地鐵車輛保護接地技術研究

蔡里明

中車青島四方機車車輛股份有限公司 山東 青島 266000

引言

目前地鐵車輛的輔助供電方式主要有三種，分別為擴展供電、交叉供電和并網供電。早期地鐵列車一直采用擴展供電方式和中壓交叉網絡供電形式，直到近年來開始采用中壓并聯網絡供電形式。中壓并聯網絡供電其前身出自于電力供電系統的高壓直流并聯供電技術，并隨著列車通信和控制網絡技術的發展而逐漸成熟。特別是在長編組多輔助逆變器(SIV)的車輛上采用并網供電技術，當輔助供電系統故障時，通過列車監控管理系統(TCMS)對逆變器和負載進行管理，從而有效降低供電故障對列車性能的影響。相比傳統的供電方式，多臺輔助逆變器的并網供電系統冗余性強，大大提高了列車運行的穩定性和可靠性，因此并網供電將成為未來的趨勢。

1 地鐵車輛的保護接地概述

地鐵車輛的保護接地主要指設備外殼接地，包括車體金屬部件之間、所有金屬箱體與車體之間、車鉤與車鉤之間、車體和轉向架之間、轉向架和牽引電機之間，使所有電氣傳導部件與車體成為一個等勢體，最終與地面相連。為了防止觸電危險，車輛的中壓380V和低壓110V也需要進行保護接地，此處的“地”以車體為參考零電位。一般將中壓380V中壓母線的N線與車體相連，保證N線對地等電勢；低壓110V負母線與車體相連，使低壓負母線與車體等電勢。地鐵車輛的保護接地目前普遍采用與高壓工作回流接地共用1個接地匯流排的方式，容易造成列車的工作回流通過車體及構架產生雜散電流，使軸承發生電蝕故障。特別是鋁合金車體的電阻小于相等長度鋼軌的電阻，可能使鋼軌的雜散電流回流至車體。為了提高車體及構架的電動勢，降低列車回流通過車體及構架的電流量，增加接地電阻對減少流經車體的回流有明顯的改善作用，但接地電阻的數量和阻值大小需要另行確定。地鐵車輛中壓和低壓的保護接地因為與車體相連，發生接地故障時，容易引起車體電壓的升高，造成控制系統紊亂。為了提高車輛運營的穩定性和可靠性，使保護設備不被較大的短路電流損壞，要對車輛中壓和低壓的保護接地進行優化。

2 輔助系統中壓交流并網供電方案

輔助系統是列車運行不可缺少的一部分，是給列車通風設備、空調、照明、制動和控制單元供電的系統。輔助系統包括輔助供電系統和輔助用電設備，輔助供電系統分為中壓(AC380V)供電系統和低壓(DC110V)供電系統，中壓供電系統由輔助逆變器提供電源，低壓供電系統由充電機提供電源。輔助用電設備同樣也包括中壓用電設備和低壓用電設備，中壓用電設備包括，空調、制動電阻風機、空氣壓縮機、電抗器風機；低壓用電設備包括照明、PIS系統、控制系統、其他輔助設備。整個輔助系統供電網絡主要設備包括輔助逆變器(簡稱SIV)、蓄電池充電機和蓄電池。采用并網供電方式時，設置列車DC1500V輔助專用高壓母線，通過高壓輔助母線將列車4臺輔助電源輸入端并行連接起來，并設置母線熔斷器和輸出接觸器進行保護。輔助變流器并網工作時，模塊之間采用直接并聯模式，并通過網絡指定主機和從機，主機提供輸出電壓的幅值和頻率基準，主機和從機均勻分配輸出電流。當其中一臺輔助變流器模塊出現故障時，其余模塊可經內部控制系統的邏輯運算繼續為負載供電，其調整速度快、穩定性好、均流能力強。

3 地鐵車輛保護接地技術分析

3.1 地鐵車輛中、低壓系統的保護接地 車輛的中、低壓系統主要為列車空調、空壓機組、列車照明、控制電路、車門、車載信號與通信設備等提供電源，特別是列車控制系統主要是由DC110V供電，若低壓系統發生接地故障，勢必造成短路事故。短路電流可能會導致對應的DC110V供電斷路器跳閘，列車將失去DC110V控制電源，影響重要的控制系統，如制動系統的控制電源，嚴重情況下還可能影響行車安全。因此，車輛的中、低壓系統必須要做好保護接地。

3.2 中壓交流并網供電故障策略的實現 在中壓母線上設置3個中壓母線接觸器并對控制電路進行優化，輔助電源系統的中壓母線由并聯的輔助逆變器供電，中壓母線貫穿于整列車給整列車的中壓負載同時供電，母線接觸器用于將輔助電源與中壓母線隔離。正常情況時，母線接觸器處于閉合狀態并且所有的輔助電源處于并聯供電模式；當發生母線短路故障時，母線接觸器可以將短路母線隔離，確保至少有一臺空壓機可以工作。中壓母線上的所有負載都應提供獨立的過流保護開關用來保護:當任意一個負載故障時，過流保護開關應該斷開負載和中壓母線的連接以確保中壓母線不受影響，SIV按正常啟動邏輯啟動并進行并網；當短路點無法通過線路空開進行切除時，斷開母線接觸器，SIV各自啟動，判斷短路點并通過母線接觸器對短路點進行切除，切除部分SIV停止工作，其余SIV按正常啟動邏輯啟動并進行并網。

3.3 系統接地方式的合理選擇 系統接地方式是經常能夠見到的接地方式，也是地鐵設備中常見的問題。由于系統接地線是各路電流互相耦合的通道，因此也常常造成電流之間的干擾，從而導致設備使用過程中的誤差甚至是錯誤。因此需要正確的接地方式來避免這種情況的發，同時增強系統工作的精確度。低頻道路遵循一點接地原則。這種方式區分串聯和并聯，串聯時單點接地可以給多個電路提供參考，而并聯單點接地不存在公共阻抗問題。高頻電路或者數字電路接地時，要遵循多點接地原則，如此便可在一定程度上降低接地線阻抗，保證設備穩定工作。混合接地融合了一點接地和多點接地，針對電路系統不同頻率的部分采用不同的系統接地方式。

3.4 對接地規范加以明確 如果想要對施工人員在接地施工過程中所做出的行為加以規范，并在此基礎上提高接地的質量和效率，以地鐵系統為基礎建立相應的接地規范就顯得很有必要。在實踐過程中對規章制度的內容進行不斷完善，能夠在極大程度上提高圍繞著地鐵設備所開展接地施工的質量與效率，需要注意的是，規章制度所包含的內容并不僅僅局限于接地目的和類型，還應當包括機箱接地要求、設備接地類型、差價接地要求等。除此之外，對接地部分進行檢查也是很有必要的，而接地規范中與接地檢查相關的內容應當重點強調接地流程及檢查標準，例如，接地電纜、電源是否存在損傷；接電線截面是否能夠滿足有關要求。在此基礎上對驗收及檢驗環節加以完善，能夠在最大程度上提高接地質量，加快地鐵設備所應用接地技術發展的速度，較為常見的接地問題自然能夠迎刃而解。

結語

本文通過對地鐵車輛保護接地的理論分析，確定了保護接地的優化設計方案。通過對保護接地電阻的阻值進行理論計算和仿真分析，給出保護接地電阻的建議值。對于車輛中、低壓系統的保護接地，從提高車輛運行的安全性和可靠性角度，提出優化設計方案。同時，隨著列車通信控制網絡的發展，從加強列車接地故障的在線檢測和隔離功能角度，完善列車接地系統的設計。