陈艺铭，贾海杰（北京交通大学电气工程学院北京市轨道交通电气工程技术研究中心，北京100044）



城轨车辆接地方式分析与改进

陈艺铭，贾海杰
（北京交通大学电气工程学院北京市轨道交通电气工程技术研究中心，北京100044）

摘要：面对日益拥堵的城市交通，城轨列车因其舒适快捷等优点已成为城市居民出行的首要选择，而合理的接地设计是城轨列车安全运行的可靠保障之一。通过对地铁车辆不同类型接地方式的分析，针对某地铁进行了接地方式的改进，将DC 110 V接地装置直接接到车底转向架上，从而使DC 110 V接地装置和DC 1 500 V接地装置分开，并在车体与汇流排之间引入接地电阻。减小了高压回路与低压回路的公共阻抗，同时减小了通过车体的回流电流。最后通过现场测试验证了改进接地方式的合理性。

关键词：城轨车辆；接地分析；接地电阻；改进

关于电气设备接地，地面工程有一套完整的规程、规范和规定；关于地铁接地，虽有其特殊性，但更具有普遍性［1］。地铁上的接地是指为地铁电气设备提供零电位，一般以车体作为接地的零电位等势体。因此必须科学合理的设置接地电路［2］。

如果接地出现短路或雷击电流时，由于整个车体作为一个零电位等势体，避免了屏蔽层因两端电势不同产生的大电流，从而避免了因其产生的强烈干扰［3］。

接地系统是否可靠，直接关系到供电系统以及其它各设备系统的稳定、安全运行［4］。在工程上，接地的主要作用可以分为保护接地和工作接地。保护接地是为保障人身安全、防止直接或间接触电而将设备外露可导电部分进行的接地。工作接地是车辆电气系统正常工作的必要条件［5］。本文在对地铁车辆不同接地方式分析与对比的基础上，针对某地铁现有接地方式进行了改进，并通过现场测试验证了改进接地方式的合理性。

1　地铁车辆接地分析

地铁车辆的接地系统主要包括高压回路接地和低压回路接地。高压回路接地是指如牵引逆变器、辅助逆变器等高压设备的回流接地；低压回路接地是指地铁车辆DC 110 V电气设备的回流接地。下面对某6节编组地铁的一个单元现有的接地方式进行具体分析。

如图1所示，1车辅助逆变器的DC 1 500 V 和DC110 V的回流和2车牵引逆变器的DC1500 V以及2车其他DC 110 V负载的回流均是在2车通过电缆通过碳刷到钢轨。3车的1 500 V和其他DC 110 V是通过本车的碳刷回流［6］。

图1　地铁车辆接地系统Fig.1 Subway vehicle ground system

通过图1分析，回流电流中的一部分会通过阻值更小的铝合金车体，由于此回流通路参数容易受到列车运行的影响，从而导致接地阻抗参数的变化，使车辆零电位发生波动，进而导致地铁车辆电气系统工作的不稳定。由于很难求出回流电流I的精确值［7-8］，下面我们考虑流经车体的电流占总电流I的百分比并使其尽可能小。车体和钢轨模型图如图2所示。将电路简化为图3所示。

图2　车体和钢轨模型图Fig.2 The model diagram of train body and rail

图3　简化车体和钢轨电路图Fig.3 Simplified circuit diagram of train body and rail

在图3中，R1，R2，R3分别是车体电阻、接地电阻和接地电缆的接触电阻，R4指回流电缆的电阻，R5是钢轨的阻值。钢轨的电阻可以通过钢轨的电阻率计算，电阻率为2.1×10-7Ω·m。

电阻为

钢轨质量为

则Rd可由1 m长的钢轨质量得出

如果按照钢轨60 kg/m计算，则电调钢轨的电阻为0.027 Ω/km，2条钢轨的电阻为0.013 5 Ω/km。在计算车体电阻时，考虑B型车不锈钢车体质量约为380 kg/m，根据式（1）～式（3），可以大概估算出车体电阻为0.043 Ω/km。车体与接地回流之间的电缆阻值为0.122 Ω/km。目前车体与接地回流装置有4根电缆，每个碳刷有2根接地电缆，总电缆电阻大概为0.061 Ω/km，接地电缆连接处接触电阻近似为10 mΩ。按以上估算，车体总阻值6.02 mΩ，R4和R5钢分别为回流电缆阻值和钢轨阻值，钢轨长度为19 m，回流电缆按10 m计算，则钢轨总阻值为1.35 mΩ，通过车体的电流相当于总电流的18%。

在以上的接地方案中，DC 1 500 V和DC 110 V接地装置是在一起的，均连接到车体下的中端汇流排上，每辆车间通过车体连接线连接；Tc车设备通过专门的接地母线至邻近的M车接地装置，进而回流至轨道［9］。在车辆运行过程中，由于公共阻抗的存在，高压回流电流将会使DC 110 V电压零点产生波动，进而影响直流110 V的稳定性，其影响在现场测试中得到了验证。

由图4可知车辆接地电阻的分布，R11，R12，R21，R22，R31，R32，R41，R51均为电缆电阻，R5为钢轨电阻，碳刷1和碳刷2为对称分布，DC 1 500 V和DC 110 V同时接到中端汇流排上，可将DC 1 500 V和DC 110 V的公共阻抗R0简化为如图5所示。

图4　车辆和钢轨电路图Fig.4 Vehicles and rail circuit diagram

图5　公共阻抗简化图Fig.5 Public impedance diagram

在牵引或制动时，高压回流电路中会有很大的电流通过，由于公共阻抗所产生的电压差，导致DC 110 V电压产生波动，影响DC 110 V电压源的电压质量。测试波形如图6所示。图6中Ua为牵引变流器DC 110 V电源输入端口处的电压，Ub为3号车本地110 V电压，Uc和Ud分别为中段汇流排至车双端碳刷联络线的电压降。在测试过程中，DC 110 V电源的输出电压为87.5～125 V之间频繁波动。通过测试波形，可以发现3号车牵引变流器DC 110 V电源输入端口处的电压会随着中段汇流排至车双端碳刷联络线的压降的较大变化产生波动，即直流1 500 V与直流110 V的公共阻抗影响了DC 110 V的稳定性。

图6　测试波形Fig.6 Test waveforms

2　改进方案

为减小高压回路与低压回路的公共阻抗，将DC 110 V接地直接接到车底转向架上，如图7所示，从而使DC 110 V接地装置和DC 1 500 V接地装置分开。但由于铝合金车体的电阻小于钢轨，钢轨的杂散电流可能从3车转向架流向3车车体再流向2车车体最后流向2车转向架，此回流在影响接地装置和转向架轴承的寿命的同时，依然对DC 110 V产生影响。

图7　DC 110 V和DC 1 500 V接地分开电路图Fig.7 DC 110 V from DC 1 500 V grounding circuit diagram

为减小通过车体的回流电流，在车体与汇流排之间引入接地电阻，并将1车DC 110 V负极接到2车底部辅助设备箱内与车体相连，使其通过接地电阻与碳刷相连，将DC 110 V接地装置和DC 1 500 V接地装置之间隔离，使得DC 110 V负极线相对碳刷呈高阻态，防止了大电流从3车转向架→3车车体→2车车体→2车转向架进行回流，避免了DC 110 V负极电位大幅度变化。根据EN50153规定，车体与地面装置之间阻值不能大于50 mΩ。因此，选择在DC 110 V接地端增加50 mΩ电阻，等效电路如图8所示。

图8　简化电路图Fig.8 Simplified circuit diagram

简化后车体总的电阻增加为56.02 mΩ，钢轨总电阻为1.35 mΩ，可以发现，理论上通过车体电流减小为总电流的2.4%。此时DC 110 V接地与DC 1 500 V接地被50 mΩ电阻隔开，见图9。修改后接地系统电路如图10所示。

图9　公共电阻简化电路Fig.9 Public resistance to simplify circuit

图10　添加接地电阻后电路图Fig.10 After add grounding resistance circuit diagram

3　测试验证及结论

通过现场测试，分析M车DC 110 V串电阻接地方案对DC110 V的改善效果。测试波形见图11。

图11　改善后测试波形Fig.11 Improved test waveforms

具体如下：1）测试列车在DC 110 V串电阻接地方案下，VVVF输入DC 110 V质量；2）测试汇流排至回流碳刷联络电缆上的电压干扰耦合情况的变化；3）测试M车车体接地线上的回流电压波动；4）测试T车在按照建议更改方案接入电阻情况下DC 110 V电压。

对比2次测试，整改之前M车本地110 V电压波动峰峰值可到30 V以上，而改后电压峰峰值为12 V左右。所以，将DC 1 500 V接地和DC 110 V接地完全分开并接入接地电阻，起到了明显的改善作用。地铁几乎覆盖了电力、电子、通信以及控制系统等领域的各种设备，这些电气设备对接地提出了多样化和复杂化的要求［10］。在接地问题中，尽量减小公共阻抗干扰，对保障列车安全可靠运行具有极其重要的作用。

参考文献

［1］黄德胜.再谈地铁接地问题［J］.都市快轨交通，2006，19（3）：43-45.

［2］刘洋.城市轨道交通车辆电气系统接地探讨［J］.科技视界，2012，4（3）：74-75.

［3］郭振通，吕正.地铁列车DC110V电路接地设计［J］.城市轨道交通研究，2012，15（9）：94-96.

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［8］胡安祖，田庆.城轨车辆主接地系统设计改进探讨［J］.铁道车辆，2011，49（9）：32-34.

［9］陈丽.论地铁设备接地系统［J］.铁道机车车辆，2000，32 （6）：27-30.

［10］周超，曹明淑，刘强.地铁车站接地设计探讨［J］.都市快轨交通，2009，22（5）：87-90.

修改稿日期：2015-07-17

Urban Rail Vehicle Grounding Method Analysis and Improvement

CHEN Yiming，JIA Haijie
（The Rail Transit Electrical Engineering Technology Research Center of Beijing Institute of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；）

Abstract:With increasingly congested urban traffic，urban rail train has become the first choice of city dweller for its advantages of comfortable and fast. A reasonable grounding design is one of the reliable guarantees of urban rail train safe operation. Through the analysis of different types of grounding method for metro vehicles，an improved grounding scheme was put out. The DC 110 V grounding device connected directly to the bottom on the bogie. It made DC 110 V grounding device and the DC 1 500 V grounding device separated，and added the grounding resistance between car body and busbar. Reduced public impedance of high voltage loop and the low pressure loop，and reduced the backflow through the current body at the same time.The rationality of the improve grounding method is verified by field test ultimately.

Key words:urban rail vehicles；analysis of grounding；grounding resistance；improvement

收稿日期：2015-01-29

作者简介：陈艺铭（1992-），男，在读硕士研究生，Email：14121400@bjtu.edu.cn

基金项目：北京交通大学校科研基金项目（E13JB00010）；混合动力车组关键技术研究及典型样车研制（2013BAG21QB00）；国家自然科学基金（U1134204，51307006）

中图分类号：TN919

文献标识码：A