低壓負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號線車輛AB箱內低壓負母線接地電阻連接方式與其他城市地鐵低壓負母線接地電阻進行比較，并對其在今后應用過程中可能出現的故障現象進行分析及結構優化探討。

關鍵詞：低壓負母線;接地電阻;連接方式;結構優化

一、引言

接地電阻就是用來衡量接地狀態是否良好的一個重要參數，是電流由接地裝置流入大地再經大地流向另一接地體或向遠處擴散所遇到的電阻。

低壓負母線的接地電阻直接采用的低阻抗導線與車體接地，一旦發生DC110V電源母線（或某一負載電源線）接地故障，如果不對故障電流進行限制，故障電流很容易導致負載的DC110V供電斷路器跳閘，那么該負載的控制電路就會失電。在電客車低壓供電中重要負載都有空調系統、車門系統、受電弓控制系統、牽引控制系統及制動系統等，尤其是對于重要的行車控制系統，若是控制電路失電，嚴重的情況下可能會影響到行車安全。本文以常州地鐵1號線為例，對其接地電阻連接方式存在的故障隱患進行分析，并進行結構優化探討。

二、接地回流工作原理概述

常州地鐵1號線車輛配置是四動兩拖的六節編組列車（Tc1-Mp1-M1-Tc2-Mp2-M2），其中Mp、M車為動車，Tc車為拖車。每節拖車下配置AB箱（含蓄電池充電機）、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，向牽引系統供電，并向各輔助逆變器供電。地鐵運營時的供電系統回流路徑為牽引變電所正極-接觸網-受電弓-車輛負載-輪對-軌道-地下回流線-牽引變電所負極（如圖1所示）。

車輛內部電子設備的增加，使車輛內部設備布局十分密集，為了保證地鐵車輛上的電氣設備正常工作和人身安全，必須將地鐵車輛上的電氣、電子設備進行接地。宏觀上來講，地可以是等電位或等位面，它為電路系統提供參考點位，其電位可以與大地電位相同，也可以不同。地鐵車輛是一個運動系統，因此與地面固定裝置不同的地方在于車輛內的接地不是大地，而只是相對零電位基準——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，為防止高壓電對其他回路產生干擾，并保證接地可靠，回流接地通過電源的負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。整個地鐵車輛的DC1500V電路通過鋼軌進行負極回流（如圖2所示）。

低壓負母線的接地是屬于安全接地，在實際工作中安全接地最主要是為低壓系統接地，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。負責給列車低壓負載供電的DC110V電路在整列車內構成回路，電流最終流回蓄電池負極，再經過接地電阻接地，負極接地只起到電位參考作用。每個單元Mp1、M1車DC110V負母線的電流最終流向Tc車。

上述所提到的DC110V電路的負極接地指的就是低壓負母線的接地，低壓負母線是列車低壓負載共用的負DC110V電壓線，目前常州地鐵1號線采用的低壓負母線接地的連接方式就只是通過一個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所示標記處）。

三、故障隱患分析

常州地鐵1號線自2019年5月試運行以來，低壓負母線接地電阻工作狀態保持穩定。根據常州地鐵1號線所采用的低壓負母線接地方式與南京地鐵3號線相同，以下以南京地鐵3號線為背景，分析低壓負母線接地電阻的故障隱患：

南京地鐵3號線自2015年4月運營至今共發生5起AB箱體內低壓負母線接地電阻燒毀故障，其中1起故障原因為低壓箱內線路破損短路，2起故障原因為蓄電池及蓄電池箱體燒損，1起故障原因為蓄電池箱內部線路短路以及1起故障原因為輔助設備故障。這些故障共同點是由于線路短路，造成DC110V繞過負載直接正極對地，此時電流超過低壓負母線接地電阻的最大電流。常州地鐵1號線和南京地鐵3號線采用的低壓負母線接地電阻阻值為30Ohms，額定功率為100W，持續工作電流為58A，最大電流為1.5KA（瞬時1S內）。

此外，當低壓直接正極對地，線路短接電流過大并超過低壓負載控制回路上斷路器的額定電流時，會造成低壓負載控制回路失電，若是與行車有關的重要系統失電，則會影響到地鐵車輛的運營安全與效率。同時短接造成的低壓負母線接地電阻燒損情況存在不能被及時察覺到的隱患，由于沒有故障提示，所以只能在日常維護中發現其異常。若不及時發現其燒損情況，則會對箱體造成一定損壞，這就需要對其結構進行進一步的優化改進。

四、結構優化改進探討

4.1 優化改進方式

南京地鐵3號線車輛直流低壓負母線接地結構優化改進成漏電流檢測裝置接地，該裝置主要由820Ohms、8.2Ohms及斷路器（BGCB）構成（如圖4 所示），R1并=410 Ohms，R2并=4.1 Ohms，則該漏電流檢測裝置的等效接地電阻約為4.06Ohms，在R2并聯的支路中有一個小容量的斷路器BGCB。其中斷路器的輔助觸點信號須送給網絡，當斷路器跳開時，TCMS接收斷路器BGCB的輔助觸點狀態，網絡做故障顯示（即DDU顯示故障信息），監控點位為Tc車DX2的DX8E_In8;當TCMS接受到BGCB輔助觸點狀態為“1”時在司機室顯示屏上顯示“低壓接地故障”。若有直流負載正極接地故障，斷路器BGCB將跳開，屬正常保護。

當出現低壓設備正線碰殼漏電或直接對地是，故障電流會使BGCB斷開，斷開之后，該裝置等效接地阻值為410 Ohms，遠大于正常時的4.06 Ohms，故能有效的減小故障電流不致損壞設備，同時保證低壓電路仍能繼續使用，不至于影響車輛運營。

該項漏電流檢測裝置接地設計也被運用在南京地鐵1號線增購車輛、無錫地鐵二號線車輛以及蘇州地鐵3號線車輛，這雖然是比較經典的接地電阻形式，但是相較于30Ohms那種安裝簡單，成本低的接地電阻形式，改進后的漏電流檢測裝置能及時發現故障，提高檢修維護效率。

4.2 改進后應用效果

南京地鐵3號線由于至今已發生5起AB箱體內低壓負母線接地電阻燒毀故障，所以針對該故障情況對低壓負母線接地電阻形式進行優化改進。將原先接地電阻形式改進成漏電流檢測裝置接地形式，由車輛網絡TCMS對BGCB斷路器觸點進行監控，及時上報低壓系統短接故障。

于2019年8月1日08：50分，南京地鐵3號線053054列車在九龍湖站上行報BGCB斷路器斷開故障。經分析為列車B-線與車體之間存在電壓差，現場查看發現054A車左側蓄電池有兩節擊穿，箱體受損燒出孔洞（如圖5所示）。由于漏電流檢測裝置及時監控到“低壓接地故障”，所以能及時發現蓄電池被擊穿受損，在一定程度上縮小故障影響范圍。從這個改進后應用的案例可以發現該漏電流檢測裝置具有一定的優勢，能使車輛網絡TCMS及時監控低壓供電系統工作狀態。此外，南京地鐵3號線車輛的蓄電池燒損故障發生頻率較高，就目前已經發生四起，剩下3起分別是2017年9月8日，089A車蓄電池燒損;2018年1月8日，059A車蓄電池燒損;2019年1月7日，064A車蓄電池燒損，所以低壓負母線接地電阻形式改進成漏電流檢測裝置的接地電阻形式是很有必要的。

五、優缺點分析

本文討論的兩種接地電阻形式，其本質區別就是對于低壓負母線的接地情況進行及時的監控，能第一時間掌握低壓供電的短接故障情況。

六、結論

本文詳細分析了目前常州地鐵1號線采用的低壓負母線接地電阻方式存在的故障隱患，并以南京地鐵3號線為對象對低壓負母線接地電阻方式的優化改進進行探討：改進后采用漏電流檢測裝置接地形式，由車輛網絡TCMS對BGCB斷路器觸點進行監控，及時上報低壓系統短接故障。該改進后的接地電阻形式及時監控到了南京地鐵3號線蓄電池燒損頻繁的故障，保障了列車低壓供電系統運行。

目前常州地鐵1號線車輛使用的蓄電池品牌型號與南京地鐵3號線的相同，接地電阻形式也與南京地鐵3號線先前的一樣，由于常州地鐵運營時間還不算長，并未出現南京地鐵3號線類似的蓄電池燒損及接地電阻燒損故障，所以此次研究為常州地鐵1號線車輛相關系統解決故障提供了參考依據以及故障隱患的預測。常州地鐵1號線車輛接地電阻形式可以以此參考進行相關整改，保障列車運行。

參考文獻：

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