軌道交通車輛直流母線接地改進方案的應用分析

李文榮 孫士杰 閆海城 高福昕

(中車長春軌道客車股份有限公司，130062，長春∥第一作者，工程師)

隨著軌道交通的快速發展，安全、可靠的軌道交通車輛的研發越來越受到重視。在列車的運行過程中，車輛的電磁兼容(EMC)性能直接影響著車輛的可靠、高效和安全運行。車輛設計時不僅需要提高電氣設備本身的電磁兼容性，還需要從整車原理設計上提高整車的EMC性能。在對EMC的研究中發現，“地”對整車EMC性能分析起著至關重要的作用：車體作為整車的零電位，即車體可視為“地”，為車輛提供保護地。然而在列車的運行過程中，牽引電流中存在著豐富的諧波，會對軌道電路的正常運行產生干擾[1]。文獻[2]以B型地鐵車輛為例對整車高壓回路接地方案進行了闡述，提出了1種實用性較高的接地方案，為車輛保護接地提供了堅實的基礎。文獻[3]指出牽引電流對DC 110 V電壓零電位的影響及由此對整車穩定性產生的影響，提出了1種新型的接地方式，但該方式只能降低DC 110 V母線電壓的波動范圍，不能從根本上抑制牽引電流對DC 110 V母線電壓的影響。文獻[4]對地鐵車輛的接地方式進行了研究，提出了在工作接地和保護接地間增加接地電阻，以降低牽引電流對整車的影響。文獻[5]提出，在車體與軸端之間增加隔離電阻來降低流入車體的牽引電流。文獻[6]針對CRH380高速動車組車輛接地問題，提出在動車轉向架增加保護接地裝置。文獻[7]通過減少頭車(Tc車)保護接地數量來降低軸端電壓，但該方案會使得Tc車中二位端轉向架缺少接地保護，進而增加觸電風險。本文以澳大利亞墨爾本市HCMT(大運量地鐵)項目的地鐵車輛為依托，針對軌道交通車輛直流母線的接地問題進行深入分析。

1 列車主電路設計

1.1 牽引和輔助供電電路

墨爾本市HCMT項目地鐵車輛采用4動3拖7輛編組方式。其牽引電壓為DC 1 500 V，車輛通過受電弓與接觸網連接。列車正常運行時，4個受電弓同時工作，電流經由高壓箱(HV)、DC/DC變流器流至牽引逆變器和輔助變流器。DC 110 V低壓母線和AC 415 V中壓母線貫穿整車，為車輛提供輔助電能。

1.2 整車接地系統

該型車輛的整車接地方案如圖1所示，包含牽引輔助回流接地和車輛保護性接地2方面。其中，牽引輔助回流接地直接接至轉向架軸端，牽引回流直接流至軌道，均不經過車輛車體;車輛保護性接地指的是設備接地，車輛上的電氣設備和轉向架構架接至車體，車體經小電阻接至轉向架軸端。車輛間經過接地電纜連接，使得車輛整體成為1個等勢體。保護接地回路中的小電阻能夠使經過車體的軌道電流大幅降低，從而提高車輛的可用性。在換向車二位端，車體直接接至轉向架軸端，能夠在弓網出線搭接車體故障時為接觸網提供放電回路，從而保護電網和車輛。車輛DC 110 V母線在Tc車經接地電纜接至車體，實現DC 110 V正線的短路保護功能。

圖1 HCMT項目軌道交通車輛的整車接地方案

2 車輛母線接地性能分析

2.1 車輛接地系統建模

針對車輛接地系統，采用Matlab軟件對其電氣性能進行仿真分析。由于車輛為直流供電系統，因此可將車體、軌道和鋪設電纜等效為電阻。圖2為車輛的接地等效模型。

注：Tc——帶司機室的拖車；M/Mp——動車；T——拖車；Rcb——車體等效電阻；Rrail——軌道等效電阻；RR——接地小電阻；

車體等效電阻Rcb的計算公式為：

Rcb=ρel/S

(1)

式中：

ρe——不銹鋼車體電阻率；

l——車體長度；

S——車體等效截面積。

ρ為不銹鋼車體密度,則車體質量Gct的計算公式為：

Gct=ρlS

(2)

本文所研究的車輛為A型不銹鋼車體，其單車質量約為550 kg/m；不銹鋼車體電阻率ρe為7.3×10-7Ωm2/m；不銹鋼車體密度ρ為7.93×103kg/m3。由式(1)計算可得1 m車體的Rcb為0.010 5 Ω/km；同理可得1 m鋼軌的等效電阻Rrail為0.027 Ω/km。

表1為所研究車輛的電阻參數，可為車輛接地仿真提供依據。

由于電纜接線端部接觸電阻Rc為10 mΩ，因此在每個電纜終端均需考慮此接觸電阻。對于95 mm2直流母線，整車共有6段電纜， 因此,在考慮線纜接觸電阻情況下95 mm2直流母線的整體電阻Rbus-total的計算公式為：

Rbus-total=Rbus+6Rc

(3)

由式(3)可計算出Rbus-total為92.34 mΩ。

表1 HCMT項目軌道交通車輛的電阻參數

2.2 仿真分析

針對上述模型，采用Matlab進行了仿真分析。該型列車的輔助逆變器功率為240 kVA，牽引逆變器功率峰值為862.5 kW。仿真模擬工況為：①軌道線路上同時運行3列地鐵列車；②0～0.2 s牽引逆變器運行在最大功率，0.2～0.3 s牽引逆變器自封鎖，0.3～0.4 s牽引逆變器運行在最大功率。

圖3為該車型的高壓供電線路電流波形，展示了0～0.25 s的波形。從圖3可以看出：①列車牽引時，牽引電流存在較高的諧波電流；②列車從牽引到停車的過程中，牽引電流存在較大波動。

圖3 高壓供電線路電流波形

圖4為列車DC 110 V負線中的電壓和電流的波形圖。從圖4可以看出：①列車牽引時，直流母線電壓和電流中存在較高的諧波電流；②列車牽引時，直流母線兩端的電壓差為15 V；③牽引回流在直流母線負線上的分量高達52 A；④當列車從牽引狀態切換至停車狀態時，電壓和電流存在較大的震蕩。

圖5為每個Tc車直流母線負線相對于車體的電壓波形。從圖5可知：①直流母線負線參考電壓根據牽引電流的不同有所變化，波動范圍在1 V左右；②直流電壓中存在較大的諧波干擾，會嚴重影響供電電源的品質；③母線電壓的波動會導致車輛供電電壓的穩定，并造成斷路器誤跳。

a) 電壓波形

b) 電流波形

a) Tc1車直流母線相對車體電壓

b) Tc2車直流母線相對車體電壓

3 直流母線接地改進方案

3.1 接地改進方案設計

針對上述問題，本文對車輛的直流母線接地方案進行了改進，取消直流母線在每個Tc車的接地，并在M2車增加母線接地。圖6 a)為改進前直流110 V電路的簡化示意圖,在TC車中直流母線經接地線連接至車體,會導致軌道牽引回流經過直流母線接地線流經DC 110 V母線,產生圖6 b)中的電流i2，仿真分析可知i2高達52 A。

圖6 c)和6 d)為改進后的直流母線接地示意圖。由于i2不存在接地回路，因此i2為0。改進后整車直流母線采用負線單點接地方案，因此軌道回流電流不會流經直流母線負線，從而避免了牽引諧波對直流供電電源品質的影響。

為了增加車輛的可用性, 在接地回路中增加接地故障保護斷路器，如圖7 a)所示。圖7 b)為短路瞬間電流流通路徑示意圖。在列車運行過程中如果出現直流正線接地故障，斷路器會瞬間保護，將故障回路斷開，此時DC 110 V母線與車體連接，因此DC 110 V負線電壓為-110 V，如圖7 c)所示。

a) 改進前簡化接地示意圖

b) 改進前軌道回流示意圖

c) 改進后簡化接地示意圖

d) 改進后軌道回流示意圖

a) 新型接地方案

b) 短路回路

c) 故障保護后電路

在接地回路中增加短路限流電阻和接地故障斷路保護器,可消除接地故障的影響，避免短路故障影響列車正常運行，這對于提高列車的運營可靠性起了至關重要的作用。

3.2 接地改進方案仿真分析

按照改進后的方案搭建仿真模型, 即在上文原有仿真模型的基礎上做如下改動：①取消DC 110 V母線在Tc車上的接地；②增加DC 110 V母線在換向車(1列車僅1臺)上的接地。

改進后DC 110 V母線電壓負線中的牽引電流在母線上的分量為0，換向車直流母線負線相對于車體的電壓為0，牽引電流并沒有對直流母線電壓造成影響。仿真證明了改進后的電路設計方案在抑制牽引電流方面的有效性，避免了牽引電流對直流供電電源品質的影響。

3.3 保護元器件選型

3.3.1 斷路器的選型

對于接地故障保護斷路器的選擇，需要考慮如下幾個因素：①直流供電額定電壓采用DC 110 V；②斷路器保護電流小于熔斷器額定電流(250 A)；③斷路器為C型軌道專用斷路器；④短路電流額定值暫定為1 A，需根據限流電阻值進行校核。

綜合以上4點因素，推薦選用的短路器型號為5SY51017CC11。

3.3.2 限流電阻的選型

本文所研究的地鐵車輛，其蓄電池采用80節堿性鎳鎘電池，因此電源電壓變化范圍為80.0～137.5 V。為了保證斷路器能夠可靠動作(動作時間小于1 s)，短路電流需要大于4 A，因此電阻阻值需要小于20 Ω。本項目限流電阻阻值選擇10 Ω，因此斷路器動作時間小于0.5 s。

4 結語

本文所提出的直流母線接地改進方案具有如下優勢：能夠有效避免牽引諧波影響直流電源品質；能夠消除車輛接地故障，提高列車的運行可靠性；能夠提高列車運行的安全性，可有效避免列車母線接地故障情況下的電源失效。