谷偉嫻

【摘 要】本文介紹電氣系統(tǒng)中接地的作用及接地類型，并對大型養(yǎng)路機(jī)械電氣系統(tǒng)常用的PLC系統(tǒng)接地、屏蔽電纜屏蔽層接地及應(yīng)急發(fā)電機(jī)的接地進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并從分析和實(shí)際出發(fā)，給出大型養(yǎng)路機(jī)械電氣系統(tǒng)接地的建議。

【關(guān)鍵詞】鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械 電氣系統(tǒng) 接地

【Abstract】This paper introduces the role and type of grounding system in electric system，and analyzes in detail above PLC system grounding，shielding cable shield grounding and the grounding type of emergency generator，which are commonly used in the large maintenance machinery，and form the point of analysis and practical，there are suggestions above grounding of electrical system in the large maintenance machinery.

【Key words】Large maintenance machinery of railway； Electrical system； Grounding

0 引言

在列車的長時間運(yùn)行和自然條件作用下，鐵路線路會發(fā)生形變或損壞，為確保列車運(yùn)行安全，必須加強(qiáng)對鐵路線路參數(shù)的檢測、養(yǎng)護(hù)和維修工作。鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械即是代替人工對鐵路線路進(jìn)行檢測、養(yǎng)護(hù)和維護(hù)的專用機(jī)械，是集機(jī)械、液壓、氣動、電氣等技術(shù)于一體的高自動化的機(jī)械，針對不同的鐵路養(yǎng)護(hù)要求及作業(yè)用途，有各式各樣的不同功能的產(chǎn)品，按機(jī)械的功能可分為：搗固車、清篩車、穩(wěn)定車、配碴車、鋼軌打磨車、鋼軌探傷車、軌道檢測車、橋梁檢測車、恒張力放線車、物料運(yùn)輸車、焊軌車等各種不同功能的養(yǎng)路機(jī)械。大型養(yǎng)路機(jī)械一般由以下部分構(gòu)成：發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、走行系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)、檢測裝置及工作裝置等。電氣系統(tǒng)作為對其他系統(tǒng)的控制中心，其可靠性關(guān)系到整車是否能可靠工作，影響電氣系統(tǒng)的可靠性除硬件本身、PLC程序編寫等因素外，電氣系統(tǒng)的接地會成為影響電氣系統(tǒng)可靠性的重要因素。在養(yǎng)路機(jī)械調(diào)試過程或用戶使用過程中產(chǎn)生時有時無的故障，很大原因都是因?yàn)榻拥卮嬖趩栴}。電氣系統(tǒng)良好的接地，不僅是保證人身安全避免電擊的防護(hù)措施，而且也是抑制干擾、減小電磁干擾、提高系統(tǒng)可靠性的重要方法，因此應(yīng)給予電氣系統(tǒng)的接地足夠的重視。

1 接地的作用

將電氣裝置的某些導(dǎo)電部分，經(jīng)接地線連接至地或電氣裝置中正常時不帶電部分某點(diǎn)與地的人為連接都叫接地。此處的地可以是大地，也可以為電位參考地。根據(jù)接地的不同作用，分類如下[1]：

1.1 功能性接地

用于保證設(shè)備的正常運(yùn)行，或是系統(tǒng)可靠而正確的實(shí)現(xiàn)其功能的接地。

1.2 保護(hù)性接地

以人身和設(shè)備的安全為目的的接地。保護(hù)接地根據(jù)其功能不同可細(xì)分為：保護(hù)接地、雷電防護(hù)接地、防靜電接地、陰極保護(hù)接地。其中保護(hù)接地在大型養(yǎng)路機(jī)械中比較常見，即機(jī)械中的電氣裝置的外露導(dǎo)電部分，由于絕緣損壞有可能帶電，為防止其危及人身和設(shè)備的安全而設(shè)的接地。

1.3 電磁兼容性接地

電磁兼容性是使器件、設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中其他電氣設(shè)備構(gòu)成不能承受的電磁騷擾。為此目的所做的接地稱為電磁兼容性接地。進(jìn)行屏蔽是電磁兼容性要求的基本保護(hù)措施之一。

2 養(yǎng)路機(jī)械的電氣系統(tǒng)的接地類型

養(yǎng)路機(jī)械整車的電氣系統(tǒng)包含的主要元器件有：PLC（可編程控制器）系統(tǒng)、繼電器、各種傳感器、斷路器、感應(yīng)開關(guān)、電機(jī)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)及蓄電池等電氣元器件。由于電氣系統(tǒng)中包含著各種種類的元器件，對不同類型的元器件其接地方式也應(yīng)有所不同。具體接地類型如下：

（1）直流地：直流供電電壓的地。如蓄電池的負(fù)極。

（2）數(shù)字地：也叫邏輯地，是各種數(shù)字量信號的零電位。如PLC系統(tǒng)中數(shù)字量輸入輸出的地。

（3）模擬地：各種模擬量信號的零電位。如PLC系統(tǒng)中模擬量信號的地。

（4）信號地：傳感器的地。如速度傳感器、高度傳感器、拉線傳感器等傳感器的地。

（5）工作地：繼電器、感應(yīng)開關(guān)和斷路器等元器件的地。

（6）交流地：交流供電電源的地線，如應(yīng)急發(fā)電機(jī)輸出電壓為220V/380V交流電源的地，交流地通常是會產(chǎn)生干擾的接地，應(yīng)與其他接地分開。

（7）保護(hù)接地：以人身和設(shè)備的安全為目的的接地。如應(yīng)急發(fā)電機(jī)出現(xiàn)相線搭接在發(fā)電機(jī)的外殼上，導(dǎo)致外殼帶電，會對人有電擊的危險(xiǎn)，此時應(yīng)對發(fā)電機(jī)外殼進(jìn)行接地，且接地的PE線的芯線截面應(yīng)與相線截面（相線芯線截面不大于16mm2）相等，并不得小于4mm2。

（8）屏蔽地：為防止靜電感應(yīng)和磁場感應(yīng)而設(shè)的地。如液壓油溫傳感器、柴油油位傳感器等傳感器的電纜為帶屏蔽層的電纜，此屏蔽層應(yīng)進(jìn)行接地。

以上各種不同類型的接地，為了避免相互的干擾或影響，不應(yīng)將不同類型的接地簡單地、任意地接在一起，而是需將相同類型地接獨(dú)立的接地子系統(tǒng)，在大型養(yǎng)路機(jī)械的電氣箱體中可將相同類型的接地接到同一接地排上，不同的類型的接地分別接到不同接地排。

3 電氣系統(tǒng)接地分析

大型養(yǎng)路機(jī)械電氣系統(tǒng)中的電氣元器件如繼電器、感應(yīng)開關(guān)、斷路器等接地可不太費(fèi)心的考慮其接地方式，可直接接至工作地即可。但PLC系統(tǒng)、傳感器電纜屏蔽層的接地、應(yīng)急發(fā)電機(jī)等的接地需仔細(xì)分析其結(jié)構(gòu)或信號后才能確認(rèn)其接地形式。

3.1 電氣系統(tǒng)及PLC系統(tǒng)接地

電氣系統(tǒng)的接地原則[2]，在工作頻率在1MHz以下的低頻系統(tǒng)中，應(yīng)采用單點(diǎn)接地的方法；在工作頻率高于10MHz的高頻系統(tǒng)中，應(yīng)采用多點(diǎn)接地的方法；工作頻率在1MHz至10MHz之間的系統(tǒng)中，應(yīng)采用混合接地，即對系統(tǒng)內(nèi)的低頻部分采用單點(diǎn)接地，而高頻部分采用多點(diǎn)接地。

在大型養(yǎng)路機(jī)械中的電氣系統(tǒng)大多數(shù)采用直流24V的電源系統(tǒng)，包括PLC電源及多數(shù)負(fù)載均為直流24V，為低頻系統(tǒng)，應(yīng)采用單點(diǎn)接地，單點(diǎn)接地方式也可分為：串聯(lián)式單點(diǎn)接地、并聯(lián)式單點(diǎn)接地。

串聯(lián)式單點(diǎn)接地：將多個設(shè)備的接地端子串接后從最后的設(shè)備的接地端子接至接地極上。此種接地的優(yōu)點(diǎn)：如多個設(shè)備在物理上距離比較近，能節(jié)省從設(shè)備至接地極的電纜。缺點(diǎn)：容易產(chǎn)生公共阻抗耦合的問題，且當(dāng)某根串接線斷開，斷線后續(xù)設(shè)備會失去地，會造成設(shè)備工作不正常。

并聯(lián)式單點(diǎn)接地：將多個設(shè)備的接地端子分別各自接至接地極。此種接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)與串聯(lián)式單點(diǎn)接地相反。優(yōu)點(diǎn)：某個設(shè)備的地線斷開不影響其他設(shè)備，并且沒有公共阻抗耦合和低頻地環(huán)路的問題。缺點(diǎn)：較串聯(lián)式浪費(fèi)電纜。此接地方式最為簡單且實(shí)用。

在大型養(yǎng)路機(jī)械電氣系統(tǒng)中比較方便將PLC和各設(shè)備的接地均通過各自多芯電纜接至電氣箱體內(nèi)的不同的接地排上，然后通過接地線將接地排接至車體上（基準(zhǔn)零電位）。

3.2 屏蔽層接地

大型養(yǎng)路機(jī)械電氣系統(tǒng)中有眾多的傳感器，由于其信號為標(biāo)準(zhǔn)電壓或電流的模擬量信號，其信號在傳輸過程中容易受到干擾，因此傳輸電纜一般采用帶屏蔽層的電纜，對屏蔽層進(jìn)行接地，防止外界電磁場對傳輸信號的干擾。但對不同用途的屏蔽層，有著不同的接地方式。對屏蔽線有單屏蔽層的接地方式可分為：屏蔽層單端接地、屏蔽層兩端接地。

屏蔽層兩端接地使電磁感應(yīng)在屏蔽層上產(chǎn)生一個感應(yīng)縱向電流，該電流產(chǎn)生一個與主干擾相反的二次場，抵消主干擾場的作用，使干擾電壓降低，故兩端接地對電磁干擾有較好的屏蔽作用。但兩端接地存在兩個問題：第一：當(dāng)接地上出現(xiàn)短路電流或雷擊電流時，由于電纜屏蔽層兩點(diǎn)電位不同，使屏蔽層內(nèi)流過電流，可能燒毀屏蔽層。第二：當(dāng)屏蔽層內(nèi)流過電流時，對信號芯線將產(chǎn)生干擾。屏蔽層單端接地不存在兩端接地所存在的問題，并且對于通過電容耦合的電場干擾，單端接地可很大程度降低干擾電壓，發(fā)揮屏蔽作用。但對于兩層屏蔽層的電纜應(yīng)內(nèi)層屏蔽層單端接地，用于抑制干擾；而外層屏蔽層進(jìn)行兩端接地，用于保證人身和設(shè)備安全。

在大型養(yǎng)路機(jī)械中由于眾多傳感器的信號均為模擬量信號，宜采用單端接地，在電氣箱體中將屏蔽層接至接地匯流排上。

3.3 應(yīng)急發(fā)電機(jī)接地

在大型養(yǎng)路機(jī)械中，出于安全考慮，大部分電源及控制電壓均為直流24V，但實(shí)際使用中也需要交流220V或380V電源，如應(yīng)急泵、交流380V空調(diào)、插頭等，因此在大型養(yǎng)路機(jī)械中均配置有應(yīng)急發(fā)電機(jī)。對應(yīng)急發(fā)電機(jī)的中性線和PE線接地方式不同也有著不同的保護(hù)方式，確保人身和設(shè)備安全。

低壓系統(tǒng)接地制式按配電系統(tǒng)和電氣設(shè)備不同的接地組合來分類，按照國標(biāo)[3]規(guī)定，低壓系統(tǒng)接地制式一般由兩個字母組成，必要時可加后續(xù)字母。第一個字母表示電源接地點(diǎn)對地的關(guān)系：T表示直接接地，I表示不接地或通過大阻抗接地。第二個字母表示電氣設(shè)備的外露導(dǎo)電部分與地的關(guān)系：T表示獨(dú)立于電源接地點(diǎn)而直接接地，N表示直接與電源系統(tǒng)接地點(diǎn)相連接。后續(xù)字母表示中性線（N）與保護(hù)線（PE）間的關(guān)系：C表示中性線與保護(hù)線合并為PEN線；S表示中性線與保護(hù)線分開；C-S表示在電源側(cè)為PEN線，從某點(diǎn)分開為N及PE線。

低壓配電系統(tǒng)接地可分為TN、TT、IT三種形式，其中TN根據(jù)中心線與保護(hù)線關(guān)系可分為：TN-C、TN-S、TN-C-S。

由于大型養(yǎng)路機(jī)械中有需要用到交流220V的電源的設(shè)備，因此發(fā)電機(jī)不適合接成IT系統(tǒng)，如接為IT系統(tǒng)后，需要交流220V電源時，需增加380/220V的變壓器，增加了成本，且規(guī)范中也不推薦IT系統(tǒng)接出中性線。如應(yīng)急發(fā)電機(jī)接線形式為TN時，當(dāng)電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分帶電（相線碰外殼或設(shè)備絕緣損壞漏電）時，此電流會直接轉(zhuǎn)化為短路電流，這個電流會很大，能使低壓斷路器或熔斷器快速動作，使故障設(shè)備斷電，比較安全。但存在如某個外殼帶電時，在切斷故障設(shè)備前，此電壓會通過PE線傳到至其他設(shè)備外殼，使外殼帶電，擴(kuò)大了可能危及人身安全的范圍。如應(yīng)急發(fā)電機(jī)接線形式為TT時，當(dāng)電氣設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分帶電，由于其外殼直接接地，極大減小對人身產(chǎn)生觸電的危險(xiǎn)，但由于此電流小，低壓短路器或熔斷器不一定會動作，此時應(yīng)選用漏電保護(hù)器作為保護(hù)。

在大型養(yǎng)路機(jī)械中考慮人身和設(shè)備安全考慮，建議應(yīng)急發(fā)電機(jī)的接地形式接為TT系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

大型養(yǎng)路機(jī)械中的電氣系統(tǒng)或其他領(lǐng)域的電氣系統(tǒng)的接地技術(shù)看似簡單，但實(shí)際上接地是一項(xiàng)非常復(fù)雜且沒有完全清楚的工程。具有優(yōu)良接地的電氣系統(tǒng)不僅可以減少本系統(tǒng)對外輻射電磁污染，還可以抑制干擾，使電氣設(shè)備穩(wěn)定可靠的運(yùn)行，減少系統(tǒng)莫名其妙的故障。所以，電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員應(yīng)對接地系統(tǒng)應(yīng)該給予足夠的重視，只要有足夠的重視，會起到事半功倍的效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益。

【參考文獻(xiàn)】

[1]任元會.工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊[M].北京：中國電力出版社，2005.

[2]沈尚賢.電子技術(shù)導(dǎo)論[M].北京：高等教育出版社，1986.

[3]GB/T 50065-2011 交流電氣裝置的接地[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2011.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]