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城市轨道交通车辆接地方案分析

文档作者: 李恩龙 于青松        文档来源: 长春轨道客车股份有限公司城铁客车开发部
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更新时间: 2021年04月27日
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i ≯ 囊 鹫 ≯ 誊 城市轨道交通车辆接地方案分析 李恩龙于青松 (长春轨道客车股份有限公司城铁客车开发部,130062,长春//第一一作者,工程师) 摘妻介绍了城市轨道交通车辆保护接地的概念和设备 保护接地的原则,对比分析了不同的车体保护接地方案的优 缺点。直接接地方案与接地电阻方案相比,前者使流经车体 的电流的比例要大。增设接地电阻对减少流经车体的回流 电流有明显的改善作用。 关键词城市轨道交通;车辆;保护接地 中图分类号U 264.7 4 Analysis of urban Rail Transit Vehicle Grounding Scheme Li Enlong,Yu Qingsong Abstract The concept and working principle of URT vehicle grounding and equipment protective earthing are introduced, the advantages and disadvantages of different schemes are compared. Since the direct grounding scheme has larger current flowing through the car body than the resistance scheme,the increase of the grounding resistance will obviously decrease the return current through car body. Key words urban rail transit;vehicle;protective earthing First-author’S address Changchun Railway Vehicles Co., Ltd.,Urban Transit Vehicles Development Department, 130062,Changchun,China 随着我国城市轨道交通技术的发展,对车辆电气 接地系统的安全性、可靠性要求日益提高。车辆电气 接地系统不仅要保证列车的运行安全,还要保证列车 设备的安全稳定运行,有效抵御来自车辆外界的电磁 干扰,以及为旅客提供可靠的人身安全防护等。从概 念上来划分,接地可以分为回流接地、保护接地和电 磁兼容性接地。本文着重探讨保护接地。 1 保护接地的概念 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。对于城 市轨道交通车辆而言,保护接地又分为设备接地和 车体接地。设备接地是指设备壳体与车体之间的连 接,此时是把车体作为地;车体接地是指车体与接地 回流装置(接地回流装置的作用是将车辆上的电流 与轮对连接进而实现与轨道连接,防止电流流经轴 承)之问的连接,此时的“地”指的是大地。目前在国 内,设备接地都是采用接地电缆将设备壳体与车体 相连,只是在电缆的选择上存在不同的算法。而车 体接地则分为两种:一是直接通过接地电缆将车体 与接地回流装置连接,二是在车体与接地回流装置 之间增加接地电阻。 2 设备保护接地分析 设备保护接地的设计原则是保证在设备发生故 障时,流经人体的电流值不超过标准要求。可将其 抽象成电路模型。故障电路模型如图1所示。IEC 60479中规定,无论何种触电方式,流经人体的电流 及时间不能超过:25 mA,1 s(交流);15 mA,1 S (直流)。 图1 故障电路模型 假设在进入设备的电源电压高的电路发生短路 的情况下,在输入电源保护设备还没有动作的条件 下,人体触摸到箱体导致流经人体的电流 ,2= ,f*(R1/(R1+R 2)) 式中人体电阻尺 可从IEC 60479标准中查到,而 , 是可以根据设备输入电源电压等级来计算得出 的。为了保证流经人体的电流:不超过限值,保证在 最恶劣的情况下不发生危险,就只能通过接地电缆 · 1 39 · )~Qm mu m 窝 瓣 誊 曩 垂 套 巷 的设计来保证接地的安全性,选择合适的接地电缆 的长度和线径来确保接地电缆的阻值。 3 车体保护接地方案分析 车体保护接地在原则上与设备保护接地是一样 的,如果把车体看作是一个设备的话,那么它的接地 电缆可以遵循设备接地电缆的选择原则。但是,由 于车辆与大地的连接只能是通过轮对和钢轨之间的 接触,而目前城市轨道的钢轨都是作为回流使用的, 因此,在这种情况下,车辆就不能简单地被看作是一 个设备;每个单独的车体都可以等效一个电阻与钢 轨进行并联,且由于列车等电位的要求,其实一列车 内的所有车辆都是通过电缆连接到一起的。简化的 车辆与钢轨的等效电路图如图2所示。 图2 车辆与钢轨的等效电路图 从图2中可以看出,整个回流电流,的一部分 , 就会流经车体。虽然这部分电流不足以损坏车 体,也不会造成人员伤害,但是可能会导致车辆电气 系统工作不稳定。这也正是前述中提到的采用第二 种接地方式一~接地电阻的根本原因。 由于在线路上运行的车辆的不固定性,很难得到 ,的确切值。而该值对于车辆接地系统的设计没有 直接影响,因此,只考虑通过流经, 的电流占,的百 分比来衡量接地效果的好坏。该比值越小越好。 3.I 钢轨的电阻分析 钢轨的主要成分为铁,其余还含有锰、碳、硅、 硫、磷等,其密度可以取为7.83 g/cm。,电阻率为 2.1×10-7 Q·m。可以根据材料电阻率和横截面 积S求得钢轨的直流电阻 Rd= ×1() (Q/km) (1) 1 m长钢轨的质量 G :_1 ×7 . 83 (kg) (2) 1 【J(J() 则R 可根据1 m长的钢轨质量 · 1 4(】· Rd: : (Q/km) (3) lUL, L, 如果钢轨的质量按照50 kg/m计算,则单条钢 轨的电阻为0.032 l~/km,双条钢轨的电阻为0.016 Q/km。 3.2 车体电阻的分析 由于车体结构非常复杂,且车体材料有铝合金和 不锈钢两种,不便于理论计算,因此,进行简化考虑。 根据经验,B型车不锈钢车体的质量约为370 kg/m,根 据式(3),可以计算出车体的电阻为0.【x)4 4 n/km。 车体与接地回流之间的电缆如果按照 =120 mm 计算,其阻值为0.164 D/km。目前地铁常规 设计中每辆动车车体与接地回流装置之间为4根电 缆,因此,总的车体电阻可以近似为0.041 Q/km, 而接地电缆连接处的接触电阻大约为10 mQ。 3.3 接地方式分析 1)直接接地。图2中的尺 尺 。和尺 就是车 体电阻、接地电缆电阻和接触电阻的和。按照4辆编 组列车来考虑,列车长度约为100 1TI。由于车体接地 点的不同,长度不能完全按照100 m进行计算,暂且 按照车体50 1TI、接地电缆50 m计算。这样可以计算 总的尺 阻值为7.27 mQ, 阻值为I.6 mQ,通过车 体的电流, 就相当于总电流,的18%。 2)接地电阻接地。采用接地电阻接地,实质上 是在车体与接地回流之间增加了额外的阻值。但是 根据EN 50153的规定,车体与地面装置的保护性 导体之间的阻值不能大于50 mQ。因此,增设的阻 值不能太大,目前经验值是3()mQ。其等效电路图 如图3所示。列车长度同样按100 m来计算,总的 R 阻值为37.27 mQ,R 2阻值为1.6 mQ,通过车 体的电流, 就相当于总电流的,的4.1% I 车体A 车体B \—/ 1 IO o l ①l() 图3 带有接地电阻的车体与钢轨的等效电路 (下转第144页) 曩 ≥ 应的用地面积较大,增加了地面风亭的工程建设内 容和建设用地的协调工作难度,且必须满足有关的 规划、卫生、环保要求。受用地性质与规模的影响, 工程造价存在较多不稳定因素。 表2 系统综合对比表 (2)运营服务。双活塞系统的隧道温度低、换 气量大、负压值小,有利于隧道事故工况下的隧道风 (上接第140页) 4 结语 文中对两种不同情况下流经车体的电流进行了 对比分析。但这只是理论计算,还有很多实际因素 无法考虑,如轮对与钢轨间的接触电阻等。因此,实 际上流经车体的电流比例远小于文中的计算值。但 是无论如何,都避免不了有部分电流流经车体,且采 用直接接地的方式要比采用接地电阻的方式流经车 体的电流的比例要大。增设接地电阻对减少流经车 体的回流电流有明显的改善作用。但出于降低车体 与轨道之间电阻的考虑,部分工程设计人员提出在 增加接地电阻方案的基础上,选择其中一个点进行 直接接地,如图4所示。这也为接地方案的完善提 供了新的思路。 速、温度的控制。 5 结论与建议 双活塞系统虽然土建规模较大,投资较高,但具 有系统功能好、运行稳定、运行能耗低、服务水平高 等优点。建议地铁在车站周边环境条件允许的情况 下,尽量采用双活塞系统;但在站间距较小,且风亭 设置用地较困难的情况下,车站可设置单活塞系统。 参考文献 [1] GB 51H 57—2()()3地铁设计规范[s]. [2] 金学易.隧道通风及隧道空气动力学[M].北京:中国铁道出版 社,1983. [3] 孙一坚.铁路双线隧道通风的模型试验研究[J].湖南大学学 报,1994,21(6):112. [4] 施仲衡.地下铁道设计与施工[M].西安:陕西科学技术出版 社,1997. [5] 刘承东.屏蔽门系统在地铁中的应用_J].城市轨道交通研究, 2000(1):34. [6] 于秋燕.端进式车站的通风空调及防排烟系统方案研究[J].城 市轨道交通研究,201()(9):61. (收稿日期:2012—04一⋯) [ [ 苹 图4 带有直接接地的接地电阻方案 参考文献 [1] EN 5()153轨道车辆电气隐患防护规定Is]. r2] GB 7928地铁车辆通用技术条件Es]. r3] IEC 60479电流对人和家畜产生的效应[s]. [43 TB/T 2977铁道车辆金属部件的接地保护Is]. (收稿日期:2011—06—16) · 144 ·
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