地鐵車輛保護接地技術研究思路探析

劉明

（南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西 南寧 530029）

地鐵車輛保護接地指的是設備的外殼接地，要讓車體與電氣傳導部件形成一個等勢體連接地面。地鐵車輛設備布局密度高，這是地鐵車輛的結構決定的，高密度的設備布局會造成內部電磁環境高度復雜，為了預防電磁干擾，有必要對車輛上的電子設備以及電氣設備進行接地。現對地鐵車輛保護接地技術進行探討。

1 當前常用的接地方法

1.1 單點接地

這一方法將電流系統中的一個結構點作為接地參考點，在這一點上連接所有的對地連接。當工作頻率沒有超過1MHz時，單點接地的方法比較常用。這一方法包括并聯單點接地以及串聯單點接地2種方法。

1.2 多點接地

這一方法將機殼作為參考點，所有設備的機殼又將地作為參考點。當工作頻率超過了10MHz時，多點接地的方法非常常見。這一方式將整個車體同時進行安全接地、屏蔽接地、回流接地以及等電勢接地，與單點接地相比，更加有效、更加簡單。接地線的長度越長，頻率越高，接地線的感抗就越大，此時就會造成電磁干擾增加，所以要盡可能對接地線的長度進行控制，可采用就近接地的方法。

1.3 混合接地

這一方法同時具有多點接地以及單點接地的特點。

2 保護接地

當金屬外殼帶電時，人們誤觸就很有可能引起事故，除此之外，金屬外殼帶電還會影響到設備的安全，地鐵車輛的保護接地方法需要從防觸電、等電勢連接以及防雷等方面進行。

2.1 防觸電

通過人體的感知電流為0.5mA，當通過人體的電流在10mA以上時，就可能對人帶來生命安全的威脅。地鐵車輛電器設備的工作電壓通常都是AC380V以及DC1500V，當沒有很好地設置絕緣體，或者是絕緣體出現損壞的情況，就會引起各種傷害。通過設置接地可以非常有效地處理這種危險。

設置地鐵車輛的保護接地時，采用防腐蝕性能良好的圓錫銅絞線可保護管線以及設備，這種接地線的優勢在于具有良好的韌性，其阻值也比較小，通常長度都在500mm以下。假設絞線的橫截面積為90mm2，那么其電阻在0.0015?以下，人體的電阻多在2K～20M?，這樣就能確保箱體外殼與地等電勢連接良好。牽引及輔助設備等車下電氣設備都可以采用這種比較粗短的接地絞線來實現與車體的連接。

電阻箱以及牽引輔助箱都使用接地座的方式來實現可靠接地，除此之外可以通過屏蔽罩的作用來對射頻干擾進行控制。

2.2 等電勢連接

車輛組裝中的各個導電單元，如支架、梁、構架以及墻體等，要在電氣上采用低電感、低阻抗實現相互連接，確保連接點多、連接面大。設置連接線可以實現等電勢連接。

2.3 防雷

雷擊電流的功率高達數億伏特，達到30～300kA，因此，雷擊電流會嚴重威脅到地鐵車輛上所有電氣系統的安全。將避雷器接地設置在所有MP車的車頂上可以實現防雷。

3 工作接地

工作接地在車輛電氣系統中非常重要，其可以為建立基準電勢以及泄放電荷提供回流通道，減少噪聲電流。

3.1 回流

某地鐵車輛采用TC+MP+M2-MP-TC的配置，其中動車包括M1、M2以及MP。各車底下都有牽引輔助箱1個。對車體、轉向架連接部位采用絕緣措施，從而讓電流流向正規接地回路，減少電蝕的發生。采用鍍錫銅絲絞合電纜，其具有良好的導電性，將截面積120mm2的電纜作為列車車端連接部位的地線，將95mm2絕緣電纜作為回流線。

3.2 屏蔽接地

屏蔽接地有線槽/管的接地以及電纜屏蔽層的接地。

第一，電纜屏蔽層的接地。電路中的寄生電容之間的干擾、對外界電廠敏感、電路輻射等，因此進行屏蔽以及隔離非常有必要。屏蔽電纜在車輛的信號和控制線非常常用，例如屏蔽電纜在車載電線、以太網通信線、數據傳輸線、音頻信號、數據傳輸線中，在信號系統速度傳感器、牽引速度傳感器等電源中都有所使用。

屏蔽接地試驗測試發現,低頻電路中采用單端接地的方式來設置屏蔽電纜的屏蔽層效果良好；高頻電路中，兩端接地的方式應用比較多。分析發現，屏蔽線不接地時，此時效果最差，兩端接地的效果要比單端接地的效果更好。

電機電路工作電流達到160～240A，屏蔽層之間的電流比較大，此時車體與轉向架之間的電勢差比較大，這樣就會造成屏蔽層不能發揮等電勢導體的作用。可采用單芯屏蔽電纜，兩端360°接地的形式。

第二，線槽、線管的接地。金屬線槽、線管中設置貫通的電纜，這能發揮很好的隔離電磁干擾的作用。通過線槽、線管的可靠接地，可以將線槽、線管的靜電電荷釋放出來，還可以在線槽、線管中屏蔽電纜本身受到交變而出現的干擾屏蔽，這樣就可以發揮一個“屏蔽罩”的作用，從而減少射頻的干擾。考慮到變壓器工作電流以及車輛下方設備電抗器的電流變化比較大，會引起設備周圍出現100kHz以下的低頻磁場或者直流磁場。研究發現9kHz～150kHz頻段中線槽、線管接地屏蔽采用兩端接地的效果要比不接地以及單端接地的效果更加明顯，不接地、單端接地的效果幾乎沒有差別；30MHz～1GHz頻段下，兩端接地的效果要比單端接地、不接地的效果更好，而單端接地的效果又比不接地的效果更好。因此綜合考慮之后，車輛上進行屏蔽接地時可以采用不銹鋼線槽、管單端接地的方法。

4 地鐵車輛保護技術的優化

4.1 中壓交流并網供電故障策略

將中壓母線接觸器設置于中壓母線上，優化控制電路，對輔助逆變器進行并聯，采用它為輔助電源系統中的中壓母線供電，整列車都要有中壓母線，由中壓母線同時為中壓負載供電，采用母線接觸器隔離中壓母線與輔助電源。正常情況下，母線接觸器閉合，輔助電源為并聯供電；一旦母線短路故障，此時由于有了母線接觸器隔離短路母線，可以保證仍然有空壓機可以工作。中壓母線采用獨立的過流保護，當出現負載故障時，此時過流保護開關要將中壓母線與負載的連接斷開，這樣就可以避免中壓母線受到傷害，SIV正常啟動，并網。

4.2 低中壓系統保護接地

該系統中主要有列車的照明、空壓機組以及空調等，當低中壓系統接地出現故障時，就會引起接線電路的短路故障，當故障嚴重時會對車輛運行安全帶來威脅，所以設置保護接地來保護低中壓系統非常有必要。保護接地主要有低壓電流保護接地以及中壓母線保護接地，低壓母線保護指的是將接地電阻、母線與車體通過連接形成等電勢；中壓母線保護接地將中壓母線的N線與車體連接，從而起到保護效果。

4.3 低壓直流110V保護接地

當前對地鐵車輛低壓110V母線進行保護接地時，主要是連接接地電阻、母線與車體，從而讓車體保持等電勢。除此之外，采用單點接地的方式來減少車體以及設備的雜亂電流影響控制回路。盡管這種方式可以確保接地要求得到滿足，但城市軌道交通不斷發展，地鐵運營的可靠性以及安全性也都面臨著更高的要求，需要改進低壓保護母線，從而減少控制回路受到設備電壓浮動帶來的影響，也能減少設備受到短路電流的損害。DC110V系統發生電氣設備的接地故障時，一旦接地電流超過設定閾值，那么在故障電流的作用下會引起斷路器斷開，采用TCMS來對斷路器狀態進行監督，當發現斷路器斷開時，司機顯示器上就會有相關提示。當斷路器斷開后，此時TC車的接地電阻要比正常的電阻更大，DC110負母線等效接地電阻會將故障電流限制在比較低的水平，以減少控制電路的斷路器跳閘的發生。因此即便是接地故障還沒有被清除，此時設備也不會受到由于接地故障電流的影響而出現損害，因此控制電路還能正常運行，列車的正常運行不會受到影響。實際應用中可以發現，接地故障主要是屏蔽層錯誤接到了電源的正級，或者是低壓設備正端直接對地引起，此類故障的故障電源都不高，因此與車輛應用經驗結合，一般都是將接地斷路器額定容量設置為0.5A。

5 結語

地鐵車輛集成了弱電與強電，當前電磁環境高度復雜，其對控制以及信號都提出很高的要求。設置有效且正確的接地，能確保整車的安全。車輛接地可以為系統電磁干擾、雷擊電流以及漏電電流，通過接地通路的設計，為車輛安全運行以及設備正常工作提供保障。