优化《和谐3型动车组高级修检修规程》中接地线检修标准的探讨

张强 中国铁路上海局集团有限公司上海动车段

1 引言

随着我国高速铁路的飞速发展，高速动车组运行速度不断提升，高速铁路也逐渐成为交通出行的首选方式。为了保障乘客的生命财产安全，以及诸多车载电子电气设备的正常运行，所有人体可接触的且故障时可能带有高压的导电部件，必须与车体或车体的某部件直接连接或通过保护接地永久连接，实现车辆的有效接地，保障运输安全。

2 转向架接地线概况及检修标准

2.1 转向架接地线分布概况

CRH3型动车组转向架一共有5种接地线缆，第一种是枕梁接地线，连接枕梁与构架，每个转向架2根，一标准组32根（图1）；第二种是牵引电机接地线，连接于每台牵引电机与电机吊架之间，每台牵引电机1根，一标准组16根；第三种是连接天线梁与天线梁支架的接地线，安装于EC01/EC08车的一位架，每个转向架2根，一标准组4根；第四种是连接天线梁支架与构架的接地线，安装于EC01/EC08车的一位架，每个转向架2根，一标准组4根；第五种是连接轮对轴端与车体的接地线缆（图2），轴端接地线缆又可以细分为安装于TC02/TC07车的接地回流线缆与安装于BC04/FC05车的接地保护线缆，两者数量均为一标准组4根，共计8根。

图1 转向架枕梁接地线安装示意

图2 轮对轴端接地保护线缆示意

2.2 CRH3型动车组接地原理

接地线就是直接连接大地的线，也可以称为安全回路线，危险时它就把高压直接转嫁给大地，是一根生命线。CRH3型动车组的接地系统依据接地方式和功能特点的不同，可以分为工作接地和保护接地。

工作接地：将动车组从接触网上获取的电流经由受电弓、变压器等设备回馈到钢轨上，通过钢轨将能量回流到变电站。

保护接地：通过保护性屏蔽接地的方法，将人体可能接触的导电部件或设备以较低的阻值电路连接到车体上，从而避免由于故障造成过载电流危及人身安全。

2.3 接地线检修标准

根据《和谐3型动车组高级修检修规程》（TG/CL150-2018）中对转向架接地装置的相关规定，三、四、五级修的检修标准相同：一是接地线缆及端子须清洁，无灰尘和锈蚀；二是接地线断股或每股断线超过10%时更新。

在高级修实际检修过程中，几乎所有的接地线线缆表面均附着有灰尘和明显的污渍痕迹。对某组四级修（车组运行240万km或者6年后的修程）短编动车组的全部32根转向架枕梁接地线（该接地线运行过程中长期暴露在外，最有代表性）的外观状态进行逐一检查（图3），所有接地线表面均附着有不同程度的灰尘，但没有出现锈蚀情况，其中部分接地线有断丝情况（图4），并无断股现象。

图3 四级修枕梁接地线外观状态

图4 枕梁接地线局部断丝情况

3 高级修检修故障

以CRH3型动车组枕梁接地线为例，每列标准组共安装有32根枕梁接地线，每根接地线（即1大股）有7个中股，每个中股有7个小股，每个小股有132根线丝。接地线实物截面和结构示意如图5所示。

图5 接地线截面及结构示意图

3.1 接地线断股断丝

对上述四级修车组的32根枕梁接地线的断股、断丝情况进行逐一检查统计，所有接地线无直接断股情况发生，断丝数统计情况结果如表1。

表1 四级修枕梁接地线断丝情况

32根枕梁接地线中共有9根存在断丝情况，断丝情况发生比例约为28.1%，其中编号1和11的接地线断丝比例超过一小股的10%，超过检修规程中接地线的更新标准，超限比例约为6.3%。

接地线断丝的主要原因是车组在运行过程中，车体和转向架存在振动现象，尤其是高速运行时振动更加剧烈，或是风阻造成接地线存在长期的无规律往复运动，或是由于异物击打，均会使接地线的产生应力集中现象，会造成接地线断丝甚至断股的现象。目前高级修过程中按照接地线断丝比例超过一小股的10%超限更换的要求执行。

3.2 接地线表面附着灰尘

转向架枕梁接地线安装时外部并无保护套包覆，直接裸露于车组运行环境中，线缆表面附着灰尘的情况难以避免。灰尘颗粒的存在会直接影响到接触电阻，由于灰尘颗粒的存在，会减小机械接触面积并分担接触压力，进而增大收缩电阻，使接触电阻升高。

面对接地线表面有灰尘、油污情况时，实际清洁效果不理想，很难达到规程要求的无灰尘的状态。对于附着灰尘厚度不大的情况，对其实际运行性能影响不大，可以考虑对相关标准进行适当调整，进一步明确灰尘清洁要求，或者适当增加阻值测量的要求，确保接地线功能良好。

3.3 接地线锈蚀

动车组转向架系统的工作条件较为恶劣，接地线可能会因为多变且恶劣的运行环境，使线缆的金属表面产生污染或锈蚀产生氧化层以及附着水分、油污，会导致金属线缆的电阻增大。

而车体与地面装置的保护导体（如钢轨）间的阻抗在IEC60479技术标准中规定要求应尽量降低，以防出现危险电压。车体与地面装置的保护性导体间的最大阻抗为0.05 Ω。由于检修现场对于接地线锈蚀导致的电阻及强度变化暂无法定量测量，出于安全性考虑，检修处置措施选择直接更换新线。

4 接地线理论参数计算

4.1 截面积计算

接地线长时间处于工作状态时，会持续发热，导致其机械强度下降以及接触电阻增加，其截面积的选择确定很大程度上会影响到整体保护性接地的安全性和可靠性。依据GB/T 16895.3低压电器装置第5-54部分：电气设备的选择和安装接地配置和保护，保护接地线的截面积可由两种方式确定，其中方法2保护导线最小截面积的计算公式为：

其中：S-截面积，单位为mm²；

I-流过保护电气的忽略故障点阻抗产生的预期故障电流方均根值（见IEC60909-0），单位为（A）；

t-保护电气自动切断的动作时间，单位（s）；

k-材料系数k需考虑的影响因素有：导体材料，允许的温升。

TB/T 2977-2016轨道车辆金属部件的接地保护标准5.2章节规定了保护接地线可采用裸线或绝缘线接地，但必须用抗腐蚀的柔性材料制成，其截面积应保证其导电性能不低于35 mm²铜导线的导电性能。

系数k值的计算方法由下式确定：

公式中：

Qc——导体材料在20℃时的体积热容量，单位为焦耳每开尔文立方毫米；

β——导体在0℃时电阻率温度系数的例数，单位为摄氏度（℃）；

ρ20——导体材料在20℃时的电阻率，单位为欧姆毫米（Ω·mm）；

θi——导体初始温度，单位为摄氏度（℃）；

θf——导体最终温度，单位为摄氏度（℃）。

不同材料的参数见表2。

表2 不同材料的参数值

表2中数值取自IEC60949。

若采用上述公式计算得出的接地线截面积不是标准的截面尺寸，在实际运用选择时，则应选择更高标准的截面积的线缆。

4.2 导体阻值要求

根据TB/T 2977-2016轨道车辆金属部件的接地保护中5.1章节的标准规定，车体和轨道之间的电阻值应≯0.05 Ω；

JLBS微小拉压力传感器采用了箔式应变片贴在合金钢弹性体上，承受拉、压力均可，具有测量精度高、稳定性能好、温度漂移小、输出对称性好、结构紧凑等特点。通过查阅技术手册，可以得到此压力传感器的综合精度为R=0.05%F·S，量程为M=25N。

4.3 转向架保护接地

转向架通过两根接地线与车体相连。转向架的两次接地设计是为保证有一个故障（一条接地线缺陷或缺失）时转向架仍可充分接地。每个转向架应至少应通过一个轮对保护接地装置可靠接地。

考虑故障时，假设在接触网与车体之间存在接触，短路电流为15 kA,接地线按照最大短路电流情况下持续120 ms设计。按照截面积选取方法2计算，根据GB/T 16895.3附录A中k取159，可以按照截面积计算方法2的计算公式计算得出接地线最小的工作截面积：

目前枕梁接地线线缆规格为50 mm²，车体与转向架采用两根50 mm²的裸铜线进行接地连接。在不考虑故障自动切断电源时间的情况下，故障时车体与轨道间的电压应不超过GB 16895.21中规定的50 V。

故障点与保护接地的最大距离不超过单节车辆的车体长度即25 m,其最大电阻R1=25m×1μΩ/m=25 μΩ。

每个转向架装有2根接地线，每根0.4 m，并联电阻R2=

2个电阻各为5 mΩ的接地电刷并联电阻R3=2.5 μΩ。

总电阻R=R1+R2+R3=2.595 mΩ。

接触电压V=15kA×2.595 mΩ=38.925V〈50 V。

考虑CRH3型动车组共12个保护接地装置，实际接触电压比计算值更小。

根据计算可以得出，接地线缆在最大短路电流情况下的最小工作截面积至少为32.68 mm²，占实际使用线缆截面积50 mm²的65%；对比高级修规程中规定的10%断股的更换标准，换算接地线缆的损失截面范围为0.1 mm²～5 mm²，最小剩余有效工作截面积仍至少有45 mm²，相较于计算的最小工作截面积，仍有一定的余量，可酌情增加接地线缆断丝量的更换标准要求。

5 接地线检修标准探讨

现有《和谐3型动车组高级修检修规程》中，对转向架接地线检修标准的主要判定点是：接地线是否存在断股现象或每股断线量是否超过10%，实际作业中对于达到该标准的接地线进行更换处理。对于第三节中讨论的其它常见的故障现象，进行相应的修复处理。

通过前文的计算可知，接地线的实际设计安全余量较多，达到35%左右，目前的换新标准定在每小股的10%，从理论计算出发，在保证接地线无其它机械强度问题和隐患的情况，可以适当放宽接地线断线量的换新标准。建议讲接地线检修标准优化为：一是接地线缆及端子须清洁，无灰尘和锈蚀；二是接地线断股或各股断线量合计不超过总量的10%；三是导电性能可以满足保护接地的安全需求。

6 结束语

本文通过对转向架接地线的相关检修规程和高级修实际运用检修过程中常见的故障现象、原因及影响进行了研究分析，对现有的接地线的检修标准及故障处理方案进行了探讨。通过理论计算，分析得出现有的接地线检修标准相对较严，安全余量较大，可以适当放宽标准。