轨道交通车辆直流母线接地改进方案的应用分析

李文荣 孙士杰 闫海城 高福昕

(中车长春轨道客车股份有限公司，130062，长春∥第一作者，工程师)

随着轨道交通的快速发展，安全、可靠的轨道交通车辆的研发越来越受到重视。在列车的运行过程中，车辆的电磁兼容(EMC)性能直接影响着车辆的可靠、高效和安全运行。车辆设计时不仅需要提高电气设备本身的电磁兼容性，还需要从整车原理设计上提高整车的EMC性能。在对EMC的研究中发现，“地”对整车EMC性能分析起着至关重要的作用：车体作为整车的零电位，即车体可视为“地”，为车辆提供保护地。然而在列车的运行过程中，牵引电流中存在着丰富的谐波，会对轨道电路的正常运行产生干扰[1]。文献[2]以B型地铁车辆为例对整车高压回路接地方案进行了阐述，提出了1种实用性较高的接地方案，为车辆保护接地提供了坚实的基础。文献[3]指出牵引电流对DC 110 V电压零电位的影响及由此对整车稳定性产生的影响，提出了1种新型的接地方式，但该方式只能降低DC 110 V母线电压的波动范围，不能从根本上抑制牵引电流对DC 110 V母线电压的影响。文献[4]对地铁车辆的接地方式进行了研究，提出了在工作接地和保护接地间增加接地电阻，以降低牵引电流对整车的影响。文献[5]提出，在车体与轴端之间增加隔离电阻来降低流入车体的牵引电流。文献[6]针对CRH380高速动车组车辆接地问题，提出在动车转向架增加保护接地装置。文献[7]通过减少头车(Tc车)保护接地数量来降低轴端电压，但该方案会使得Tc车中二位端转向架缺少接地保护，进而增加触电风险。本文以澳大利亚墨尔本市HCMT(大运量地铁)项目的地铁车辆为依托，针对轨道交通车辆直流母线的接地问题进行深入分析。

1 列车主电路设计

1.1 牵引和辅助供电电路

墨尔本市HCMT项目地铁车辆采用4动3拖7辆编组方式。其牵引电压为DC 1 500 V，车辆通过受电弓与接触网连接。列车正常运行时，4个受电弓同时工作，电流经由高压箱(HV)、DC/DC变流器流至牵引逆变器和辅助变流器。DC 110 V低压母线和AC 415 V中压母线贯穿整车，为车辆提供辅助电能。

1.2 整车接地系统

该型车辆的整车接地方案如图1所示，包含牵引辅助回流接地和车辆保护性接地2方面。其中，牵引辅助回流接地直接接至转向架轴端，牵引回流直接流至轨道，均不经过车辆车体;车辆保护性接地指的是设备接地，车辆上的电气设备和转向架构架接至车体，车体经小电阻接至转向架轴端。车辆间经过接地电缆连接，使得车辆整体成为1个等势体。保护接地回路中的小电阻能够使经过车体的轨道电流大幅降低，从而提高车辆的可用性。在换向车二位端，车体直接接至转向架轴端，能够在弓网出线搭接车体故障时为接触网提供放电回路，从而保护电网和车辆。车辆DC 110 V母线在Tc车经接地电缆接至车体，实现DC 110 V正线的短路保护功能。

图1 HCMT项目轨道交通车辆的整车接地方案

2 车辆母线接地性能分析

2.1 车辆接地系统建模

针对车辆接地系统，采用Matlab软件对其电气性能进行仿真分析。由于车辆为直流供电系统，因此可将车体、轨道和铺设电缆等效为电阻。图2为车辆的接地等效模型。

注：Tc——带司机室的拖车；M/Mp——动车；T——拖车；Rcb——车体等效电阻；Rrail——轨道等效电阻；RR——接地小电阻；

车体等效电阻Rcb的计算公式为：

Rcb=ρel/S

(1)

式中：

ρe——不锈钢车体电阻率；

l——车体长度；

S——车体等效截面积。

ρ为不锈钢车体密度,则车体质量Gct的计算公式为：

Gct=ρlS

(2)

本文所研究的车辆为A型不锈钢车体，其单车质量约为550 kg/m；不锈钢车体电阻率ρe为7.3×10-7Ωm2/m；不锈钢车体密度ρ为7.93×103kg/m3。由式(1)计算可得1 m车体的Rcb为0.010 5 Ω/km；同理可得1 m钢轨的等效电阻Rrail为0.027 Ω/km。

表1为所研究车辆的电阻参数，可为车辆接地仿真提供依据。

由于电缆接线端部接触电阻Rc为10 mΩ，因此在每个电缆终端均需考虑此接触电阻。对于95 mm2直流母线，整车共有6段电缆， 因此,在考虑线缆接触电阻情况下95 mm2直流母线的整体电阻Rbus-total的计算公式为：

Rbus-total=Rbus+6Rc

(3)

由式(3)可计算出Rbus-total为92.34 mΩ。

表1 HCMT项目轨道交通车辆的电阻参数

2.2 仿真分析

针对上述模型，采用Matlab进行了仿真分析。该型列车的辅助逆变器功率为240 kVA，牵引逆变器功率峰值为862.5 kW。仿真模拟工况为：①轨道线路上同时运行3列地铁列车；②0～0.2 s牵引逆变器运行在最大功率，0.2～0.3 s牵引逆变器自封锁，0.3～0.4 s牵引逆变器运行在最大功率。

图3为该车型的高压供电线路电流波形，展示了0～0.25 s的波形。从图3可以看出：①列车牵引时，牵引电流存在较高的谐波电流；②列车从牵引到停车的过程中，牵引电流存在较大波动。

图3 高压供电线路电流波形

图4为列车DC 110 V负线中的电压和电流的波形图。从图4可以看出：①列车牵引时，直流母线电压和电流中存在较高的谐波电流；②列车牵引时，直流母线两端的电压差为15 V；③牵引回流在直流母线负线上的分量高达52 A；④当列车从牵引状态切换至停车状态时，电压和电流存在较大的震荡。

图5为每个Tc车直流母线负线相对于车体的电压波形。从图5可知：①直流母线负线参考电压根据牵引电流的不同有所变化，波动范围在1 V左右；②直流电压中存在较大的谐波干扰，会严重影响供电电源的品质；③母线电压的波动会导致车辆供电电压的稳定，并造成断路器误跳。

a) 电压波形

b) 电流波形

a) Tc1车直流母线相对车体电压

b) Tc2车直流母线相对车体电压

3 直流母线接地改进方案

3.1 接地改进方案设计

针对上述问题，本文对车辆的直流母线接地方案进行了改进，取消直流母线在每个Tc车的接地，并在M2车增加母线接地。图6 a)为改进前直流110 V电路的简化示意图,在TC车中直流母线经接地线连接至车体,会导致轨道牵引回流经过直流母线接地线流经DC 110 V母线,产生图6 b)中的电流i2，仿真分析可知i2高达52 A。

图6 c)和6 d)为改进后的直流母线接地示意图。由于i2不存在接地回路，因此i2为0。改进后整车直流母线采用负线单点接地方案，因此轨道回流电流不会流经直流母线负线，从而避免了牵引谐波对直流供电电源品质的影响。

为了增加车辆的可用性, 在接地回路中增加接地故障保护断路器，如图7 a)所示。图7 b)为短路瞬间电流流通路径示意图。在列车运行过程中如果出现直流正线接地故障，断路器会瞬间保护，将故障回路断开，此时DC 110 V母线与车体连接，因此DC 110 V负线电压为-110 V，如图7 c)所示。

a) 改进前简化接地示意图

b) 改进前轨道回流示意图

c) 改进后简化接地示意图

d) 改进后轨道回流示意图

a) 新型接地方案

b) 短路回路

c) 故障保护后电路

在接地回路中增加短路限流电阻和接地故障断路保护器,可消除接地故障的影响，避免短路故障影响列车正常运行，这对于提高列车的运营可靠性起了至关重要的作用。

3.2 接地改进方案仿真分析

按照改进后的方案搭建仿真模型, 即在上文原有仿真模型的基础上做如下改动：①取消DC 110 V母线在Tc车上的接地；②增加DC 110 V母线在换向车(1列车仅1台)上的接地。

改进后DC 110 V母线电压负线中的牵引电流在母线上的分量为0，换向车直流母线负线相对于车体的电压为0，牵引电流并没有对直流母线电压造成影响。仿真证明了改进后的电路设计方案在抑制牵引电流方面的有效性，避免了牵引电流对直流供电电源品质的影响。

3.3 保护元器件选型

3.3.1 断路器的选型

对于接地故障保护断路器的选择，需要考虑如下几个因素：①直流供电额定电压采用DC 110 V；②断路器保护电流小于熔断器额定电流(250 A)；③断路器为C型轨道专用断路器；④短路电流额定值暂定为1 A，需根据限流电阻值进行校核。

综合以上4点因素，推荐选用的短路器型号为5SY51017CC11。

3.3.2 限流电阻的选型

本文所研究的地铁车辆，其蓄电池采用80节碱性镍镉电池，因此电源电压变化范围为80.0～137.5 V。为了保证断路器能够可靠动作(动作时间小于1 s)，短路电流需要大于4 A，因此电阻阻值需要小于20 Ω。本项目限流电阻阻值选择10 Ω，因此断路器动作时间小于0.5 s。

4 结语

本文所提出的直流母线接地改进方案具有如下优势：能够有效避免牵引谐波影响直流电源品质；能够消除车辆接地故障，提高列车的运行可靠性；能够提高列车运行的安全性，可有效避免列车母线接地故障情况下的电源失效。