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城市轨道交通车辆接地系统概述

发表时间：2020/11/23 来源：《基层建设》2020年第22期作者：楚鹏1 王海梅2 陈胜彦3

[导读] 摘要：近年来，经济快速发展，城市化建设不断加快，轨道交通车辆为推动城市交通发展发挥了重要作用。

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        摘要：近年来，经济快速发展，城市化建设不断加快，轨道交通车辆为推动城市交通发展发挥了重要作用。在城市轨道交通车辆电气系统设计中，接地系统对于人身安全、设备安全具有非常重要的作用。本文针对城市轨道交通车辆电气系统的接地设计进行分析，探究车辆接地系统的设计理论和设计原则。
        关键词：城市轨道交通；车辆；电气系统；接地设计
        引言
        近年来，随着我国社会经济的高速发展，轨道交通发挥了越来越重要的作用。为了进一步提高轨道交通运营质量，对轨道交通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关系到列车的运行安全，保证列车设备的安全稳定运行，有效抵御外界环境的电磁干扰，还要为旅客提供可靠的人身安全防护等。现在就城市轨道交通车辆电气设计中的接地系统进行概述分析。
        1 接地系统的分类
        从功能上进行分类，接地可以分为保护接地、功能接地和电磁兼容相关接地。本文将着重对电磁兼容相关接地进行分析。
        1.1 保护接地
        保护接地主要是指防触电接地保护，与乘客及服务人员人身安全、用电设备安全、通信设备稳定运行等息息相关。在电源线与电气设备箱体之间的绝缘被损坏时，箱体外壳与大地之间有较高电位差，当人与损坏处接触时会导致较大的电流流过人体，造成伤害，通过防触电接地保护可以避免这种伤害。设备的外壳接地、避雷针接地都属于防触电保护接地。设备接地都是采用接地电缆将设备壳体与车体相连，将车体视为零电势。
        1.2 功能接地
        功能接地也叫工作接地，是轨道交通车辆整个电气系统正常工作的必要条件。一般又分为高压电源回流和低压电源回流。
        高压电源回流是指列车上高压电源通过接地回流装置与列车轨道相连，即把接触网电流通过车体和接地装置回流到轨道上，最终回流到供电站，轨道的作用是充当电流回归供电站的导体。低压电源回流是指为低压电源泄放电荷或建立基准电平提供通道，为电路正常工作而提供的一个基准电位。当该基准电位不与大地连接时，视为相对的零电位，这种相对的零电位会随着外界电磁场的变化而变化，从而导致电路系统工作的不稳定；当该基准电位与大地连接时，基准电位视为大地的零电位，不会随着外界电磁场的变化而变化。
        功能接地并不是EMC措施固有的一部分。然而，由于车体结构和其他导电部件可能通过杂散电流，因此功能接地可能影响电压分配。
        1.3 电磁兼容相关接地
        电磁兼容相关接地，是指对譬如电缆屏蔽、外壳屏蔽或者是滤波等任何EMC设计相关的接地措施，这对于电气设计中满足电磁兼容是十分关键的。主要有单点接地和多点接地两种不同的技术方法。除此之外，列车的等电位接地也属于电磁兼容相关接地。
        等电位接地保护，一方面有利于提高通信设备工作时的信噪比，改善通信质量；另一方面可使整个通信、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，屏蔽层自身将形成一个很大的干扰源，因此等电位连接也对电磁兼容起到重要的作用，可防止两端接地的电缆屏蔽层有电流流过，使信号传输过程中不会出现干扰。
        2 电磁兼容相关接地的技术分析
        2.1 单点接地
        单点接地的基本方法是不同功能电路的去耦，是为了避免电路之间的电流传输阻抗。其他方法是通过适当合理的电气设计，追求降低不同的功能电路之间的有害传导阻抗。单点接地通常在系统内部和子系统设计等级中使用，比如PCB电路板设计、支架设计、模块设计和单个箱体设计。单点接地不适用于类似车辆或整车以及射频应用的重大和复杂的系统。
        2.2 多点接地
        多点接地可以应用于任何EMC措施，可以提供良好的前提条件。因此多点接地是适用于类似车辆或整车以及射频应用的重大和复杂系统的合理EMC设计的良好选择。多点接地的具体措施有等电势接地和电缆屏蔽接地。
        2.2.1 等电势接地
        等电势接地的基本方法是把车辆地应当形成一个单元，单元中包含独立的零件、设备、支架、箱体等，在电气上以低阻抗、低电感互相连接。车体同时作为安全地、等电势地、回流地和作为屏蔽的接地。从EMC角度看，车体作为一个高效的等势导体。相关的接地点必须在车体设计的早期阶段就开始规划。对于连接带来说，合适的导电体包括金属线、金属网带、圆形电缆。
        屏蔽接地中存在趋肤效应，主要是交变电流在导体过程中，受感应作用的影响致使导体表面通过不均匀的电流，且与导体表面越靠近则电流的密度会越大。因此在进行接地线选型时应该尽量选择表面积相对较大的编制接地线，以此来保证车辆运行的安全性和稳定性。例如某城市轨道交通车辆的项目中，主要采用的是双重屏蔽电缆进行接地，信号回流线主要指的是内层屏蔽，外屏蔽层会受到地环路产生的电磁干扰作用，借助两根导线的表现将信号电流表现出来，接着基于自身方向和大小的一致性且在互感感应流的作用下屏蔽层中的干扰会逐渐流向两根导线的表面，最后干扰会在信号的具体回路过程中进行相互抵消，以此有助于屏蔽目的的实现。由于这种方法的造价成本相对较低，操作起来十分的简单方便，在屏蔽接地中得到了非常广泛的应用。
        2.2.2 电缆屏蔽接地
        电缆屏蔽接地的原理是将电缆屏蔽层接地，使干扰电流经屏蔽层短路入地。因此屏蔽层的妥善接地是十分重要的，因为当接地点设计不当、接地电阻过大、接地电位不均衡时，会引发接地噪声，即在传输路径中的某两点产生明显的电势差，会在金属屏蔽层上产生干扰电流。这时，屏蔽层本身反而形成了一个很大的干扰源，使其性能可能还不如非屏蔽传输通道。
        在外界电磁场的作用下，如果屏蔽层不进行接地处理，那么屏蔽层透过被保护电缆的绝缘介质与电缆形成电容，起到的屏蔽作用非常有限，所以屏蔽层必须要接地。如果电缆屏蔽层两接地点处电势相同，则电缆屏蔽层应采用两点接地的方式；如果电缆线屏蔽层两端将要接地的两点不等电势，则屏蔽层必须一端接地的方式；如下图所示：

        3 合理设计原则浅析
        轨道交通车辆电气系统接地设计要遵循接地原则，在确保接线安全前提下保证车辆及人员的安全，还要满足电磁兼容性能。合理地布置工作接地、保护接地和屏蔽接地，主要掌控好漏电、雷击、静电引流等接地设计。要设计一个良好的接地系统，一般要遵循以下原则：
        保护接地与功能接地、高压电路接地与低压电路接地要分开设计。
        保证接地回流线与接地装置的阻抗性一致，采用回流电路接地、电位差接地、高压电路回流接地进行有效的处理，确保车辆安全运行。
        接地设计要避免依赖相关机械设备，防止接地不恰当破坏车辆的构架与外壳等使用情况。车体接地点要尽量设置在车体中央。
        接地布线设计要注意相关的温度、载流能力、机械强度等，根据布线标准合理设计，保证接地线的布局合理与安全。
        保护接地线一般采用镀锡软铜绞线，防腐蚀功能较好，导电性也较高，合理设置接地线长度，使电阻值低于人体承受度。
        设计与实施中要保证接触的牢固性，接头处要保证有良好的电气导电性。针对不同金属的焊接情况，要注意实施防腐蚀处理。为了防止不同金属接触出现腐蚀现象，可在接触面涂抹油漆。
        结束语
        综上所述，城市轨道交通车辆电气系统设计良好与否直接影响城市轨道交通车辆的行驶状况，接地设计措施繁杂，需因地制宜，充分了解与熟知城市轨道交通车辆电气设备及线路的构成，具体分析在工作接地、屏蔽接地以及安全接地等不同情况下的设计原则，找出问题并善于解决问题，同时采用科学且先进的管理方法和技术，从而不断提高城市轨道交通车辆运行的可靠性和安全系数。
        参考文献：
        [1]赵锡林.城市轨道交通车辆电气系统接地探讨[J].城市建设理论研究（电子版），2016，（32）：15-16.
        [2]李庆阳.城市轨道交通车辆电气系统接地探讨[J].建材与装饰，2016，（37）：235-236.
        [3]刘　洋.城市轨道交通车辆电气系统接地探讨[J].科技视界，2012，（34）：74-75，58.