宋旭鵬

（中車青島四方機車車輛股份有限公司 國家工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266111）

碳纖維復合材料具有高強度、低密度和耐疲勞等優(yōu)良綜合性能，是輕量化車體設計制造的理想材料[1]。然而，碳纖維復合材料電導率為5 S/m～104S/m，遠小于不銹鋼或鋁合金等傳統(tǒng)車體金屬材料。因此，碳纖維復合材料車體并不能直接作為電氣等電位面，形成導電通路，需要額外設置一套接地系統(tǒng)用于設備保護和EMC接地。

目前，在接地網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，功能復雜且技術(shù)要求高的接地網(wǎng)主要有復合材料飛機回流網(wǎng)[1]和變電站接地網(wǎng)[2]。飛機回流網(wǎng)主要為飛機的雷擊及靜電防護、電流回路，提供全機電氣設備的等電位基準，機載設備與外界無電氣耦合，整機電氣設備功率容量較小，量級不高于102 kVA，接地網(wǎng)首要因素是優(yōu)化拓撲，減小匯流路徑，實現(xiàn)降低回流電阻和減重目的。變電站接地網(wǎng)主要為接地或雷擊故障電流提供基本安全泄放通道，降低強電接地故障及其對人身和設備的安全風險，其設計屬于系統(tǒng)工程，空間延伸范圍大，設計裕度較大。

然而，復合材料地鐵列車的運營工況與飛機和變電站系統(tǒng)存在顯著差別，地鐵通常采用1 500 V直流供電系統(tǒng)，牽引電流約幾千A，功率容量約103 kVA，介于飛機回流網(wǎng)和輸變電接地網(wǎng)之間。飛機電氣負載和輸變電系統(tǒng)均為靜態(tài)工況，而地鐵牽引、制動和惰性動態(tài)運行條件下，存在接地網(wǎng)與軌道、地的雜散電流耦合。此外，車體本身集成了各類強電弱電設備以及電壓等級不同的線束，因此，碳纖維復合材料車體接地網(wǎng)設計既要考慮動態(tài)工況下的車-軌道-地的耦合規(guī)律[3-4]，更要注重設備保護接地、人身安全和EMC接地的功能需求。

為滿足整車保護接地和電磁兼容接地要求，本文提出了一套適用于復材車體的接地網(wǎng)，并通過仿真方法研究了接地網(wǎng)-軌道-車耦合工況下，接地網(wǎng)雜散電流分布特性，分析了短路工況下接地網(wǎng)的暫態(tài)響應特性和匯流排熱效應及其影響。

1 接地網(wǎng)拓撲

對于金屬車體而言，所有設備、線槽接地通常就近設置接地座作為設備接地點，然而，碳纖維復材車體阻抗大，車體上不能直接設置接地座，這要求在不改變保持接地點位的前提下，布置接地網(wǎng)。選取地鐵列車的頭車（拖車）設計接地網(wǎng)，通常，接地網(wǎng)采用硬質(zhì)金屬匯流排。根據(jù)車體接地點位，按照就近接地原則，給出如圖1所示的接地網(wǎng)拓撲，接地網(wǎng)主要分為車頂、側(cè)墻和車下3部分。為了直觀描述下文中仿真激勵端口的位置，圖1給出了接地網(wǎng)與軌道地平面和后部車體的電氣連接位置。

圖1 接地網(wǎng)拓撲

2 接地網(wǎng)耦合雜散電流分析

2.1 接地網(wǎng)耦合分析

將碳纖維車體接地網(wǎng)拓撲任意兩節(jié)點間匯流排等效為一個電阻，單位長度匯流排電阻實測0.2 mΩ/m，從而生成一個接地網(wǎng)等效電阻網(wǎng)絡，接地網(wǎng)通過車下2個50 mΩ接地電阻（用阻值相同的接地線代替）與軌道地平面連接，如圖1所示，其中，二位端接地網(wǎng)與后部車體連接，將后部車體等效為5 mΩ電阻，用等值接地線代替，并與軌道地平面連接。

碳纖維復合材料地鐵列車采用第三軌受流，圖2為接地網(wǎng)與軌道和地的連接示意圖，該圖為電路仿真模型中提取的局部，其中，圖上方長方框代表接地網(wǎng)，內(nèi)部是接地網(wǎng)各個節(jié)點排的等效電阻，具體等效電阻模型未在圖中詳細說明；a標記為軌道縱向電阻0.001Ω/100 m；b標記為軌道-地過渡電阻15Ω；c標記為車端兩個接地電阻0.05Ω，分別位于一位端和二位端附近；d標記為轉(zhuǎn)向架與車體金屬件間橡膠絕緣電阻1 MΩ，其中，車體金屬件與接地網(wǎng)相連；e標記為每個車軸軸承油膜電阻為1Ω。接地網(wǎng)的電氣連接接口主要包括：兩個車下電阻器、兩個轉(zhuǎn)向架向連接和二位端后部車體連接。

用Matlab/Simulink仿真一列六編組地鐵列車，其中，2個頭車為拖車，采用碳纖維車體，并設置接地網(wǎng)，4個動車為金屬車體，位于編組中間。將2個頭車拖車接地網(wǎng)和4個動車金屬車體分別等效成電阻網(wǎng)絡，并形成編組，置于相鄰兩車站區(qū)間。圖3為相鄰兩車站區(qū)間內(nèi)編組與軌道和地的連接示意圖，其中，第三軌、軌道和地分別對應圖2中3個電流端口。將牽引總電流2 320 A作為電流源從第3軌輸入，軌道和地分別作為電流回路。圖2模型的仿真結(jié)果顯示，頭車拖車通過單個50 mΩ接地電阻進入接地網(wǎng)的雜散電流約40 A，而從轉(zhuǎn)向架構(gòu)架到接地網(wǎng)的雜散電流幾乎為零。

圖2 頭車接地網(wǎng)-軌道-地耦合模型

圖3 整編組列車-軌道-地連接示意圖

2.2 接地網(wǎng)雜散電流分布

根據(jù)圖1所示的接地網(wǎng)拓撲和車體模型建立接地網(wǎng)三維電磁模型，如圖4所示，整個模型尺寸19×2.5×2.5 m，接地排為截面4×25 mm金屬排，材質(zhì)為鋁合金。按照前文電路仿真結(jié)果，在一位端和二位端2個50 mΩ接地電阻安裝位置分別注入40 A激勵電流，該激勵電流為電路仿真得到的從軌道進入接地網(wǎng)的電流，目的是模擬軌道回流進入接地網(wǎng)的雜散電流，觀察雜散電流在接地網(wǎng)中的分布情況。模型中，電流注入點與車下匯流排連接，側(cè)墻匯流排通過軟連接線與車下匯流排貫通。

圖4模型的仿真結(jié)果顯示，電流首先進入車下匯流排，然后，通過軟連接線流入側(cè)墻和車頂匯流排，如圖1所示，最后，從車下2個50 mΩ和1個5 mΩ接地軟線進入大地。圖4中取電流交匯節(jié)點，可以看到車長方向2個分支電流約8 A，車高方向匯流排電流約1.4 A，車寬方向電流約0.15 A，雜散電流在單根匯流排上的分布規(guī)律是：車長方向＞車高方向＞車寬方向，圖5為側(cè)墻匯流排與車下匯流排連接處的電流分布狀態(tài)，結(jié)果顯示雜散電流經(jīng)過軟連接線從車下接地網(wǎng)流入車上接地網(wǎng)部分，由于側(cè)墻匯流排數(shù)量較多，單根匯流排承擔雜散電流相對較小，而車長方向從一位端到二位端有4根匯流排，流過的雜散電流相對較大。

圖4 接地網(wǎng)雜散電流分布

圖5 車下-側(cè)墻連接處雜散電流

3 接地網(wǎng)短路響應

接地網(wǎng)在暫態(tài)工況下，引起的電壓升高和熱效應，可能會引起如下負面影響：（1）車載弱電系統(tǒng)暫態(tài)電壓高于2 kV[5]，會干擾設備正常工作；（2）短路溫升過大，會導致鋁合金排和碳纖維復合材料樹脂部分，出現(xiàn)燒熔或燒蝕現(xiàn)象。為分析接地網(wǎng)暫態(tài)響應特性，模擬了直流側(cè)輔助逆變器（SIV）短路工況，即在SIV接地點位置，見圖1中位置4，注入幅值30 kA，脈沖寬度100 ms的短路電流。該電流波形按照公式（1）一階RL短路模型給出[6]，時域波形如圖6所示，其頻譜主瓣頻帶寬度約10 Hz。

圖6 短路電流時域波形

其中：I為最終電流穩(wěn)定值，A；ι為時間常數(shù)，取15 ms。

圖7為短路電流注入接地網(wǎng)后的仿真結(jié)果，可以看到，電流注入接地網(wǎng)后分流，向前電流分量約18 kA，向后分量約12 kA，最終，電流通過2個50 mΩ接地電阻和5 mΩ接地電阻進入軌道地平面。由圖8可知電流注入點電壓隨時間變化，短路電流引起接地位置電壓升高約80 V。此外，入地的短路電流在一位端和二位端50 mΩ電阻器分別引起接地網(wǎng)67 V和35 V的電壓升高。

圖7 短路電流分布

圖8 電流注入點電壓變化

取1段金屬排，緊貼在碳纖維板材表面，參考圖6波形注入18 kA脈沖電流，觀察匯流排熱效應。從圖9仿真結(jié)果看到，電流瞬態(tài)熱效應引起匯流排約62 K的溫升，短路電流引起的溫升均在匯流排和碳纖維復合材料正常工作溫度范圍內(nèi)。

圖9 短路溫升

4 結(jié)論

本文針對車體各類保護和EMC接地需求，提出了碳纖維復合材料車體接地網(wǎng)，基于仿真分析，得出如下結(jié)論：

（1）整個接地網(wǎng)會分布從軌道耦合進入的雜散電流。由于雜散電流會通過接地方式流入車內(nèi)金屬扶手桿，而被車內(nèi)乘客觸摸到，因此，與接地網(wǎng)連接的設備應單點接地，盡量不采用多點接地，避免雜散電流在金屬件上形成回流。

（2）接地網(wǎng)雜散電流分布規(guī)律為車長方向＞車高方向＞車寬方向。由于車寬方向雜散電流相對較小，引起的電壓噪聲也較小，因此，接地點位應優(yōu)選車寬方向的橫向匯流排上。

（3）接地網(wǎng)能夠滿足短路工況下大電流泄放要求，短路工況引起的電壓升高值低于弱電系統(tǒng)暫態(tài)電壓限值，同時，短路熱效應不會導致金屬接地排和碳纖維復合材料損壞。