中低速磁浮列車接地與防雷技術研究

劉 帥 李小慶 延娓娓

(中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心，130062，長春//第一作者，工程師)

中低速磁浮列車以其運行噪聲小、爬坡能力強、轉彎半徑小等一系列優點逐漸引起人們的關注。特別是隨著我國首條常導短定子中低速磁浮商業線——長沙磁浮快線的開通運營，中低速磁浮列車在城市軌道交通的應用上更加體現出較強的環境適應性和較好的社會經濟性[1]。磁浮列車運行時與軌道是不接觸的，這一點完全不同于傳統的接觸式輪軌列車。磁浮列車采用負極受流靴和負極接觸軌進行回流，在中低速磁浮線路上，負極接觸軌全線采用絕緣安裝，即回流軌與大地之間是絕緣的，二者之間的泄漏電阻接近于無窮大[2]。這也是中低速磁浮系統與輪軌系統在供電方面的另一個較大的區別。本文從上述的區別之處出發，在既有輪軌交通車輛的接地與防雷方案基礎上[3]，提出1套適用于中低速磁浮列車的接地與防雷技術方案。

1 中低速磁浮列車的接地與防雷技術方案

車輛的接地與防雷主要是為了保證車輛駕乘人員及維修人員的安全，提升車輛的電磁兼容性，使車載和軌旁設備能夠不受干擾地可靠工作[4]。本文推薦的整車接地與防雷技術方案如圖1～2所示。

圖1 中低速磁浮單輛車的等勢連接

中低速磁浮列車整車接地與防雷接線的處理手段主要分以下3類。

1.1 列車等勢連接

車輛的所有箱體設備均設置接地點，接地點與車體之間設置接地線，保證設備的外殼與車體始終保持同一電位。安裝在車輛懸浮架兩側的電機均設置接地點，接地點與懸浮架相連，懸浮架的接地點與車體相連，連接完成后保證電機、懸浮架、車體處于等電位狀態，如圖1所示。不同的車廂之間采用2根截面積在120 mm2以上的電纜進行連接，如圖2所示，保證全列車成為一個等勢體。

為了防止駕乘或維修人員上下車過程中在車輛與大地之間產生跨步電壓，車輛設置接地刷(見圖2)。當車輛進站或到段停靠時，接地刷與站內或段內的接地軌相接觸，實現車體和大地等電位。

圖2 中低速磁浮列車整車接地與防雷接線示意圖

1.2 車輛的特殊處理

由于車鉤的鉤體與鉤座之間采用的是絕緣橡膠軸承連接，為了保證設備及維護人員的安全，需要使鉤體和車體等電位。但是考慮磁浮車輛存在連掛運營的需求，為了抑制潛在的車體電流，在車鉤和車體之間設置了毫歐級小電阻(見圖2)，很好地解決了上述兩個問題。

為了避免車輛制動時因閘片與軌道直接接觸而產生的車體電流，本文提出了在制動夾鉗單元上增加絕緣處理的措施(見圖2)。圖2中，閘片與閘片托采用絕緣安裝。該措施可切斷地電流經閘片上車的路徑，避免閘片和走行軌之間產生電弧。

1.3 防雷技術方案

由于磁浮車輛在運行時與軌道脫離接觸，如果不采取任何措施，車體將處于懸空狀態，若遭遇雷擊，車體可能因對地放電造成車載設備損傷，故本文采取將中間車車體與高壓母線負極相連的措施[5](見圖2)，以借助地面負軌避雷器實現列車防雷擊[6]的目的。除此之外，在每個頭車還設置接地模塊(見圖2)。該模塊由電阻、電容、二極管并聯而成，主要是為了減小車體電感在雷電流釋放過程中的影響，同時也為車輛在運行過程中產生的感生電荷提供泄放通路，提高車輛的電磁兼容水平。

為了避免雷電擊中線路供電軌后對車輛造成影響，在車輛的正負高壓母線之間設置避雷器(見圖2)，以保護車輛設備。

2 車輛故障工況分析

2.1 正負極短路

當車輛的正負極母線或與其相連的設備出現互相短路時(見圖3)，如果短路點位于車輛母線保護設備的前級(短路點1位置)，該故障需要由牽引變電所的過電流保護裝置切斷；如果短路點位于車輛母線保護設備的后級(短路點2位置)，該故障能夠由車輛母線保護設備切斷。為了保證故障不擴散，車輛保護設備的保護整定值要低于上級變電所的保護整定值。

圖3 正負極短路示意圖

2.2 正極設備對車體短路

車輛運行過程中可能出現正極設備對車體短路的故障，該故障一般是由于設備外部動力電纜絕緣層破壞或設備內部正極對箱體短路等原因造成的。無論何種原因，只要故障點與本文2.1節所述的情況一致，則短路點在車輛母線保護設備的前、后級均可能出現，如圖4所示。

圖4 正極對車輛車體短路示意圖

當短路位置為短路點2時，短路電流將通過中間車車體和負母線之間的直連接地線回流至負極，構成低阻抗回路，從而觸發車輛母線保護設備跳閘。

當短路位置為短路點1時，需要根據當前車輛的狀態討論保護機制。如果此時列車處于懸浮狀態，即車體與軌道無接觸，短路電流將通過車體和負母線之間的直連接地線、負極受流靴、負極接觸軌回流至變電所的負極，從而觸發變電所保護設備跳閘；如果此時列車處于落車狀態，車輛上的垂向滑橇與軌道充分接觸，短路電流將通過車體、軌道、大地回流至變電所的64D保護裝置[7]，從而觸發變電所的接地保護設備跳閘。

2.3 車體被雷電擊中

如果車輛在落車狀態下被雷電擊中，由于此時車體與大地等電位，雷電流將直接被泄放至大地，不會造成危險。如果車輛在懸浮狀態下被雷電擊中，車體和負母線之間的直連接地線使負極接觸軌與車體處于等電勢狀態，雷電能量將被引至負軌上，而負軌與大地之間設有避雷器，可借助此避雷器泄放落到車體上的雷電能量[8]。

3 結語

本文在傳統輪軌列車接地方案的基礎上，提出了中低速磁浮列車的接地和防雷技術方案，并且針對車體回流、電磁兼容、接地故障保護、雷擊防護等重點問題進行了詳細分析。結果表明，該方案能夠很好地解決中低速磁浮列車的接地和防雷問題，對后續磁浮產品的設計具有一定的借鑒意義。