北京14号线A型地铁车辆接地技术分析与应用

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[摘 要] 文章主要以北京14号线A型地铁车辆为例，介绍车辆的接地分类、特点、应用及安装要求。

[关键词] A型地铁车辆；保护接地；工作接地；回流；屏蔽接地

[作者介绍] 耿前臻，南车青岛四方机车车辆股份公司技术中心工程师，研究方向：城轨车辆车下设计，山东 青岛，266111

[中图分类号] U264.7 [文献标识码] A [文章编号] 1007-7723（2012）12-0009-0004

南车青岛四方机车车辆股份公司基于北京地铁14号线工程项目的需要，自主研发生产了国内首列轻量化不锈钢A型地铁车辆，已于2012年12月下线。该A型地铁车辆最高运营速度为每小时80公里，采用受电弓受流方式，每列车辆6节编组，每辆车比北京现行运营的B型地铁车辆长3米左右，最大载客量达到2580人，比北京现行运营的B型车辆增加700人左右。这也是北京轨道交通的首列A型车辆。

北京14号线A型地铁车辆采用DC1500V直流供电系统，通过钢轨作为汇流排直接连至牵引变电站。通过牵引变电站-接触网-受电弓-车辆电气设备-轮对-轨道-地下汇流排-牵引变电站形成回路闭环。由于地铁车辆的结构特点决定了车辆设备内部布局十分密集，进而使得车辆内部的电磁环境变得更为复杂，考虑到抑制EMI（电磁干扰），须将地铁车辆上的电气、电子设备进行接“地”。合理解决车辆的接地问题是解决EMI问题最有效和最廉价的方法。地铁车辆与地面固定装置不同的是，车辆的“地”不是大地，而是相对零电势基准——车体。通过车体为地铁车辆电路系统提供一个等电位参考电势。

根据文献1，接地的方法主要分为3种：单点接地、多点接地和混合接地。

车辆的接地按其功能可分为保护接地、工作接地。

本文以北京14号线A型地铁车辆为例，对A型地铁车辆的接地技术进行分析、介绍。

一、接地的方法

1. 单点接地：单点接地是为许多在一起的电路提供公共电势参考点的方法，即把整个电路系统中的一个结构点作为接地参考点，所有对地连接都接在这一点。工作频率低于1MHz经常采用单点接地。单点接地又可分为串联单点接地和并联单点接地。

2. 多点接地：如下图1所示，从图中可以看出，设备内电路都以机壳为参考点，而各个设备的机壳又都以地为参考点。多点接地容易产生公共阻抗耦合问题。一般在工作频率高于10MHz时采用多点接地。由于接地线感抗与频率和长度成正比，工作频率高时会增加共地阻抗，增大电磁干扰，因此要求接地线尽量短，也就是常说的就近接地。

多点接地方式的基本方法是车体同时作为安全接地、等电势接地、回流地和屏蔽接地。它相对常规的单点接地而言对车辆更为简单、有效。

3. 混合接地：混合接地结合了单点接地和多点接地的特性。如下图3所示。

三、保护接地

保护接地是为防止设备的金属外壳带电危及人身和设备安全而进行的接地。北京14号线A型地铁车辆上的保护接地主要从以下方面考虑。

（一）等电势连接

等电势连接是将分开的装置、导电体用等电位连接导体连接起来以减小电流产生的电位差，也可以称为安全接地。车辆组装的各导电单元，比如墙体、构架、梁、支架等，应在电气上以低阻抗、低电感互相连接，连接的表面尽量大且点尽量多。车体（包括墙体和顶）作为一个高效的等势导体。而每辆车车体间的连接线使每个车体之间等电势，进而确保整列车中所有可能故障带电及可能触及的导电体等电势连接。每辆车的车体和轴端接地碳刷连接可以保证电荷通过轮对泄放到钢轨上。

等电势连接有利于提高设备工作时的信噪比，有效的改善信号通信质量。车体的等电势连接可以使整个通信、信号系统接地阻抗减小，为有用信息提供统一优质的参考面。

（二）防触电

一般情况下，通过人体的感知电流在0.5mA，电流超过10mA就会有生命危险。地铁车辆电气设备工作电压多为DC1500V和AC380V。如果绝缘被损坏，设备外壳和地之间就有较高的电位差，当人触及设备及其外壳时，会导致较大的电流流过人体，造成人身伤害。因此，通过接地来消除这种危险是一种十分简单而有效的办法。

在14号线地铁车辆上设备及管线的保护接地线采用防腐蚀的圆锡铜绞线，这种接地线阻值小，韧性好，实际长度一般不超过500mm。以90mm2的绞线为例，其电阻不超过0.0015Ω，而人体电阻通常为2K～20MΩ，这样保证了箱体外壳与地等电势良好连接。在下图4中可以车下电气设备（牵引及辅助设备）均采用短而粗的接地绞线连接车体。

牵引辅助箱、电阻箱等均用接地座连接到车体上进行可靠接地，提供足够的EMI（电磁干扰）回路，释放掉积累在电气设备上的静电电荷。同时牵引箱、电器柜等设备内的电力电子器件是车辆EMC（电磁兼容）的主要干扰源，把这些箱体的金属外壳接地起到一个大的“屏蔽罩”的作用，减少了射频干扰。

（三）防雷

雷击电流可达30～300kA，功率可达到1亿伏特至10亿伏特，对地铁车辆的整个电气系统的安全产生巨大的威胁。在每个MP车的车顶上通过一个避雷器接地，一旦遇到雷击，雷击电流经过避雷器-车体-轮对，将雷击电流注入大地，防止雷击和过电压对设备及人身造成危害，做到有效保护。

三、工作接地

工作接地是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点势提供回流通道，这是最主要的作用；另一方面在EMC设计中接地可以将噪声电流引入大地，减少干扰。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。

（一）回流

北京地铁14号线A型地铁车辆的配置为Tc-Mp-M1+M2-Mp-Tc，其中M1、M2、Mp车为动车。每辆车下均配置一个牵引辅助箱。高压直流电通过Mp车顶安装的受电弓引入，然后向牵引系统和各辅助系统供电。主回路接地电流分流到转向架、驱动装置、牵引电机轴承。为避免发生电蚀，阻止分流的措施包括采用在转向架、车体连接部位进行绝缘，进而使转向架构架和轴箱支撑装置或轴承和轴箱绝缘，使电流流向正规的接地回路。

在实际电路中工作地线最主要的作用是作为电源的回流线。如下图5中所示，Tc和M车的回流均通过绝缘电缆，经过接地汇流箱，流向轴端接地碳刷，再到钢轨。回流线使用截面积为95mm2的绝缘电缆，列车车端的连接处的地线采用截面积为120mm2电缆。电缆为镀锡铜丝绞合而成，导电性好。

（二）信号地

信号地也可以称为基准电势。它的作用是保证电路有一个统一的基准电位，不致于浮动而引起信号误差。在14号线A型地铁车辆上交流供电系统采用AC380V三相四线制，中线接地，这样保证辅助供电的三相系统中线对地电压不变，同时引出380V/220V电源。DC110V电流最终流回蓄电池负极，负极接地可以起到电势的参考作用。所有DC110V负极在底架接地。

（三）屏蔽接地

屏蔽接地包括电缆的屏蔽层接地、线槽/管的接地。

由于电路之间存在的寄生电容会相互干扰以及电路辐射、对外界电场敏感等，必须进行必要的隔离和屏蔽。在车辆配线中信号和控制线多采用屏蔽电缆，例如，牵引速度传感器、信号系统速度传感器等的电源和数据传输线、音频信号、数据传输线、以太网通信线、车载天线等均采用屏蔽电缆。屏蔽电缆是在金属电缆和绝缘胶皮之间有一层金属网线或铝箔。外界电磁辐射及磁场的大部分能量直接通过这层网线将感生电流引开，而对内层电缆产生的干扰极小甚至可以忽略。因此，电缆的屏蔽层必须接地才能起到屏蔽的作用。

根据文献1中提及的屏蔽接地试验测试结果，对于低频电路（f1MHz），通常是两端接地。由于高频集肤效应噪声电流只在屏蔽层外表面流动，两端接地的磁屏蔽作用被加强。这一点在文献2的3.9试验中也得到了的证实。

通过图6分析结果看，屏蔽线不接地的效果最差，双端接地比单端接地效果好，特别是在2MHz-10MHz不接地比接地要差6-18dB。

在14号线车辆上牵引电机电缆采用的是单芯屏蔽电缆，屏蔽层两端接地。电机电路在工作中电流可达到160A～240A，屏蔽层间有较大电流，转向架与车体间会产生较大的电势差，此时屏蔽层无法充当等电势导体。同时，屏蔽层也会遭受热应力并充当耦合路径的传导干扰。为保证列车的可靠性，电机电缆采用单芯屏蔽电缆，两端360°接地。图7为现车实例。

在14号线车辆上贯通的电缆敷设在金属线槽/管中，这样可以有效地隔离电磁干扰。

通过线槽/管的可靠接地，可以释放线槽/管的静电电荷，同时也可将电缆本身由于交变产生的干扰屏蔽在槽/管内，起到相当于“屏蔽罩”的作用，减少射频干扰。由于车辆下部设备电抗器、变压器工作电流变化较大，在设备周围产生直流磁场或100kHz以下的低频磁场。根据文献2的3.12项钢槽/管接地屏蔽试验结果：在9kHz-150kHz频段中钢管双端接地效果略优于单端接地和不接地；在150kHz-30MHz频段钢管双端接地效果明显好于单端接地和不接地，而单端接地和不接地之间的差别很小；在30MHz-1GHz频段的电场发射来看，整体上钢管双端接地效果好于单端接地，钢管单端接地效果又好于不接地。综合考虑，在14号线车辆上采用不锈钢线槽/管单端接地。