城市轨道交通车辆电气系统接地探讨

刘 洋

（苏州轨道交通集团有限公司运营分公司 江苏 苏州 215101）

0 前言

为了保证城市轨道交通车辆上的电气设备或者电路正常工作和人身安全，以及考虑到整车电磁兼容性能，必须将轨道交通车辆上的电气、电子设备进行接地。广义地说，“地”可以是一个等电位点或等电位面，它为电路系统提供一个参考电位，为静电释放提供通道，为设备故障电流和雷击电流泄放提供通道，因此必须科学合理的设置接地电路。按用途可将接地划分为：工作接地、安全接地、屏蔽接地。

1 工作接地

地铁列车的工作接地包括高压回流接地、低压工作接地

1.1 高压回流接地

高压回流接地的作用是将从接触网处获得的电流引入轨道，回流至变电所，形成一个回路保证电路的接通。该电路设计应能保证所有电流均回流至电源，不会导致任何损坏或触电危险。回流接地电缆阻抗应尽可能低。

图1 高压主电路

根据 《IEC 60077-1铁路应用—轨道车辆用电器设备 第1部分：一般操作要求和规则》要求：

1）至少应有两个不同的通路同时用于电流回流，从而一个通路的失败不会引起损坏或触电危险；

2）实现电力回流的方法是使所有的电路分别与一母线相连，该母线应与车身和与所有外露的导电元件绝缘，和本身与电流回流集电器（车轴电刷/回流集电靴）相连。

1.2 低压工作接地

低压工作接地的作用是为低压电路提供一个基准电位，同时也是杂散信号的回流通道。

图2 低压工作接地电路

如图2(a)所示，电路1、2、3共用一根接地线，由于地线存在阻抗，后端电路电流会叠加到前端电路的地线阻抗上，当后端电路的电流改变时，会影响前端电路地线上压降，进而影响前端负载的工作电压，这种干扰称之为共组抗干扰。当高频信号作用时，地线阻抗将主要由感抗决定，这种干扰将更加明显。

在实际的电路中应当尽量避免共组抗干扰，尤其是数字信号对模拟信号的干扰。因此数字信号和模拟信号应该分开单独接地，如图2(b)所示。

除了把相互干扰的电路分开接地以外，还应当尽量使接地电缆的接地阻抗低。

2 安全接地

安全接地主要为保护人身和设备安全。对于人身安全的保护首先要研究电流通过人体的效应。

2.1 人身安全保护

根据《IEC 60479电流流过人体和动物的效应》，电流的效应由生理参数和电气参数决定。心室纤维性颤动是导致死亡的主要原因。

2.1.1 15～100Hz交流电流对人体的效应

图3 15～100Hz交流电-通电时间对应图

表1 15～100Hz交流电流对人体的效应说明

2.1.2 直流电流对人体的效应

图4 直流电-通电时间对应图

表2 直流电流对人体的效应说明

2.1.3 直流电流对人体的其他效应

1）接近100mA时，通电期间，四肢有发热感。

2）在接触面的皮肤内感到疼痛。

3）300 mA以下横向电流流过人体几分钟，随着时间和电流量的增加，可引起可以恢复的心律失常、电流伤痕、烧伤、头晕以及有时失去知觉。

4）电流达数安培连续超过几秒，则可能发生内部烧伤或其他损伤，甚至死亡。

2.1.4 人体的阻抗

人体的阻抗除根据个人体质不同，阻抗不相同以外，从电气上存在以下差异：

1）施加电压越大时，阻抗越小。电压频率越大时，皮肤阻抗越小。2）施加电压的接触面积越大，阻抗越小。

3）施加电压的位置不同，阻抗不相同。如左手到右手、双手到脚等。

例如：在接触面积较大，从左手到右手，施加电压为DC125V，95%的人的阻抗会在3000欧。

2.1.5 车辆接地措施

为防止乘客、乘务人员、检修人员受到车辆电气设备电击伤害，车辆所有易于被人接触的电气设备都安装在箱体和内装板内，所有金属箱体要求通过接地线连接车体，车体通过接地线与回流轴端连接，进而与铁轨导通，使车体、设备箱体与铁轨等电位，铁轨处于地电位。一旦发生设备漏电，因人体阻抗远大于车体、接地线、钢轨的串联阻抗，通过人体的电流可以控制在安全区域内。

2.2 设备安全保护

2.2.1 防雷接地

在受电弓后端设置金属氧化物避雷器，保护车辆电气设备免受雷击过电压的损坏，并限制续流的持续时间，且可以限制续流幅度。

2.2.2 高压设备外壳接地

1）防止外壳上积累电荷；

2）当设备的绝缘损坏而使外壳带电时，促使电源的保护动作而切断电源；

3）屏蔽设备巨大的电场。

3 屏蔽接地

3.1 集肤效应

当交变电流通过导体时，电流将趋于导体表面流过，这种现象叫集肤效应。频率越高，集肤效应越明显。因此对于高频信号的接地电缆应尽量选用表面积大的编织接地线。

3.2 电场屏蔽

在屏蔽层未接地时电路中的耦合关系如图5(a)所示，其等效电路如图5(b)实线所示。

图5 电场骚扰电路

由等效电路可知，骚扰源电路上的电压U1可以通过导线1与屏蔽层之间的耦合电容Cms耦合到屏蔽层上，再通过屏蔽层与导线2之间的耦合电容Cs耦合到导线2上，从而对导线2上的电路形成干扰。将屏蔽层接地以后，相当于将C2s短路，如图虚线所示，Cms被短接至地，不能将骚扰传导至导线2。

因此电场的屏蔽只需要屏蔽层单端接地即可。此外，要选用屏蔽编织层比较紧密的电缆以减小C12，同时芯线不要露出屏蔽层外。

3.3 磁场屏蔽

根据Φ=Li很容易推导得出屏蔽层的自感Ls等于屏蔽层与线芯的互感M，即：Ls=M

如图6(a)，屏蔽层双端接地，则根据等效电路图6(b)可知：

图6 屏蔽层双端接地电路

ω0=rs／Ls，为电源的截止频率。 当 ω＞＞ω0时，Is≈I1，此时 IG≈0。

因此，屏蔽层外，屏蔽层产生的磁场与回流产生的磁场相互抵消，实现了磁场的屏蔽。以上为主动屏蔽，被动屏蔽原理与此类似。试验结果表明，当f≥10kHz时，回流几乎全部走屏蔽层。当频率较低时，回流大部分经由地线回至电源负极。因此当频率较高时，屏蔽层接地应采用双端接地，也可以双端接电源的负线。

3.4 地环路对屏蔽的影响

如右图7(a)所示，如果接地点A、B之间存在压降，根据前边所述，会形成地环路。

图7 地环路电路图

由图7(b)等效电路可得：

UL＝－jωMIs＋jωLsIs＋rsIs＋E

又有 Ls＝M，则：UL＝rsIs＋E

即加到负载上的电压除信号源的有用电压外，还有噪声电压，噪声电压为噪声电流与屏蔽层电阻的乘积。 可见地环路会削弱屏蔽层的屏蔽效果。

3.5 不同电缆克服地环路效应举例

3.5.1 三轴式同轴电缆或双重屏蔽电缆

如图8所示，内层屏蔽用作信号回流线。若有地环路形成的噪声电流，则由外屏蔽层经过。

图8 双重屏蔽电缆克服地环路效应

3.5.2 同轴电缆

当f＞1MHz时，由于高频集肤效应，信号电流在屏蔽层的内表面流动，而地环路的噪声电流则在屏蔽层的外表面流动

3.5.3 屏蔽双绞线电缆

如图9所示，信号电流在两根导线上流过，一根是去流，一根是回流，而地环路产生的噪声电流则流过屏蔽层。由屏蔽层通过互感感应到两根内导线上的噪声电压因其大小相等且方向相同，在信号回路上将相互抵消。实现了屏蔽效果。

图9 屏蔽双绞线克服地环路效应

由上可知，屏蔽双绞线也可起到三轴电缆的作用，但其价格便宜，使用方便，实际应用时多被采用。

3.6 建议的屏蔽接地方法

低频电路指频率小于1MHz的电路，高频电路指频率大于1MHz的电路。

图10 屏蔽层接地方法示意图

［1］IEC 60077-1铁路应用—轨道车辆用电器设备 第1部分：一般操作要求和规则[S].1999,10.

［2］IEC 60479 电流流过人体和动物的效应[S].2005,07.

［3］黄盛霖,颜礼彬,邱杰.电路中信号电缆层屏蔽层接地方式的探讨[J].海军航空工程学院学报,2002年9月,17(5).

［4］白周云.电磁兼容设计[M].北京:北京邮电大学出版社,2001.