陳藝銘，賈海杰（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院北京市軌道交通電氣工程技術(shù)研究中心，北京100044）

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城軌車輛接地方式分析與改進(jìn)

陳藝銘，賈海杰
（北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院北京市軌道交通電氣工程技術(shù)研究中心，北京100044）

摘要：面對(duì)日益擁堵的城市交通，城軌列車因其舒適快捷等優(yōu)點(diǎn)已成為城市居民出行的首要選擇，而合理的接地設(shè)計(jì)是城軌列車安全運(yùn)行的可靠保障之一。通過對(duì)地鐵車輛不同類型接地方式的分析，針對(duì)某地鐵進(jìn)行了接地方式的改進(jìn)，將DC 110 V接地裝置直接接到車底轉(zhuǎn)向架上，從而使DC 110 V接地裝置和DC 1 500 V接地裝置分開，并在車體與匯流排之間引入接地電阻。減小了高壓回路與低壓回路的公共阻抗，同時(shí)減小了通過車體的回流電流。最后通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了改進(jìn)接地方式的合理性。

關(guān)鍵詞：城軌車輛；接地分析；接地電阻；改進(jìn)

關(guān)于電氣設(shè)備接地，地面工程有一套完整的規(guī)程、規(guī)范和規(guī)定；關(guān)于地鐵接地，雖有其特殊性，但更具有普遍性［1］。地鐵上的接地是指為地鐵電氣設(shè)備提供零電位，一般以車體作為接地的零電位等勢(shì)體。因此必須科學(xué)合理的設(shè)置接地電路［2］。

如果接地出現(xiàn)短路或雷擊電流時(shí)，由于整個(gè)車體作為一個(gè)零電位等勢(shì)體，避免了屏蔽層因兩端電勢(shì)不同產(chǎn)生的大電流，從而避免了因其產(chǎn)生的強(qiáng)烈干擾［3］。

接地系統(tǒng)是否可靠，直接關(guān)系到供電系統(tǒng)以及其它各設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行［4］。在工程上，接地的主要作用可以分為保護(hù)接地和工作接地。保護(hù)接地是為保障人身安全、防止直接或間接觸電而將設(shè)備外露可導(dǎo)電部分進(jìn)行的接地。工作接地是車輛電氣系統(tǒng)正常工作的必要條件［5］。本文在對(duì)地鐵車輛不同接地方式分析與對(duì)比的基礎(chǔ)上，針對(duì)某地鐵現(xiàn)有接地方式進(jìn)行了改進(jìn)，并通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了改進(jìn)接地方式的合理性。

1　地鐵車輛接地分析

地鐵車輛的接地系統(tǒng)主要包括高壓回路接地和低壓回路接地。高壓回路接地是指如牽引逆變器、輔助逆變器等高壓設(shè)備的回流接地；低壓回路接地是指地鐵車輛DC 110 V電氣設(shè)備的回流接地。下面對(duì)某6節(jié)編組地鐵的一個(gè)單元現(xiàn)有的接地方式進(jìn)行具體分析。

如圖1所示，1車輔助逆變器的DC 1 500 V 和DC110 V的回流和2車牽引逆變器的DC1500 V以及2車其他DC 110 V負(fù)載的回流均是在2車通過電纜通過碳刷到鋼軌。3車的1 500 V和其他DC 110 V是通過本車的碳刷回流［6］。

圖1　地鐵車輛接地系統(tǒng)Fig.1 Subway vehicle ground system

通過圖1分析，回流電流中的一部分會(huì)通過阻值更小的鋁合金車體，由于此回流通路參數(shù)容易受到列車運(yùn)行的影響，從而導(dǎo)致接地阻抗參數(shù)的變化，使車輛零電位發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致地鐵車輛電氣系統(tǒng)工作的不穩(wěn)定。由于很難求出回流電流I的精確值［7-8］，下面我們考慮流經(jīng)車體的電流占總電流I的百分比并使其盡可能小。車體和鋼軌模型圖如圖2所示。將電路簡(jiǎn)化為圖3所示。

圖2　車體和鋼軌模型圖Fig.2 The model diagram of train body and rail

圖3　簡(jiǎn)化車體和鋼軌電路圖Fig.3 Simplified circuit diagram of train body and rail

在圖3中，R1，R2，R3分別是車體電阻、接地電阻和接地電纜的接觸電阻，R4指回流電纜的電阻，R5是鋼軌的阻值。鋼軌的電阻可以通過鋼軌的電阻率計(jì)算，電阻率為2.1×10-7Ω·m。

電阻為

鋼軌質(zhì)量為

則Rd可由1 m長(zhǎng)的鋼軌質(zhì)量得出

如果按照鋼軌60 kg/m計(jì)算，則電調(diào)鋼軌的電阻為0.027 Ω/km，2條鋼軌的電阻為0.013 5 Ω/km。在計(jì)算車體電阻時(shí)，考慮B型車不銹鋼車體質(zhì)量約為380 kg/m，根據(jù)式（1）～式（3），可以大概估算出車體電阻為0.043 Ω/km。車體與接地回流之間的電纜阻值為0.122 Ω/km。目前車體與接地回流裝置有4根電纜，每個(gè)碳刷有2根接地電纜，總電纜電阻大概為0.061 Ω/km，接地電纜連接處接觸電阻近似為10 mΩ。按以上估算，車體總阻值6.02 mΩ，R4和R5鋼分別為回流電纜阻值和鋼軌阻值，鋼軌長(zhǎng)度為19 m，回流電纜按10 m計(jì)算，則鋼軌總阻值為1.35 mΩ，通過車體的電流相當(dāng)于總電流的18%。

在以上的接地方案中，DC 1 500 V和DC 110 V接地裝置是在一起的，均連接到車體下的中端匯流排上，每輛車間通過車體連接線連接；Tc車設(shè)備通過專門的接地母線至鄰近的M車接地裝置，進(jìn)而回流至軌道［9］。在車輛運(yùn)行過程中，由于公共阻抗的存在，高壓回流電流將會(huì)使DC 110 V電壓零點(diǎn)產(chǎn)生波動(dòng)，進(jìn)而影響直流110 V的穩(wěn)定性，其影響在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中得到了驗(yàn)證。

由圖4可知車輛接地電阻的分布，R11，R12，R21，R22，R31，R32，R41，R51均為電纜電阻，R5為鋼軌電阻，碳刷1和碳刷2為對(duì)稱分布，DC 1 500 V和DC 110 V同時(shí)接到中端匯流排上，可將DC 1 500 V和DC 110 V的公共阻抗R0簡(jiǎn)化為如圖5所示。

圖4　車輛和鋼軌電路圖Fig.4 Vehicles and rail circuit diagram

圖5　公共阻抗簡(jiǎn)化圖Fig.5 Public impedance diagram

在牽引或制動(dòng)時(shí)，高壓回流電路中會(huì)有很大的電流通過，由于公共阻抗所產(chǎn)生的電壓差，導(dǎo)致DC 110 V電壓產(chǎn)生波動(dòng)，影響DC 110 V電壓源的電壓質(zhì)量。測(cè)試波形如圖6所示。圖6中Ua為牽引變流器DC 110 V電源輸入端口處的電壓，Ub為3號(hào)車本地110 V電壓，Uc和Ud分別為中段匯流排至車雙端碳刷聯(lián)絡(luò)線的電壓降。在測(cè)試過程中，DC 110 V電源的輸出電壓為87.5～125 V之間頻繁波動(dòng)。通過測(cè)試波形，可以發(fā)現(xiàn)3號(hào)車牽引變流器DC 110 V電源輸入端口處的電壓會(huì)隨著中段匯流排至車雙端碳刷聯(lián)絡(luò)線的壓降的較大變化產(chǎn)生波動(dòng)，即直流1 500 V與直流110 V的公共阻抗影響了DC 110 V的穩(wěn)定性。

圖6　測(cè)試波形Fig.6 Test waveforms

2　改進(jìn)方案

為減小高壓回路與低壓回路的公共阻抗，將DC 110 V接地直接接到車底轉(zhuǎn)向架上，如圖7所示，從而使DC 110 V接地裝置和DC 1 500 V接地裝置分開。但由于鋁合金車體的電阻小于鋼軌，鋼軌的雜散電流可能從3車轉(zhuǎn)向架流向3車車體再流向2車車體最后流向2車轉(zhuǎn)向架，此回流在影響接地裝置和轉(zhuǎn)向架軸承的壽命的同時(shí)，依然對(duì)DC 110 V產(chǎn)生影響。

圖7　DC 110 V和DC 1 500 V接地分開電路圖Fig.7 DC 110 V from DC 1 500 V grounding circuit diagram

為減小通過車體的回流電流，在車體與匯流排之間引入接地電阻，并將1車DC 110 V負(fù)極接到2車底部輔助設(shè)備箱內(nèi)與車體相連，使其通過接地電阻與碳刷相連，將DC 110 V接地裝置和DC 1 500 V接地裝置之間隔離，使得DC 110 V負(fù)極線相對(duì)碳刷呈高阻態(tài)，防止了大電流從3車轉(zhuǎn)向架→3車車體→2車車體→2車轉(zhuǎn)向架進(jìn)行回流，避免了DC 110 V負(fù)極電位大幅度變化。根據(jù)EN50153規(guī)定，車體與地面裝置之間阻值不能大于50 mΩ。因此，選擇在DC 110 V接地端增加50 mΩ電阻，等效電路如圖8所示。

圖8　簡(jiǎn)化電路圖Fig.8 Simplified circuit diagram

簡(jiǎn)化后車體總的電阻增加為56.02 mΩ，鋼軌總電阻為1.35 mΩ，可以發(fā)現(xiàn)，理論上通過車體電流減小為總電流的2.4%。此時(shí)DC 110 V接地與DC 1 500 V接地被50 mΩ電阻隔開，見圖9。修改后接地系統(tǒng)電路如圖10所示。

圖9　公共電阻簡(jiǎn)化電路Fig.9 Public resistance to simplify circuit

圖10　添加接地電阻后電路圖Fig.10 After add grounding resistance circuit diagram

3　測(cè)試驗(yàn)證及結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析M車DC 110 V串電阻接地方案對(duì)DC110 V的改善效果。測(cè)試波形見圖11。

圖11　改善后測(cè)試波形Fig.11 Improved test waveforms

具體如下：1）測(cè)試列車在DC 110 V串電阻接地方案下，VVVF輸入DC 110 V質(zhì)量；2）測(cè)試匯流排至回流碳刷聯(lián)絡(luò)電纜上的電壓干擾耦合情況的變化；3）測(cè)試M車車體接地線上的回流電壓波動(dòng)；4）測(cè)試T車在按照建議更改方案接入電阻情況下DC 110 V電壓。

對(duì)比2次測(cè)試，整改之前M車本地110 V電壓波動(dòng)峰峰值可到30 V以上，而改后電壓峰峰值為12 V左右。所以，將DC 1 500 V接地和DC 110 V接地完全分開并接入接地電阻，起到了明顯的改善作用。地鐵幾乎覆蓋了電力、電子、通信以及控制系統(tǒng)等領(lǐng)域的各種設(shè)備，這些電氣設(shè)備對(duì)接地提出了多樣化和復(fù)雜化的要求［10］。在接地問題中，盡量減小公共阻抗干擾，對(duì)保障列車安全可靠運(yùn)行具有極其重要的作用。

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修改稿日期：2015-07-17

Urban Rail Vehicle Grounding Method Analysis and Improvement

CHEN Yiming，JIA Haijie
（The Rail Transit Electrical Engineering Technology Research Center of Beijing Institute of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；）

Abstract:With increasingly congested urban traffic，urban rail train has become the first choice of city dweller for its advantages of comfortable and fast. A reasonable grounding design is one of the reliable guarantees of urban rail train safe operation. Through the analysis of different types of grounding method for metro vehicles，an improved grounding scheme was put out. The DC 110 V grounding device connected directly to the bottom on the bogie. It made DC 110 V grounding device and the DC 1 500 V grounding device separated，and added the grounding resistance between car body and busbar. Reduced public impedance of high voltage loop and the low pressure loop，and reduced the backflow through the current body at the same time.The rationality of the improve grounding method is verified by field test ultimately.

Key words:urban rail vehicles；analysis of grounding；grounding resistance；improvement

收稿日期：2015-01-29

作者簡(jiǎn)介：陳藝銘（1992-），男，在讀碩士研究生，Email：14121400@bjtu.edu.cn

基金項(xiàng)目：北京交通大學(xué)校科研基金項(xiàng)目（E13JB00010）；混合動(dòng)力車組關(guān)鍵技術(shù)研究及典型樣車研制（2013BAG21QB00）；國家自然科學(xué)基金（U1134204，51307006）

中圖分類號(hào)：TN919

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A