碳纤维复合材料地铁车体接地网仿真研究

宋旭鹏

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司 国家工程技术研究中心，山东 青岛 266111）

碳纤维复合材料具有高强度、低密度和耐疲劳等优良综合性能，是轻量化车体设计制造的理想材料[1]。然而，碳纤维复合材料电导率为5 S/m～104S/m，远小于不锈钢或铝合金等传统车体金属材料。因此，碳纤维复合材料车体并不能直接作为电气等电位面，形成导电通路，需要额外设置一套接地系统用于设备保护和EMC接地。

目前，在接地网技术领域内，功能复杂且技术要求高的接地网主要有复合材料飞机回流网[1]和变电站接地网[2]。飞机回流网主要为飞机的雷击及静电防护、电流回路，提供全机电气设备的等电位基准，机载设备与外界无电气耦合，整机电气设备功率容量较小，量级不高于102 kVA，接地网首要因素是优化拓扑，减小汇流路径，实现降低回流电阻和减重目的。变电站接地网主要为接地或雷击故障电流提供基本安全泄放通道，降低强电接地故障及其对人身和设备的安全风险，其设计属于系统工程，空间延伸范围大，设计裕度较大。

然而，复合材料地铁列车的运营工况与飞机和变电站系统存在显著差别，地铁通常采用1 500 V直流供电系统，牵引电流约几千A，功率容量约103 kVA，介于飞机回流网和输变电接地网之间。飞机电气负载和输变电系统均为静态工况，而地铁牵引、制动和惰性动态运行条件下，存在接地网与轨道、地的杂散电流耦合。此外，车体本身集成了各类强电弱电设备以及电压等级不同的线束，因此，碳纤维复合材料车体接地网设计既要考虑动态工况下的车-轨道-地的耦合规律[3-4]，更要注重设备保护接地、人身安全和EMC接地的功能需求。

为满足整车保护接地和电磁兼容接地要求，本文提出了一套适用于复材车体的接地网，并通过仿真方法研究了接地网-轨道-车耦合工况下，接地网杂散电流分布特性，分析了短路工况下接地网的暂态响应特性和汇流排热效应及其影响。

1 接地网拓扑

对于金属车体而言，所有设备、线槽接地通常就近设置接地座作为设备接地点，然而，碳纤维复材车体阻抗大，车体上不能直接设置接地座，这要求在不改变保持接地点位的前提下，布置接地网。选取地铁列车的头车（拖车）设计接地网，通常，接地网采用硬质金属汇流排。根据车体接地点位，按照就近接地原则，给出如图1所示的接地网拓扑，接地网主要分为车顶、侧墙和车下3部分。为了直观描述下文中仿真激励端口的位置，图1给出了接地网与轨道地平面和后部车体的电气连接位置。

图1 接地网拓扑

2 接地网耦合杂散电流分析

2.1 接地网耦合分析

将碳纤维车体接地网拓扑任意两节点间汇流排等效为一个电阻，单位长度汇流排电阻实测0.2 mΩ/m，从而生成一个接地网等效电阻网络，接地网通过车下2个50 mΩ接地电阻（用阻值相同的接地线代替）与轨道地平面连接，如图1所示，其中，二位端接地网与后部车体连接，将后部车体等效为5 mΩ电阻，用等值接地线代替，并与轨道地平面连接。

碳纤维复合材料地铁列车采用第三轨受流，图2为接地网与轨道和地的连接示意图，该图为电路仿真模型中提取的局部，其中，图上方长方框代表接地网，内部是接地网各个节点排的等效电阻，具体等效电阻模型未在图中详细说明；a标记为轨道纵向电阻0.001Ω/100 m；b标记为轨道-地过渡电阻15Ω；c标记为车端两个接地电阻0.05Ω，分别位于一位端和二位端附近；d标记为转向架与车体金属件间橡胶绝缘电阻1 MΩ，其中，车体金属件与接地网相连；e标记为每个车轴轴承油膜电阻为1Ω。接地网的电气连接接口主要包括：两个车下电阻器、两个转向架向连接和二位端后部车体连接。

用Matlab/Simulink仿真一列六编组地铁列车，其中，2个头车为拖车，采用碳纤维车体，并设置接地网，4个动车为金属车体，位于编组中间。将2个头车拖车接地网和4个动车金属车体分别等效成电阻网络，并形成编组，置于相邻两车站区间。图3为相邻两车站区间内编组与轨道和地的连接示意图，其中，第三轨、轨道和地分别对应图2中3个电流端口。将牵引总电流2 320 A作为电流源从第3轨输入，轨道和地分别作为电流回路。图2模型的仿真结果显示，头车拖车通过单个50 mΩ接地电阻进入接地网的杂散电流约40 A，而从转向架构架到接地网的杂散电流几乎为零。

图2 头车接地网-轨道-地耦合模型

图3 整编组列车-轨道-地连接示意图

2.2 接地网杂散电流分布

根据图1所示的接地网拓扑和车体模型建立接地网三维电磁模型，如图4所示，整个模型尺寸19×2.5×2.5 m，接地排为截面4×25 mm金属排，材质为铝合金。按照前文电路仿真结果，在一位端和二位端2个50 mΩ接地电阻安装位置分别注入40 A激励电流，该激励电流为电路仿真得到的从轨道进入接地网的电流，目的是模拟轨道回流进入接地网的杂散电流，观察杂散电流在接地网中的分布情况。模型中，电流注入点与车下汇流排连接，侧墙汇流排通过软连接线与车下汇流排贯通。

图4模型的仿真结果显示，电流首先进入车下汇流排，然后，通过软连接线流入侧墙和车顶汇流排，如图1所示，最后，从车下2个50 mΩ和1个5 mΩ接地软线进入大地。图4中取电流交汇节点，可以看到车长方向2个分支电流约8 A，车高方向汇流排电流约1.4 A，车宽方向电流约0.15 A，杂散电流在单根汇流排上的分布规律是：车长方向＞车高方向＞车宽方向，图5为侧墙汇流排与车下汇流排连接处的电流分布状态，结果显示杂散电流经过软连接线从车下接地网流入车上接地网部分，由于侧墙汇流排数量较多，单根汇流排承担杂散电流相对较小，而车长方向从一位端到二位端有4根汇流排，流过的杂散电流相对较大。

图4 接地网杂散电流分布

图5 车下-侧墙连接处杂散电流

3 接地网短路响应

接地网在暂态工况下，引起的电压升高和热效应，可能会引起如下负面影响：（1）车载弱电系统暂态电压高于2 kV[5]，会干扰设备正常工作；（2）短路温升过大，会导致铝合金排和碳纤维复合材料树脂部分，出现烧熔或烧蚀现象。为分析接地网暂态响应特性，模拟了直流侧辅助逆变器（SIV）短路工况，即在SIV接地点位置，见图1中位置4，注入幅值30 kA，脉冲宽度100 ms的短路电流。该电流波形按照公式（1）一阶RL短路模型给出[6]，时域波形如图6所示，其频谱主瓣频带宽度约10 Hz。

图6 短路电流时域波形

其中：I为最终电流稳定值，A；ι为时间常数，取15 ms。

图7为短路电流注入接地网后的仿真结果，可以看到，电流注入接地网后分流，向前电流分量约18 kA，向后分量约12 kA，最终，电流通过2个50 mΩ接地电阻和5 mΩ接地电阻进入轨道地平面。由图8可知电流注入点电压随时间变化，短路电流引起接地位置电压升高约80 V。此外，入地的短路电流在一位端和二位端50 mΩ电阻器分别引起接地网67 V和35 V的电压升高。

图7 短路电流分布

图8 电流注入点电压变化

取1段金属排，紧贴在碳纤维板材表面，参考图6波形注入18 kA脉冲电流，观察汇流排热效应。从图9仿真结果看到，电流瞬态热效应引起汇流排约62 K的温升，短路电流引起的温升均在汇流排和碳纤维复合材料正常工作温度范围内。

图9 短路温升

4 结论

本文针对车体各类保护和EMC接地需求，提出了碳纤维复合材料车体接地网，基于仿真分析，得出如下结论：

（1）整个接地网会分布从轨道耦合进入的杂散电流。由于杂散电流会通过接地方式流入车内金属扶手杆，而被车内乘客触摸到，因此，与接地网连接的设备应单点接地，尽量不采用多点接地，避免杂散电流在金属件上形成回流。

（2）接地网杂散电流分布规律为车长方向＞车高方向＞车宽方向。由于车宽方向杂散电流相对较小，引起的电压噪声也较小，因此，接地点位应优选车宽方向的横向汇流排上。

（3）接地网能够满足短路工况下大电流泄放要求，短路工况引起的电压升高值低于弱电系统暂态电压限值，同时，短路热效应不会导致金属接地排和碳纤维复合材料损坏。