姜艷輝 徐亞昆 姜旭東

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司國(guó)家軌道客車工程研究中心，130062，長(zhǎng)春；2.中車永濟(jì)電機(jī)有限公司, 710016，西安//第一作者，高級(jí)工程師)

動(dòng)車組智能化的發(fā)展，使得電氣系統(tǒng)更加復(fù)雜，這對(duì)電氣系統(tǒng)的電磁兼容性能和安全性能提出了更高的要求。帶屏蔽層的高壓電纜和控制電纜大量運(yùn)用在動(dòng)車組上，因此，線纜屏蔽層接地結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)直接影響了動(dòng)車組電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。

1 動(dòng)車組接地系統(tǒng)

動(dòng)車組的接地系統(tǒng)按照功能劃分為運(yùn)行接地和保護(hù)接地兩種形式。其中，運(yùn)行接地設(shè)置在牽引變壓器所在的車軸，用于形成高壓接地回路；保護(hù)接地用于車體接地，可以實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備外殼、電纜屏蔽線等的可靠接地。在保護(hù)接地系統(tǒng)中，往往需要串聯(lián)一個(gè)接地電阻，以抑制車體的電流回路。

運(yùn)行接地用于動(dòng)車組高壓電路形成回路，接觸網(wǎng)、受電弓、牽引變壓器及接地裝置連接至鐵軌，形成高壓回路。其中，接地裝置通過(guò)碳刷與動(dòng)車軸連接，實(shí)現(xiàn)可靠接地；運(yùn)行接地的接地點(diǎn)往往與牽引變壓器布置的位置相關(guān)，且運(yùn)行接地的可靠性影響著雷電及操作過(guò)電壓的瀉放路徑。

保護(hù)接地主要用于動(dòng)車組裝備的電氣設(shè)備的外殼接地和帶屏蔽層線纜的屏蔽接地。一方面為電氣設(shè)備提供參考地，一方面將電氣設(shè)備外殼和電纜屏蔽層可能存在的感應(yīng)電通過(guò)接地電阻最終導(dǎo)入鋼軌，避免因設(shè)備帶電破壞絕緣繼而影響設(shè)備和乘客安全的危險(xiǎn)。保護(hù)接地的可靠性，直接影響設(shè)備的電磁兼容性能和設(shè)備安全運(yùn)行狀態(tài)。

2 牽引變壓器高壓線纜接地

2.1 屏蔽電纜簡(jiǎn)介

動(dòng)車組牽引系統(tǒng)選用的高壓線纜一般至少包含4層結(jié)構(gòu)，從線纜的中心向外分別為線芯導(dǎo)體、絕緣層、屏蔽網(wǎng)層和橡膠保護(hù)層。線芯導(dǎo)體是電力電纜用于導(dǎo)電的部分，根據(jù)不同的用途和電流的大小進(jìn)行選??；牽引導(dǎo)電線纜的絕緣層一般為硬質(zhì)材料，保證線芯和屏蔽層之間的電氣絕緣，實(shí)現(xiàn)電氣隔離；屏蔽層由單層金屬絲編制網(wǎng)構(gòu)成，通過(guò)可靠接地可以抑制對(duì)外電磁干擾和實(shí)現(xiàn)電氣保護(hù)功能，提高設(shè)備的電磁兼容性能，保證設(shè)備安全運(yùn)行；最外層保護(hù)層為阻燃材料，用于保護(hù)電纜，同時(shí)起到電氣絕緣的作用。

2.2 線纜屏蔽層感應(yīng)電纜產(chǎn)生機(jī)理

動(dòng)車組在運(yùn)行過(guò)程中，由于高壓電纜中的交變電流會(huì)產(chǎn)生向外的電磁場(chǎng)輻射，輻射場(chǎng)會(huì)通過(guò)耦合的方式影響到周圍弱電設(shè)備的工作。為避免動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中電纜中電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)外部的輻射騷擾，以及電纜附近的輻射場(chǎng)耦合到電纜中，動(dòng)車組多采用金屬織網(wǎng)屏蔽層包裹的單芯電纜，并將屏蔽層可靠接地。電纜屏蔽層的接地是通過(guò)車體接地系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，具體方式為電纜的屏蔽層在線纜的單端或雙端通過(guò)車體接地點(diǎn)與車體可靠連接，車體最終通過(guò)安裝在車軸上的接地電阻實(shí)現(xiàn)接地。

牽引系統(tǒng)電纜屏蔽層往往會(huì)存在感應(yīng)電勢(shì)，感應(yīng)電勢(shì)產(chǎn)生的機(jī)理一方面是正常工況下電纜中交流電荷在金屬屏蔽層中感應(yīng)產(chǎn)生的電勢(shì)，另一方面是由于操作過(guò)電壓、工頻過(guò)電壓等內(nèi)部過(guò)電壓感應(yīng)的電勢(shì)。在屏蔽層可靠接地的情況下，由于屏蔽層與參考地等電勢(shì)，感應(yīng)電壓非常小。如果存在電纜屏蔽層接地不良的情況，電纜屏蔽層中的單端感應(yīng)電勢(shì)會(huì)很高甚至破壞電纜絕緣。因此,從安全的角度，需要保證電纜的金屬屏蔽層與車體接地系統(tǒng)可靠連接，保證屏蔽層與車體等電壓，避免高壓電纜中的電壓危及車內(nèi)人員的人身安全。

2.3 屏蔽電纜單端接地的基本原理

以牽引變壓器次邊繞組的高壓線纜為例，線纜從變壓器輸出后，通過(guò)分壓箱，每一路電纜分為兩根相同規(guī)格的電纜后進(jìn)入牽引變流器，在牽引變流器內(nèi)部通過(guò)銅排進(jìn)行匯流短接。牽引變壓器次邊繞組的線纜走線路徑相同，平行走線后進(jìn)入牽引變流器。對(duì)同一次邊繞組的兩根線纜電路建模，如圖1所示。其中，L1為牽引變壓器次邊繞組同名端引出線纜，即牽引變流器輸入正極；L2為牽引變壓器次邊繞組異名端引出電纜，即牽引變流器輸入負(fù)極。R代表電阻；D代表兩根線纜的間距；U代表由電磁場(chǎng)φ引起的電纜的感應(yīng)電勢(shì)差；i代表線纜雙端接地時(shí)，由感應(yīng)電勢(shì)差引起的接地電流；IL1代表通過(guò)線纜L1的電流。

圖1 電磁感應(yīng)原理示意圖

根據(jù)電流的磁效應(yīng)相關(guān)理論，當(dāng)帶電導(dǎo)體L1通過(guò)IL1時(shí)，通過(guò)的電流將在導(dǎo)體的周圍產(chǎn)生一定大小的電磁場(chǎng)φ。帶電導(dǎo)體L1附近若有其他帶電導(dǎo)體L2時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，帶電導(dǎo)體L1產(chǎn)生的變

化電磁場(chǎng)對(duì)帶電導(dǎo)體L1的感應(yīng)電壓U為:

U=IL1ωMnλIn

(1)

式中：

IL1——帶電導(dǎo)體通過(guò)的電流；

λ——屏蔽系數(shù)；

Mn——平行導(dǎo)體互感系數(shù)；

ω——交流電的角頻率；

In——導(dǎo)體平行長(zhǎng)度。

由式(1)可知，U的大小與IL1、ω、In等成正比例關(guān)系[1]。

3 電纜屏蔽層感應(yīng)電測(cè)量試驗(yàn)

3.1 線纜屏蔽層接地結(jié)構(gòu)

本文以連接牽引變壓器次邊繞組和牽引變流器的高壓線纜為例，線纜在進(jìn)入牽引變流器的位置，通過(guò)變流器箱體上接地不銹鋼板與壓接屏蔽層的格蘭頭充分接觸實(shí)現(xiàn)接地，如圖2和圖3所示。

圖2 線纜屏蔽層壓接處理

圖3 牽引變流器輸入線纜接地結(jié)構(gòu)

牽引變壓器次邊繞組電纜采用單點(diǎn)接地的方式，接地位置為線纜格蘭頭與牽引變流器箱體接觸部分。牽引變流器箱體一般在4個(gè)角處分別設(shè)計(jì)有接地點(diǎn)位，通過(guò)接地電纜連接車體，通過(guò)車體接地實(shí)現(xiàn)變流器箱體的接地。

在變流器啟動(dòng)運(yùn)行后，連接變壓器和牽引變流器的電纜中通過(guò)的電流，會(huì)在電纜中的屏蔽層感應(yīng)出電壓，屏蔽層均連接到車體，并以車體電壓為參考地。若電纜為多點(diǎn)接地，不同的接地點(diǎn)處若存在車體電壓偏差，車體和電纜屏蔽層則會(huì)構(gòu)成一個(gè)回路，同時(shí)車體和電纜屏蔽層構(gòu)成局部環(huán)流，回路中的電流會(huì)引起電纜溫度的升高，影響電纜的絕緣性能，也會(huì)導(dǎo)致車體回流路徑中的機(jī)械設(shè)備的電腐蝕，對(duì)行車安全構(gòu)成潛在危害。因此，變壓器次邊至牽引變流器的電纜，通常選擇單端接地的方式[2]。

3.2 電纜屏蔽層感應(yīng)電壓試驗(yàn)測(cè)量

以某型號(hào)動(dòng)車組為例，對(duì)高壓線纜在正常接地和接地不良條件下線纜屏蔽層的電壓進(jìn)行了測(cè)量和對(duì)比。

電纜屏蔽層在充分接地的條件下，通過(guò)測(cè)量得到其感應(yīng)電壓的峰-峰值為0.8 V，如圖4所示。測(cè)量位置為變壓器次邊繞組電纜屏蔽層與牽引變流器接地位置。

圖4 電纜屏蔽層接地后屏蔽層的感應(yīng)電壓變化圖

脫開(kāi)牽引變流器輸入電纜壓接屏蔽層的格蘭頭，升弓合主斷，啟動(dòng)牽引變流器，測(cè)量牽引變流器輸入(及變壓器次邊繞組)電纜屏蔽層感應(yīng)電壓，如圖5所示。由圖5可知，電纜屏蔽層感應(yīng)電壓的峰-峰值大于130 V。

圖5 脫開(kāi)電纜后屏蔽層的感應(yīng)電壓變化圖

在試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)在屏蔽層累積電荷的情況下，遇到絕緣薄弱的環(huán)節(jié)，就會(huì)出現(xiàn)絕緣擊穿，即表現(xiàn)為擊穿空氣放電的現(xiàn)象，經(jīng)長(zhǎng)期積累會(huì)對(duì)絕緣造成進(jìn)一步傷害，嚴(yán)重影響線纜安全。且屏蔽層在接地不良的情況下，無(wú)法起到電磁屏蔽的作用。在動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中，該電纜也會(huì)通過(guò)電磁輻射的方式影響線路附近的低壓電氣設(shè)備的正常工作。

經(jīng)長(zhǎng)期對(duì)電氣系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行觀察，在電纜屏蔽層接地不良的情況下，牽引系統(tǒng)和整車系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)到該故障。由此可判斷，實(shí)際屏蔽層接地不良對(duì)牽引系統(tǒng)的正常運(yùn)行無(wú)影響，但是在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)導(dǎo)致絕緣損壞。

4 結(jié)語(yǔ)

為提高電氣系統(tǒng)的電磁兼容性能，動(dòng)車組的高壓線纜必須采用屏蔽線纜。動(dòng)車組工作時(shí)，線纜中的交變電流會(huì)導(dǎo)致線纜屏蔽層出現(xiàn)感應(yīng)電壓。為保證整車電氣系統(tǒng)的電磁兼容性能和動(dòng)車組設(shè)備安全運(yùn)行，屏蔽層必須可靠接地。