有关电力机车各类地线接地合理性的技术研讨

有关电力机车各类地线接地合理性的技术研讨

徐鸿成

身份证号码：6223221989****3010

摘要：电力机车中的“地”并不能简单的认为是大地，它有多种类型都可称为“地”，分析不同的“地”，并使之能正确可靠的接地是机车布线设计中的一个重要内容。在设备中，所谓“地”一般定义为电路或系统的等电位参考点，接地就是在两点间建立传导通路，以便将电子设备和元件连接到地。在接地系统型式中，常见的接地线按作用分可有以下三种类型：系统接地 、保护接地和功能性接地。接地的目的是：一是保护操作人员的安全即“保护地”；二是为了抑制电磁干扰，提供电子测量中的电位基准即“基准地”。针对电力机车布线中可能存在的各种地的种类分析，探讨机车布线中的接地问题，最终达到能够正确区分不同的“地”并将之可靠合理的接地是电力机车布线设计中应重视的问题，也是机车性能得以稳定发挥的关键所在。

关键词：接地；基准地；屏蔽；回流线；阻抗

正文：

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在电力机车的布线设计中，常常会遇到“地”的问题。电力机车上的“地”有很多种，分析不同的“地”并使之能正确可靠的接地是机车布线设计中的一个重要内容。在设备中，所谓“地”一般定义为电路或系统的等电位参考点，接地就是在两点间建立传导通路，以便将电子设备和元件连接到地。接地的目的：一是保护操作人员的安全即“保护地”；二是为了抑制电磁干扰，提供电子测量中的电位基准即“基准地”。针对电力机车布线中可能存在的各种地的种类分析，探讨机车布线中的接地问题，最终达到能够正确区分不同的“地”并将之可靠合理的接地是电力机车布线设计中应重视的问题，也是机车性能得以稳定发挥的关键所在。

在接地系统型式中，常见的接地线按作用分可有以下三种类型：系统接地 、保护接地和功能性接地，概述情况如表1所述。

表1  接地类型介绍

任何地线既有电阻又有电抗，当有电流通过时，地线上必然产生压降。地线还可能与其它线路形成环路，当交变磁场与环路交连时，就会在地线上产生感应电势，各共用地线的电路单元中会产生相互干扰。减小地线干扰的措施可归纳为以下两种：

a.减小地线阻抗和电源线阻抗；

b.正确选择接地方式和阻隔地环路等。

1 系统接地

系统接地目的是为系统各部分提供稳定电位。在机车上，通常概念上的系统地线有3种：

（1）0V线（±12V或±15V的线）

（2）通讯信号低压地（光隔离后的电源地）

（3）110V电源负极线

1.1 电子0V基准地（±12V或±15V的0线）

0V线是低压线，不是传统意义上的地线，它为电子装置提供了一个基准电位，电子装置内部均应设立一个0V汇流条。0V基准地导线必须有足够截面，接到0V汇流条上。各设备0V地原则上应独立，如对同一模拟量进行采样，则此0V线应互联。

1.2 通讯信号低压地（光隔离后的电源接地）

光隔离后的低压地应采用第三导体互联，保证其在同一个基准电位上。例如微机柜通过RS485通信线与显示屏连接。其中RS485是三绞线，两根是通讯线，一根COM线，此COM线连接两边光隔离接地。

1.3 110V电源负线

此线称为回流线，不能直接与机壳、机柜接地，此线应通过接地继电器线圈完成接地。

2 保护接地

保护接地指设备的金属壳体与大地应直接连接，以免危及操作人员的安全。机车上的真正接地回路是从车体至转向架至轴头至钢轨。当回路连至车体时，接地电缆应具有足够的横截面积以符合其连接要求。回路中流过车体或转向架的电流不应对机车车辆的结构或任何机械部件造成损伤或破坏。车体或转向架上不同位置间的电势差，无论在正常,或是故障状态下都不应引发电击效应。

为了保证将所有外露的导电体均处于相同的电势，在机车中，各金属壳体必须要与车体通过接地线缆导通，保证接地状况良好,主要部件如下。

a.各屏柜柜体与车体钢结构的连接；

b.机车顶盖与车体钢结构的连接（至少保证两处连接）；

c.主变压器与车体钢结构的连接；

d.各辅助电机外壳与车体钢结构的连接；

e.各电器安装座和车体钢结构的连接；

f.蓄电池和车体的连接；

g.机车线槽与车体的连接

同时，应采取各种预防措施防止接地点阻值因腐蚀或疲劳等增加，例如焊接的接地座表面尽可能大，接地线长度尽可能短、接地线横截面积尽可能大，并在连接时涂上电接触油脂，保证接触良好。

车体与转向架的连接（当车体或转向架与钢轨间采用柔性连接时，每台车至少需有两处这样的连接通路，且其中一路的故障应不会引发损伤或产生电击的危险）；

3 功能性接地

3.1 屏蔽接地

屏蔽接地通常使用屏蔽感应电缆，以避免电磁兼容问题敏感度高的电缆受到电磁干扰的影响，需要屏蔽电磁干扰，从而得到线缆传输保护。

屏蔽的原理是在干扰源和敏感装置之间制造一个屏蔽层，清理由感应和电容耦合引起的寄生电流。

屏蔽电缆需要两端接地来保证屏蔽的最大效率 ，见下图所示。

不正确接法

正确接法

注意：除用来传输低频信号的屏蔽线以外，接线规则应用于所有的屏蔽电缆。

如果两个部件之间的连接处于磁场之中（例如是由高的di/dt的电缆产生的磁场），两端接地的屏蔽线感应产生一个干扰电压的回路就是“屏蔽——地”这样的一个回路，而不是在没有屏蔽情况下，连接电缆自身和地面形成的干扰的回路，见下图所示。

有屏蔽情况 

无屏蔽情况

一端接地不能给磁场提供任何保护，相当于没有屏蔽，故不应如此接地，见下图所示。

一端接地情况

两端接地也能保证在电场存在期间（接近高dv/dt电缆的例子）所产生的电流通过导体直接到地面。见下图所示。

电场存在下的两端接地情况

在实际中，应最小化电缆屏蔽的接地阻抗，优先使用金属体的直接接地代替绝缘线缆。即接地线长度尽可能短、接地线横截面积尽可能大。最佳的技术解决方案是将屏蔽接地通过金属体直接接地。见下图所示。

错误接法-接地线需要减短

正确的接法：金属体直接接地

接地连接的另一种选择是运用金属夹具（金属接地端子）直接将屏蔽层接地，从而保证最大接触面和与金属夹具的短连接。见下图所示。

金属接地端子

金属接地端子图示

在一些情况下，将有可能去除屏蔽的接地来避免过长的接地线连接。

3.2 工作接地

对于机车来说，真正的大地可提供工作地和屏蔽地，利用大地做导体在正常情况下有电流通过，相应的接地线称为工作地线，机车是通过受电弓从接触网受流，从车体到轴承电刷到钢轨再到真正的大地。

机车上的工作地线又称为汇流线，电路设计应确保所有的电流都流回电源而不产生机车车辆损害或电击危险。

电流回流应该用与车体或转向架绝缘的回流电路，应提供与车体或任何外露导电部分绝缘的通路，使电流从功率设备回流到供电电源回流导体上。对于机车来说，供电电源回流导体就是钢轨。

3.3 逻辑接地

电子设备的金属底板作为逻辑信号的参考点而进行的接地，称为逻辑接地。这个地可以是电子设备的金属机壳、底座和印刷电路板的地线等，逻辑地可以与大地相连，也可以不连。这个地存在于电子电路板的设计中，机车布线对它不进行处理。

通过几种接地类型的介绍和在机车中的实际应用可以看出，系统接地、保护接地和功能性接地三种接地类型按照不同的功能，在机车电缆接地中均得到了最为合理的运用体现。系统接地为机车内系统各部位提供基准电位，保证系统工作的正确性，保护接地将机车内各金属壳体连在一起并接至大地，保护人身安全。功能性接地则是为了保证机车的各项功能正常发挥而进行的接地。正确区分不同的接地方式并将之可靠合理的接地，是电力机车布线设计中应重点关注的问题，也是机车接地性能及安全可靠得以稳定发挥的关键。

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参考文献：

[1]《电气工程师手册》  北京：机械工业出版社，2000。

[2]《EN50153：2002 铁路应用-机车车辆电气隐患防护的规定》。

[3]《TTR-DJ4-DEMC01  EMC 规则设计技术规范》  作者：刘密等。

[4]《GB/T34571-2017  轨道交通 机车车辆布线规则》  出版社：中国标准出版社。

[5]《TB/T1507-93  机车电气设备布线规则》  铁路行业标准  起草人：郭立平等（株洲电力机车研究所）。

作者简介：徐鸿成（1989.04-），男，本科，机车检修工程师。

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