mΩ 的情況

在仿真分析中，當保護接地電阻取 30 mΩ時，車體上各探針點對地電壓值如圖 3 所示，保護接地電阻的電流值如圖 4 所示。

仿真結果顯示，當接地保護電阻取 30 mΩ時，電流主要在鋼軌上流動，只有部分小電流進入車體。從圖4 可以看出，進入車體的電流最大約為 21 A。從圖 3 可以看出，因保護接地電阻的存在，車體電壓抬升約為 1 V。

圖 3 各探針點的對地電壓值

圖 4 保護接地電阻的電流值

3.2.2 單車保護接地電阻（R2）取 20 mΩ和 40 mΩ的情況

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

從仿真結果來看，當單車保護接地電阻取 20 mΩ時，車體各探針點對地電壓值變化不大；流經(jīng)車體的電流比R2 取 30 m Ω時增大了約 10 A。當單車保護接地電阻取 40 mΩ時，車體各探針點對地電壓有微小變化；流經(jīng)車體的電流比R2 取 30 mΩ時小一些。

從理論計算和數(shù)值模擬分析的結果可知，單車保護接地電阻取 20 mΩ時，流經(jīng)車體的軌道回流電流值增加。保護接地電阻取 40 mΩ時，又過于接近標準EN50153 中關于車體對地電阻小于 50 mΩ的要求。因此，保護接地電阻取值 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，同時也滿足標準 EN50153 中關于車體對地電阻小于 50 mΩ 的要求。

4 地鐵車輛中、低壓系統(tǒng)的保護接地

車輛的中、低壓系統(tǒng)主要為列車空調、空壓機組、列車照明、控制電路、車門、車載信號與通信設備等提供電源，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。短路電流可能會導致對應的 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)必須要做好保護接地。

圖 5 保護接地電阻取 20 mΩ時流經(jīng)車體的電流

圖 6 保護接地電阻取 40 mΩ時流經(jīng)車體的電流

4.1 中壓母線保護接地的改進

地鐵車輛的中壓 380 V 保護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)供電運行時，為了減小中壓負載發(fā)生短路故障時對中壓母線的影響，要求對短路故障進行在線檢測和隔離。一般情況下，每個中壓負載都帶有過流保護開關，當發(fā)生短路故障時，過流保護開關應該斷開故障負載和中壓母線的連接，以確保中壓母線不受影響。當短路點無法通過線路空氣開關進行切除時，為確保中壓母線不受影響，需要對中壓母線供電電路進行優(yōu)化。

通過在中壓母線上設置 3 個母線接觸器，將輔助電源與中壓母線進行隔離。正常情況下，通過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，此時所有的輔助電源處于并聯(lián)供電模式。當中壓母線發(fā)生短路故障時，TCMS 負責短路的定位和故障支線的隔離，此時母線接觸器將被斷開，確保至少有1臺空壓機可以正常工作。

4.2 低壓直流 110 V 保護接地的改進

現(xiàn)有地鐵車輛的低壓 110 V 母線保護接地一般是將母線通過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。同時設置單點接地，降低設備和車體內的雜散電流對控制回路的影響。現(xiàn)有低壓母線保護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，對地鐵運營的安全性、可靠性要求也越來越高。當接地故障發(fā)生時，為了減小設備電壓浮動對控制回路的影響，同時保護設備不被較大的短路電流損壞，需要對地鐵車輛低壓母線保護接地進行改進。改進后的接地電路如圖 7 所示。

圖 7 低壓 110 V 負母線接地示意圖

DC110V 負母線貫通全列車，每輛車的低壓負母線通過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)的支路中有一個小容量的斷路器（0.5 A）。正常情況下接地斷路器是閉合的，Tc 車接地電阻為 4 Ω，整列車 DC110V 負母線的等效接地電阻為 2Ω，斷路器中只流過微弱的漏電流，因此接地電阻上的壓降非常小，負母線的電位接近車體的電位，確保了DC110V 系統(tǒng)負母線電位的穩(wěn)定，也可有效抑制電磁干擾[5]。

當 DC110V 系統(tǒng)中出現(xiàn)電氣設備接地故障，接地電流超過斷路器跳閘的設定值時，故障電流會使斷路器斷開，同時通過 TCMS 監(jiān)視斷路器的狀態(tài)，當該斷路器斷開時，在司機顯示器上會提示低壓電路出現(xiàn)接地故障。斷路器斷開后，Tc 車接地電阻為 410 Ω，遠大于正常時的 4 Ω，此時 DC110V 負母線等效接地電阻為 68 Ω，故障電流會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備，控制電路均可以正常使用，不影響列車運營。

在實際應用中，接地故障多是由于低壓設備的正端直接對地或屏蔽層錯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，結合車輛的應用經(jīng)驗，接地斷路器的額定容量通常定為 0.5 A。

5 結束語

本文通過對地鐵車輛保護接地的理論分析，確定了保護接地的優(yōu)化設計方案。通過對保護接地電阻的阻值進行理論計算和仿真分析，給出保護接地電阻的建議值。對于車輛中、低壓系統(tǒng)的保護接地，從提高車輛運行的安全性和可靠性角度，提出優(yōu)化設計方案。同時，隨著列車通信控制網(wǎng)絡的發(fā)展，從加強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)的設計，為地鐵車輛工作者進行接地系統(tǒng)設計提供新的思路。

[1]鐘碧羿. 地鐵車輛接地技術分析[J]. 電力機車與城軌車輛，2008，31（4）：55-57.

[2]王歡，戴煥云，池茂儒. 國外100%低地板輕軌車輛發(fā)展概述[J]. 國外鐵道車輛，2012，49（2）：1-9.

[3]EN50153-2003鐵路設施 鐵道車輛電氣隱患防護規(guī)定[S]. 2003.

[4]李恩龍，于青松. 城市軌道交通車輛接地方案分析[J]. 城市軌道交通研究，2012，15（8）：139-144.

[5]郭振通，呂正. 地鐵列車DC110V電路接地設計[J]. 城市軌道交通研究，2012，15（9）：94-96.