城市軌道交通車輛電氣系統接地探討

劉 洋

（蘇州軌道交通集團有限公司運營分公司 江蘇 蘇州 215101）

0 前言

為了保證城市軌道交通車輛上的電氣設備或者電路正常工作和人身安全，以及考慮到整車電磁兼容性能，必須將軌道交通車輛上的電氣、電子設備進行接地。廣義地說，“地”可以是一個等電位點或等電位面，它為電路系統提供一個參考電位，為靜電釋放提供通道，為設備故障電流和雷擊電流泄放提供通道，因此必須科學合理的設置接地電路。按用途可將接地劃分為：工作接地、安全接地、屏蔽接地。

1 工作接地

地鐵列車的工作接地包括高壓回流接地、低壓工作接地

1.1 高壓回流接地

高壓回流接地的作用是將從接觸網處獲得的電流引入軌道，回流至變電所，形成一個回路保證電路的接通。該電路設計應能保證所有電流均回流至電源，不會導致任何損壞或觸電危險。回流接地電纜阻抗應盡可能低。

圖1 高壓主電路

根據 《IEC 60077-1鐵路應用—軌道車輛用電器設備 第1部分：一般操作要求和規則》要求：

1）至少應有兩個不同的通路同時用于電流回流，從而一個通路的失敗不會引起損壞或觸電危險；

2）實現電力回流的方法是使所有的電路分別與一母線相連，該母線應與車身和與所有外露的導電元件絕緣，和本身與電流回流集電器（車軸電刷/回流集電靴）相連。

1.2 低壓工作接地

低壓工作接地的作用是為低壓電路提供一個基準電位，同時也是雜散信號的回流通道。

圖2 低壓工作接地電路

如圖2(a)所示，電路1、2、3共用一根接地線，由于地線存在阻抗，后端電路電流會疊加到前端電路的地線阻抗上，當后端電路的電流改變時，會影響前端電路地線上壓降，進而影響前端負載的工作電壓，這種干擾稱之為共組抗干擾。當高頻信號作用時，地線阻抗將主要由感抗決定，這種干擾將更加明顯。

在實際的電路中應當盡量避免共組抗干擾，尤其是數字信號對模擬信號的干擾。因此數字信號和模擬信號應該分開單獨接地，如圖2(b)所示。

除了把相互干擾的電路分開接地以外，還應當盡量使接地電纜的接地阻抗低。

2 安全接地

安全接地主要為保護人身和設備安全。對于人身安全的保護首先要研究電流通過人體的效應。

2.1 人身安全保護

根據《IEC 60479電流流過人體和動物的效應》，電流的效應由生理參數和電氣參數決定。心室纖維性顫動是導致死亡的主要原因。

2.1.1 15～100Hz交流電流對人體的效應

圖3 15～100Hz交流電-通電時間對應圖

表1 15～100Hz交流電流對人體的效應說明

2.1.2 直流電流對人體的效應

圖4 直流電-通電時間對應圖

表2 直流電流對人體的效應說明

2.1.3 直流電流對人體的其他效應

1）接近100mA時，通電期間，四肢有發熱感。

2）在接觸面的皮膚內感到疼痛。

3）300 mA以下橫向電流流過人體幾分鐘，隨著時間和電流量的增加，可引起可以恢復的心律失常、電流傷痕、燒傷、頭暈以及有時失去知覺。

4）電流達數安培連續超過幾秒，則可能發生內部燒傷或其他損傷，甚至死亡。

2.1.4 人體的阻抗

人體的阻抗除根據個人體質不同，阻抗不相同以外，從電氣上存在以下差異：

1）施加電壓越大時，阻抗越小。電壓頻率越大時，皮膚阻抗越小。2）施加電壓的接觸面積越大，阻抗越小。

3）施加電壓的位置不同，阻抗不相同。如左手到右手、雙手到腳等。

例如：在接觸面積較大，從左手到右手，施加電壓為DC125V，95%的人的阻抗會在3000歐。

2.1.5 車輛接地措施

為防止乘客、乘務人員、檢修人員受到車輛電氣設備電擊傷害，車輛所有易于被人接觸的電氣設備都安裝在箱體和內裝板內，所有金屬箱體要求通過接地線連接車體，車體通過接地線與回流軸端連接，進而與鐵軌導通，使車體、設備箱體與鐵軌等電位，鐵軌處于地電位。一旦發生設備漏電，因人體阻抗遠大于車體、接地線、鋼軌的串聯阻抗，通過人體的電流可以控制在安全區域內。

2.2 設備安全保護

2.2.1 防雷接地

在受電弓后端設置金屬氧化物避雷器，保護車輛電氣設備免受雷擊過電壓的損壞，并限制續流的持續時間，且可以限制續流幅度。

2.2.2 高壓設備外殼接地

1）防止外殼上積累電荷；

2）當設備的絕緣損壞而使外殼帶電時，促使電源的保護動作而切斷電源；

3）屏蔽設備巨大的電場。

3 屏蔽接地

3.1 集膚效應

當交變電流通過導體時，電流將趨于導體表面流過，這種現象叫集膚效應。頻率越高，集膚效應越明顯。因此對于高頻信號的接地電纜應盡量選用表面積大的編織接地線。

3.2 電場屏蔽

在屏蔽層未接地時電路中的耦合關系如圖5(a)所示，其等效電路如圖5(b)實線所示。

圖5 電場騷擾電路

由等效電路可知，騷擾源電路上的電壓U1可以通過導線1與屏蔽層之間的耦合電容Cms耦合到屏蔽層上，再通過屏蔽層與導線2之間的耦合電容Cs耦合到導線2上，從而對導線2上的電路形成干擾。將屏蔽層接地以后，相當于將C2s短路，如圖虛線所示，Cms被短接至地，不能將騷擾傳導至導線2。

因此電場的屏蔽只需要屏蔽層單端接地即可。此外，要選用屏蔽編織層比較緊密的電纜以減小C12，同時芯線不要露出屏蔽層外。

3.3 磁場屏蔽

根據Φ=Li很容易推導得出屏蔽層的自感Ls等于屏蔽層與線芯的互感M，即：Ls=M

如圖6(a)，屏蔽層雙端接地，則根據等效電路圖6(b)可知：

圖6 屏蔽層雙端接地電路

ω0=rs／Ls，為電源的截止頻率。 當 ω＞＞ω0時，Is≈I1，此時 IG≈0。

因此，屏蔽層外，屏蔽層產生的磁場與回流產生的磁場相互抵消，實現了磁場的屏蔽。以上為主動屏蔽，被動屏蔽原理與此類似。試驗結果表明，當f≥10kHz時，回流幾乎全部走屏蔽層。當頻率較低時，回流大部分經由地線回至電源負極。因此當頻率較高時，屏蔽層接地應采用雙端接地，也可以雙端接電源的負線。

3.4 地環路對屏蔽的影響

如右圖7(a)所示，如果接地點A、B之間存在壓降，根據前邊所述，會形成地環路。

圖7 地環路電路圖

由圖7(b)等效電路可得：

UL＝－jωMIs＋jωLsIs＋rsIs＋E

又有 Ls＝M，則：UL＝rsIs＋E

即加到負載上的電壓除信號源的有用電壓外，還有噪聲電壓，噪聲電壓為噪聲電流與屏蔽層電阻的乘積。 可見地環路會削弱屏蔽層的屏蔽效果。

3.5 不同電纜克服地環路效應舉例

3.5.1 三軸式同軸電纜或雙重屏蔽電纜

如圖8所示，內層屏蔽用作信號回流線。若有地環路形成的噪聲電流，則由外屏蔽層經過。

圖8 雙重屏蔽電纜克服地環路效應

3.5.2 同軸電纜

當f＞1MHz時，由于高頻集膚效應，信號電流在屏蔽層的內表面流動，而地環路的噪聲電流則在屏蔽層的外表面流動

3.5.3 屏蔽雙絞線電纜

如圖9所示，信號電流在兩根導線上流過，一根是去流，一根是回流，而地環路產生的噪聲電流則流過屏蔽層。由屏蔽層通過互感感應到兩根內導線上的噪聲電壓因其大小相等且方向相同，在信號回路上將相互抵消。實現了屏蔽效果。

圖9 屏蔽雙絞線克服地環路效應

由上可知，屏蔽雙絞線也可起到三軸電纜的作用，但其價格便宜，使用方便，實際應用時多被采用。

3.6 建議的屏蔽接地方法

低頻電路指頻率小于1MHz的電路，高頻電路指頻率大于1MHz的電路。

圖10 屏蔽層接地方法示意圖

［1］IEC 60077-1鐵路應用—軌道車輛用電器設備 第1部分：一般操作要求和規則[S].1999,10.

［2］IEC 60479 電流流過人體和動物的效應[S].2005,07.

［3］黃盛霖,顏禮彬,邱杰.電路中信號電纜層屏蔽層接地方式的探討[J].海軍航空工程學院學報,2002年9月,17(5).

［4］白周云.電磁兼容設計[M].北京:北京郵電大學出版社,2001.