地铁车辆接地技术分析
2009-02-11 19:39
地铁车辆接地技术分析
摘要:文章主要以上海轨道交通4号线车辆为例,介绍了地铁车辆整车接地的分类和特点,对地铁车辆的接地设计原则进行了分析。
关键词:地铁车辆;工作接地;保护接地
1 概述
地铁车辆采用直流供电系统,并把钢轨作为回流排,直接连至牵引变电站。地铁运营时,供电系统回流路径如图1所示:牵引变电所正极—接触网—受电弓—车辆负载—轮对—轨道—地下回流线—牵引变电所负极。
车辆内部电子设备的增加,不仅使地铁车辆内部设备布局十分密集,也使车内的电磁环境变得复杂,整列车的电磁兼容问题也成为很重要的问题。为了保证地铁车辆上的电气设备正常工作和人身安全,以及考虑到整车的电磁兼容性能,必须将地铁车辆上的电气、电子设备进行接地。
广义地说“,地”可以是一个等位点或等位面,它为电路系统提供一个参考电位,其数值可以与大地电位相同, 也可以不同。地铁车辆是一个与地面有相对运动的系统,因此与地面固定装置不同的地方在于车辆内的“地”不是大地,而只是相对零电位基准———车体。
本文以上海轨道交通4号线车辆为例,对地铁车辆不同类型的接地技术进行介绍,将地铁车辆的接地按其功能分为保护接地和工作接地,并对地铁车辆的接地设计原则进行分析。
2 保护接地
保护接地是为保障人身安全、防止直接/间接触电而将设备外露可导电部分进行的接地。上海轨道交通4号线车辆上的保护接地主要从以下方面考虑。
2.1 等电位连接
车体组装的各导电部件,如各种梁、侧墙等结构部件,应通过尽可能大的面积与车体低阻抗搭接。每节车车体间的连接线使每个车体之间等电位,从而确保整列车中可能因故障带电的金属件及所有可能触及的导电体等电位连接。而每节车的车体和轴端接地刷连接可以保证车体的电荷通过轮对泄放到钢轨上。
2.2 防触电
一般情况下,通过人体的电流超过5 m A,人体就会有麻痛感觉,超过10 m A就会对人的生命构成威胁。地铁车辆底架、车顶上的众多设备工作电压多为1 500 V、380 V。如果电源线与这些电气设备箱体之间的绝缘被损坏,箱体外壳和地之间就有较高的电位差,当人触及箱体时,则会导致较大的电流流过人体,造成人身伤害,所以必须通过接地来消除这种危险。
保护接地线主要采用防腐蚀的镀锡软铜绞线,导电性好。一般的保护接地线长约15～35 cm,而70 m m 2的绞线电阻不超过0.000 96Ω,人体电阻通常为40～100 kΩ,远大于接地线电阻,所以软铜绞线的电阻可忽略不计。这样就很好地保证了箱体外壳和地等电位。底架设备,如牵引箱、辅助逆变器箱等电气设备必须用短而粗的接地线连接车体。
2.3 防雷
雷击放电电流可达200～300 kA,从而对地铁车辆的整个电气系统产生很大的危害。每个B车车顶上一个避雷器接地,目的是将雷击电流通过防雷接地注入大地来保护地铁车辆的电气设备,防止雷击和过电压对设备及人身造成危害。
2.4 保护接地的功效分析
整列车的等电位连接有利于提高通信设备工作时的信噪比,有效改善通信质量。车体等电位连接可使整个通信、信号系统接地阻抗减小,为有用信息提供了一个良好的参考面。如果接地体出现短路或雷击电流时,屏蔽层两点接地的电缆两端电位不同,屏蔽层内就有电流流过,屏蔽层本身将形成一个很大的干扰源。因此整列车的等电位连接,可防止两端接地的电缆屏蔽层过流,使信号传输过程中不会出现干扰。
机电设备接地是最基本的安全用电措施,接地线为静电、漏电及雷击电流提供引流通道,从而保障人员安全和设备的正常工作。
牵引箱、电子柜等设备内的电力电子是车辆电磁兼容的主要干扰源,而这些箱体的金属外壳接地起到一个大的“屏蔽罩”的作用,可减少射频干扰。
3 工作接地
3.1 工作接地的分类
3.1.1 回流
上海轨道交通4号线的车辆配置为A-B-C-C-B-A六节编组列车,其中B、C车为动车,A车为拖车。每节A车下配置一个辅助逆变器。DC 1 500 V供电由B车上的受电弓引入,向牵引系统供电,并向各辅助逆变器供电。
在实际工作中工作地线最主要的作用是作为电源的回流线。如图2所示,A车辅助逆变器的DC 1 500 V的回流和B车牵引逆变器的DC 1 500 V的回流均在B车通过绝缘电缆流向轴端接地刷,再到钢轨;C车的DC 1 500 V的回流流到自身接地刷,再至钢轨。整个地铁车辆的DC 1 500 V电路通过钢轨进行负极回流。回流线是截面积95 m m 2带护套的绝缘电缆,由镀锡铜丝绞合而成,导电性好。
3.1.2 电位参考
上海轨道交通4号线车辆上AC 380 V系统采用的是三相四线制,必须将中线通过铜排接地,从而使运行中辅助逆变器三相系统中线对地电压不变,且能方便地引出380 V/220 V电源。而上海地铁一号线六改八项目的AC380 V系统采用的是三相三线制,无需考虑其中线接地。
DC 110 V电路在整列车内已构成回路,电流最终流回蓄电池负极,负极接地只起到电位参考作用。每个单元B、C车DC 110 V的电流通过车钩流向A车,所有DC 110 V负极在A车底架接地。
3.1.3 屏蔽接地
屏蔽电缆是将被保护线外包裹一层屏蔽金属网,其中小部分电磁能通过屏蔽体内部涡流损耗转变为热能,而大部分则通过屏蔽体的接地点将其感生电流引入大地,所以电缆屏蔽层必须接地才能起到屏蔽的作用。根据信号频率的不同,屏蔽层的接地方式有所不同。屏蔽层只要接地就能对电场产生屏蔽,而只有双端接地且频率较高时才能对磁场产生屏蔽效果。
由文献[1]所提及的屏蔽接地效果试验测试结果可知,屏蔽层两端接地具有磁屏蔽作用,如果f>1 M H z,由于高频集肤效应噪声电流只在屏蔽层外表面流动,磁屏蔽作用将加强。
地铁车辆内的信号线多为屏蔽电缆。频率较低时,电缆屏蔽层只需单端接地。如车辆音频系统的各通道信号频率大多在1 M H z内,属于低频范围。若屏蔽层两端接地,将形成地环流,且将在屏蔽层形成磁场,干扰被屏蔽的导线,引起噪声干扰。
频率较高时(f>1 M H z),屏蔽电缆的阻抗不能忽略,如果只在一端接地,将迫使噪声电流在屏蔽层上产生压降使各点电位不同,从而影响屏蔽效果。所以屏蔽电缆需要两端接地,如车内M VB双绞线屏蔽层两端接地保证良好的屏蔽效果。
3.2 工作接地的功效分析
工作接地是地铁车辆整个电气系统正常工作的必要条件,一方面为泄放电荷或建立基准电平提供通道;另一方面,在电磁兼容设计中,接地可以把噪声电压引入大地,减少噪声干扰。正确的工作接地是抑制电磁噪声、防止电磁干扰的重要方法之一。
4 确保车辆接地效果的措施
4.1 接地电阻的使用
1)由于铝合金车体的电阻小于钢轨,钢轨的杂散电流可能从B车转向架→B车车体→C车车体→C车转向架,虽然不会损坏车体,但动车的对地电流就较大,接地装置的寿命和转向架轴承的寿命会受到影响。为了减小一个动车通过车体流向其他车的杂散电流,在工作接地和保护接地间有一个接地电阻R(B如图2所示)。
2)所有DC 110 V负极在A车底架辅助设备箱内与绝缘母排相连,并通过图3所示的接地电阻RE与车体相连,这样DC 110 V负极线相对车体呈高阻态,防止了变电站的大电流从钢轨→A1车车轮/车体→电池负极→A2车车体/车轮→钢轨进行回流,避免DC 110 V负极线发热。
3)而对于每个列车单元而言,为了防止重联时另一个单元回流通过其车体,必须在每个A车车钩旁并联电阻REC再连接到车体,从而阻断两单元之间的杂散电流。根据文献[2],为了防止车内部件与地面装置间的电压过大而产生危险,上述的接地电阻RB、RE、REC均应不大于50 mΩ。
4.2 可靠接地连接
车辆机电设备的外壳、机架等必须可靠地接车体地,千万不能依赖于铰链等机械接触的手段接地,否则会造成系统的不稳定。接地点处必须采用牢固的紧密接触,如铜焊。若不同金属焊在一起时,要防止化学原电池反应引起的腐蚀效应。若采用紧固接触,必须保证接触面不涂油漆。
5 结束语
随着电力电子技术的发展,作为强电和弱电集成的一体化系统,地铁车辆的电磁环境日益复杂。而地铁车辆接地可以为漏电电流、雷击电流、系统内的电磁干扰提供引入大地的通路,从而保证设备正常工作和车辆安全运行。所以车辆的接地无误是保证整车电磁干扰的一项重要指标,也为旅客提供一个优质乘车环境。
本文主要通过上海轨道交通4号线车辆的介绍来对整车接地设计进行分析,对今后我们自主设计地铁车辆具有一定借鉴作用。
参考文献:
[1]沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术[M].北京:中国电力出版社,1999.
[2]EN 50153,铁路设施铁道车辆电气事故的防护措施[S].
[3]GB 12970.2-91,电工软铜绞线第2部分:软铜绞线[S].
[4]吴辉.地铁电磁干扰的处理[J].自动化博览,2003(9).
[5]温仕纬.车辆EM C接地设计介绍[J].车辆研测资讯,2005(5).
[6]严云升.机车电子装置的噪声抑制[J].电力机车与城轨车辆,2007(6).
