地铁车辆保护接地技术研究.docx

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1、地铁车辆保护接地技术争论介绍地铁车辆保护接地的概念，对保护接地的方式进展分析，并对保护接地电阻的阻值进展理论计算和仿真分析，给出保护接地电阻的建议值。在车辆中、低压系统的保护接地方面，为了保护设备不被较大的短路电流损坏，对保护接地系统进展优化设计，以提高车辆运行的牢靠性和检修的安全性。标签：地铁车辆；保护接地；接地电阻0 引言地铁上的用电设备在使用中会由于绝缘老化、磨损、浸水、潮湿等缘由，导致带电导线或部件与机壳之间漏电；或者由于设备超负荷引起严峻发热，烧损绝缘造成漏电；还可能因环境气体污染、灰尘沉积导致漏电，所以要对地铁上各种用电设备进展保护接地。1 地铁车辆的保护接地概述地铁车辆的保护接地

2、主要指设备外壳接地，包括车体金属部件之间、全部金属箱体与车体之间、车钩与车钩之间、车体和转向架之间、转向架和牵引电机之间，使全部电气传导部件与车体成为一个等势体，最终与地面相连。为了防止触电危急，车辆的中压 380 V 和低压 110 V 也需要进展保护接地， 此处的“地”以车体为参考零电位。一般将中压 380 V 中压母线的 N 线与车体相连，保证 N 线对地等电势；低压 110 V 负母线与车体相连，使低压负母线与车体等电势。2 地铁车辆保护接地方式分析地铁车辆的保护接地目前普遍承受与高压工作回流接地共用 1 个接地汇流排的方式，简洁造成列车的工作回流通过车体及构架产生杂散电流，使轴承发生

3、电蚀故障。特别是铝合金车体的电阻小于相等长度钢轨的电阻，可能使钢轨的杂散电流回流至车体1。为了提高车体及构架的电动势，降低列车回流通过车体及构架的电流量，参考文献2提出，增加接地电阻对削减流经车体的回流有明显的改善作用，但接地电阻的数量和阻值大小需要另行确定。地铁车辆中压和低压的保护接地由于与车体相连，发生接地故障时，简洁引起车体电压的上升，造成掌握系统紊乱。为了提高车辆运营的稳定性和牢靠性， 使保护设备不被较大的短路电流损坏，要对车辆中压和低压的保护接地进展优 化。3 保护接地电阻的理论计算和数值模拟计算在以往的车辆设计中，保护接地电阻阻值的大小多依据阅历进展选择，并无明确依据。现通过对保护

4、接地电阻进展理论计算和数值模拟计算，可以明确保护接地电阻的最优值。3.1 保护接地电阻的理论计算欧标 EN50153-2023铁路设施铁道车辆电气隐患防护规定中提到，车体与地面装置的保护性导体之间的阻值不能大于 50 m3。因此，增设的接地电阻阻值不能太大，目前的阅历值是 30 m4。车体增加接地电阻后的等效电路如图 1 所示。图中：Rc 是电缆电阻，Re 是接地电刷电阻，Rt 是过渡电阻车轮与轨道之间的电阻，Rp 是保护接地电阻。一辆车有 4 个轴端接地装置。其中铝合金车体的电阻为 1 ?/m，轨道的电阻为 30 ?/m，接地电刷 Re 的电阻为 520 m阅历值，过渡电阻 Rt 为 3.5

5、 m，截面积为 120 mm2 接地电缆的电阻为 0.2 m/m，保护电阻 Rp 目前的阅历值是 30 m。车体和轨道的电阻较小，可以无视不计。接地电刷 Re 的接触电阻取最大值 20 m。接地电缆的长度按 15 m 计算。接地汇流排和轨道间的一条回流支路电阻为：Rc + Re + Rt = 15m0.2 m/m + 20 m+ 3.5 m= 26.5 m；则 4 条回流支路并联的电阻为：Rtotal = 6.6 m；则车体和保护性线路轨道间的电阻为：Rp + Rtotal = 30 m+ 6.6 m= 36.6 m。因此，保护接地电阻取 30 m，满足标准 EN50153 的要求。3.2 保

6、护接地电阻的数值模拟分析依据图 1 单车的接地等效电路，可以建立整车的保护接地等效电路图 2。图 2 中黄色端口 16 为牵引逆变器和关心逆变器至钢轨的回流输入。端口 1 和 6 的最大回流电流约为 170 A，端口 2 和 5 的最大回流电流约为 1000 A，端口 3 和 4 的最大回流电流约为 1 170 A。车辆段供电回流设置在车辆的一侧。R1 是车体跨接等效电阻，为车体电阻和车辆间接地电缆的接触电阻之和， 约为 5 m。R2 是单车保护接地电阻，为保护电阻与接触电阻之和。R3 是 2 个转向架中心对应钢轨的电阻值，约为 0.25 m。R4 是两车之间钢轨对应的电阻值，约为 0.14

7、m。模型中 P2、P3、P4、P5、P6、P7 为车体电压电流探针，用于监测车体的电压电流变化。P8、P9、P10、P11、P12、P13 为保护接地电阻的电压探针。P14、P15、P16、P17、P18 为车辆所在钢轨的电压电流探针。P1 为总的回流探针。3.2.1 单车保护接地电阻R2取 30 m 的状况在仿真分析中，当保护接地电阻取 30 m 时，车体上各探针点对地电压值如图 3 所示，保护接地电阻的电流值如图 4 所示。仿真结果显示，当接地保护电阻取 30 m 时，电流主要在钢轨上流淌，只有局部小电流进入车体。从图 4 可以看出，进入车体的电流最大约为 21 A。从图 3 可以看出，因

8、保護接地电阻的存在，车体电压抬升约为 1 V。3.2.2 单车保护接地电阻R2取 20 m 和 40 m 的状况单车保护接地电阻取 20 m 和 40 m 时，流经车体的电流值如图 5 和图 6 所示。从仿真结果来看，当单车保护接地电阻取 20 m 时，车体各探针点对地电压值变化不大；流经车体的电流比 R2 取 30 m 时增大了约 10 A。当单车保护接地电阻取 40 m 时，车体各探针点对地电压有微小变化；流经车体的电流比R2 取 30 m 时小一些。从理论计算和数值模拟分析的结果可知，单车保护接地电阻取 20 m 时， 流经车体的轨道回流电流值增加。保护接地电阻取 40 m 时，又过于接

9、近标准EN50153 中关于车体对地电阻小于 50 m 的要求。因此，保护接地电阻取值 30 m 是适宜的，一方面整车电压抬升不高，约为 1 V 左右；另一方面也有效抑制了流经车体的轨道回流，同时也满足标准 EN50153 中关于车体对地电阻小于50 m 的要求。4 地铁车辆中、低压系统的保护接地车辆的中、低压系统主要为列车空调、空压机组、列车照明、掌握电路、车门、车载信号与通信设备等供给电源，特别是列车掌握系统主要是由 DC110V 供电，假设低压系统发生接地故障，势必造成短路事故。短路电流可能会导致对应的DC110V 供电断路器跳闸，列车将失去 DC110V 掌握电源，影响重要的掌握系统，

10、如制动系统的掌握电源，严峻状况下还可能影响行车安全。因此，车辆的中、低压系统必需要做好保护接地。4.1 中压母线保护接地的改进地铁车辆的中压 380 V 保护接地一般是将中压母线中的 N 线与车体相连， 在承受中压沟通并网供电运行时，为了减小中压负载发生短路故障时对中压母线的影响，要求对短路故障进展在线检测和隔离。一般状况下，每个中压负载都带有过流保护开关，当发生短路故障时，过流保护开关应当断开故障负载和中压母线的连接，以确保中压母线不受影响。当短路点无法通过线路空气开关进展切除时，为确保中压母线不受影响，需要对中压母线供电电路进展优化。通过在中压母线上设置 3 个母线接触器，将关心电源与中压

11、母线进展隔离。正常状况下，通过列车掌握和治理系统TCMS给掌握电路发出闭合指令，将母线接触器闭合，此时全部的关心电源处于并联供电模式。当中压母线发生短路故障时，TCMS 负责短路的定位和故障支线的隔离，此时母线接触器将被断开， 确保至少有 1 台空压机可以正常工作。4.2 低压直流 110 V 保护接地的改进现有地铁车辆的低压 110 V 母线保护接地一般是将母线通过接地电阻连接到车体上，确保低压母线不是悬浮电压且和车体保持等电势。同时设置单点接地， 降低设备和车体内的杂散电流对掌握回路的影响。现有低压母线保护接地方式根本满足接地要求，但随着城市轨道交通的进展，对地铁运营的安全性、牢靠性要求也

12、越来越高。当接地故障发生时，为了减小设备电压浮动对掌握回路的影响， 同时保护设备不被较大的短路电流损坏，需要对地铁车辆低压母线保护接地进展改进。改进后的接地电路如图 7 所示。DC110V 负母线贯穿全列车，每辆车的低压负母线通过肯定阻值的电阻与车体相连。其中 R1 为 820 ，R2 为 8.2 ，在 R2 并联的支路中有一个小容量的断路器0.5 A。正常状况下接地断路器是闭合的，Tc 车接地电阻为 4 ，整列车 DC110V 负母线的等效接地电阻为 2，断路器中只流过微弱的漏电流， 因此接地电阻上的压降格外小，负母线的电位接近车体的电位，确保了DC110V 系统负母线电位的稳定，也可有效抑

13、制电磁干扰5。当 DC110V 系统中消灭电气设备接地故障，接地电流超过断路器跳闸的设定值时，故障电流会使断路器断开，同时通过 TCMS 监视断路器的状态，当该断路器断开时，在司机显示器上会提示低压电路消灭接地故障。断路器断开后， Tc 车接地电阻为 410 ，远大于正常时的 4 ，此时 DC110V 负母线等效接地电阻为 68 ，故障电流会被限制在较小的水平，这大大降低了掌握电路断路器跳闸的可能性。在去除接地故障前，故障接地电流不至于损坏设备，掌握电路均可以正常使用，不影响列车运营。在实际应用中，接地故障多是由于低压设备的正端直接对地或屏蔽层错接至电源正极造成的，这类接地故障的故障电源均比较

14、小。因此，结合车辆的应用阅历，接地断路器的额定容量通常定为 0.5 A。5 完毕语本文通过对地铁车辆保护接地的理论分析，确定了保护接地的优化设计方 案。通过对保护接地电阻的阻值进展理论计算和仿真分析，给出保护接地电阻的建议值。对于车辆中、低压系统的保护接地，从提高车辆运行的安全性和牢靠性角度，提出优化设计方案。同时，随着列车通信掌握网络的进展，从加强列车接地故障的在线检测和隔离功能角度，完善列车接地系统的设计，为地铁车辆工作者进展接地系统设计供给的思路。参考文献1 钟碧羿. 地铁车辆接地技术分析J. 电力机车与城轨车辆，2023，314：55-57.2 王欢，戴焕云，池茂儒. 国外 100%低地板轻轨车辆进展概述J. 国外铁道车辆，2023，492：1-9.3 EN50153-2023 铁路设施 铁道车辆电气隐患防护规定S. 2023.4 李恩龙，于青松. 城市轨道交通车辆接地方案分析J. 城市轨道交通争论，2023，158：139-144.5 郭振通，吕正. 地铁列车DC110V 电路接地设计J. 城市軌道交通争论，2023，159：94-96.责任编辑 王宏强