動車組高壓線纜屏蔽層接地分析

姜艷輝 徐亞昆 姜旭東

(1.中車長春軌道客車股份有限公司國家軌道客車工程研究中心，130062，長春；2.中車永濟電機有限公司, 710016，西安//第一作者，高級工程師)

動車組智能化的發(fā)展，使得電氣系統(tǒng)更加復雜，這對電氣系統(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用在動車組上，因此，線纜屏蔽層接地結構的設計直接影響了動車組電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。

1 動車組接地系統(tǒng)

動車組的接地系統(tǒng)按照功能劃分為運行接地和保護接地兩種形式。其中，運行接地設置在牽引變壓器所在的車軸，用于形成高壓接地回路；保護接地用于車體接地，可以實現電氣設備外殼、電纜屏蔽線等的可靠接地。在保護接地系統(tǒng)中，往往需要串聯一個接地電阻，以抑制車體的電流回路。

運行接地用于動車組高壓電路形成回路，接觸網、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，接地裝置通過碳刷與動車軸連接，實現可靠接地；運行接地的接地點往往與牽引變壓器布置的位置相關，且運行接地的可靠性影響著雷電及操作過電壓的瀉放路徑。

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

2 牽引變壓器高壓線纜接地

2.1 屏蔽電纜簡介

動車組牽引系統(tǒng)選用的高壓線纜一般至少包含4層結構，從線纜的中心向外分別為線芯導體、絕緣層、屏蔽網層和橡膠保護層。線芯導體是電力電纜用于導電的部分，根據不同的用途和電流的大小進行選取；牽引導電線纜的絕緣層一般為硬質材料，保證線芯和屏蔽層之間的電氣絕緣，實現電氣隔離；屏蔽層由單層金屬絲編制網構成，通過可靠接地可以抑制對外電磁干擾和實現電氣保護功能，提高設備的電磁兼容性能，保證設備安全運行；最外層保護層為阻燃材料，用于保護電纜，同時起到電氣絕緣的作用。

2.2 線纜屏蔽層感應電纜產生機理

動車組在運行過程中，由于高壓電纜中的交變電流會產生向外的電磁場輻射，輻射場會通過耦合的方式影響到周圍弱電設備的工作。為避免動車組運行過程中電纜中電流產生的電磁場對外部的輻射騷擾，以及電纜附近的輻射場耦合到電纜中，動車組多采用金屬織網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車體接地系統(tǒng)實現，具體方式為電纜的屏蔽層在線纜的單端或雙端通過車體接地點與車體可靠連接，車體最終通過安裝在車軸上的接地電阻實現接地。

牽引系統(tǒng)電纜屏蔽層往往會存在感應電勢，感應電勢產生的機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產生的電勢，另一方面是由于操作過電壓、工頻過電壓等內部過電壓感應的電勢。在屏蔽層可靠接地的情況下，由于屏蔽層與參考地等電勢，感應電壓非常小。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電勢會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，通過分壓箱，每一路電纜分為兩根相同規(guī)格的電纜后進入牽引變流器，在牽引變流器內部通過銅排進行匯流短接。牽引變壓器次邊繞組的線纜走線路徑相同，平行走線后進入牽引變流器。對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極。R代表電阻；D代表兩根線纜的間距；U代表由電磁場φ引起的電纜的感應電勢差；i代表線纜雙端接地時，由感應電勢差引起的接地電流；IL1代表通過線纜L1的電流。

圖1 電磁感應原理示意圖

根據電流的磁效應相關理論，當帶電導體L1通過IL1時，通過的電流將在導體的周圍產生一定大小的電磁場φ。帶電導體L1附近若有其他帶電導體L2時，根據電磁感應原理，帶電導體L1產生的變

化電磁場對帶電導體L1的感應電壓U為:

U=IL1ωMnλIn

(1)

式中：

IL1——帶電導體通過的電流；

λ——屏蔽系數；

Mn——平行導體互感系數；

ω——交流電的角頻率；

In——導體平行長度。

由式(1)可知，U的大小與IL1、ω、In等成正比例關系[1]。

3 電纜屏蔽層感應電測量試驗

3.1 線纜屏蔽層接地結構

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，線纜在進入牽引變流器的位置，通過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現接地，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構

牽引變壓器次邊繞組電纜采用單點接地的方式，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個角處分別設計有接地點位，通過接地電纜連接車體，通過車體接地實現變流器箱體的接地。

在變流器啟動運行后，連接變壓器和牽引變流器的電纜中通過的電流，會在電纜中的屏蔽層感應出電壓，屏蔽層均連接到車體，并以車體電壓為參考地。若電纜為多點接地，不同的接地點處若存在車體電壓偏差，車體和電纜屏蔽層則會構成一個回路，同時車體和電纜屏蔽層構成局部環(huán)流，回路中的電流會引起電纜溫度的升高，影響電纜的絕緣性能，也會導致車體回流路徑中的機械設備的電腐蝕，對行車安全構成潛在危害。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 電纜屏蔽層感應電壓試驗測量

以某型號動車組為例，對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行了測量和對比。

電纜屏蔽層在充分接地的條件下，通過測量得到其感應電壓的峰-峰值為0.8 V，如圖4所示。測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電壓變化圖

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

圖5 脫開電纜后屏蔽層的感應電壓變化圖

在試驗中，發(fā)現在屏蔽層累積電荷的情況下，遇到絕緣薄弱的環(huán)節(jié)，就會出現絕緣擊穿，即表現為擊穿空氣放電的現象，經長期積累會對絕緣造成進一步傷害，嚴重影響線纜安全。且屏蔽層在接地不良的情況下，無法起到電磁屏蔽的作用。在動車組運行過程中，該電纜也會通過電磁輻射的方式影響線路附近的低壓電氣設備的正常工作。

經長期對電氣系統(tǒng)運行進行觀察，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)無法檢測到該故障。由此可判斷，實際屏蔽層接地不良對牽引系統(tǒng)的正常運行無影響，但是在長期運行過程中，會導致絕緣損壞。

4 結語

為提高電氣系統(tǒng)的電磁兼容性能，動車組的高壓線纜必須采用屏蔽線纜。動車組工作時，線纜中的交變電流會導致線纜屏蔽層出現感應電壓。為保證整車電氣系統(tǒng)的電磁兼容性能和動車組設備安全運行，屏蔽層必須可靠接地。