張強(qiáng) 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海動車段

1 引言

隨著我國高速鐵路的飛速發(fā)展，高速動車組運(yùn)行速度不斷提升，高速鐵路也逐漸成為交通出行的首選方式。為了保障乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全，以及諸多車載電子電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，所有人體可接觸的且故障時可能帶有高壓的導(dǎo)電部件，必須與車體或車體的某部件直接連接或通過保護(hù)接地永久連接，實(shí)現(xiàn)車輛的有效接地，保障運(yùn)輸安全。

2 轉(zhuǎn)向架接地線概況及檢修標(biāo)準(zhǔn)

2.1 轉(zhuǎn)向架接地線分布概況

CRH3型動車組轉(zhuǎn)向架一共有5種接地線纜，第一種是枕梁接地線，連接枕梁與構(gòu)架，每個轉(zhuǎn)向架2根，一標(biāo)準(zhǔn)組32根（圖1）；第二種是牽引電機(jī)接地線，連接于每臺牽引電機(jī)與電機(jī)吊架之間，每臺牽引電機(jī)1根，一標(biāo)準(zhǔn)組16根；第三種是連接天線梁與天線梁支架的接地線，安裝于EC01/EC08車的一位架，每個轉(zhuǎn)向架2根，一標(biāo)準(zhǔn)組4根；第四種是連接天線梁支架與構(gòu)架的接地線，安裝于EC01/EC08車的一位架，每個轉(zhuǎn)向架2根，一標(biāo)準(zhǔn)組4根；第五種是連接輪對軸端與車體的接地線纜（圖2），軸端接地線纜又可以細(xì)分為安裝于TC02/TC07車的接地回流線纜與安裝于BC04/FC05車的接地保護(hù)線纜，兩者數(shù)量均為一標(biāo)準(zhǔn)組4根，共計(jì)8根。

圖1 轉(zhuǎn)向架枕梁接地線安裝示意

圖2 輪對軸端接地保護(hù)線纜示意

2.2 CRH3型動車組接地原理

接地線就是直接連接大地的線，也可以稱為安全回路線，危險時它就把高壓直接轉(zhuǎn)嫁給大地，是一根生命線。CRH3型動車組的接地系統(tǒng)依據(jù)接地方式和功能特點(diǎn)的不同，可以分為工作接地和保護(hù)接地。

工作接地：將動車組從接觸網(wǎng)上獲取的電流經(jīng)由受電弓、變壓器等設(shè)備回饋到鋼軌上，通過鋼軌將能量回流到變電站。

保護(hù)接地：通過保護(hù)性屏蔽接地的方法，將人體可能接觸的導(dǎo)電部件或設(shè)備以較低的阻值電路連接到車體上，從而避免由于故障造成過載電流危及人身安全。

2.3 接地線檢修標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《和諧3型動車組高級修檢修規(guī)程》（TG/CL150-2018）中對轉(zhuǎn)向架接地裝置的相關(guān)規(guī)定，三、四、五級修的檢修標(biāo)準(zhǔn)相同：一是接地線纜及端子須清潔，無灰塵和銹蝕；二是接地線斷股或每股斷線超過10%時更新。

在高級修實(shí)際檢修過程中，幾乎所有的接地線線纜表面均附著有灰塵和明顯的污漬痕跡。對某組四級修（車組運(yùn)行240萬km或者6年后的修程）短編動車組的全部32根轉(zhuǎn)向架枕梁接地線（該接地線運(yùn)行過程中長期暴露在外，最有代表性）的外觀狀態(tài)進(jìn)行逐一檢查（圖3），所有接地線表面均附著有不同程度的灰塵，但沒有出現(xiàn)銹蝕情況，其中部分接地線有斷絲情況（圖4），并無斷股現(xiàn)象。

圖3 四級修枕梁接地線外觀狀態(tài)

圖4 枕梁接地線局部斷絲情況

3 高級修檢修故障

以CRH3型動車組枕梁接地線為例，每列標(biāo)準(zhǔn)組共安裝有32根枕梁接地線，每根接地線（即1大股）有7個中股，每個中股有7個小股，每個小股有132根線絲。接地線實(shí)物截面和結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 接地線截面及結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 接地線斷股斷絲

對上述四級修車組的32根枕梁接地線的斷股、斷絲情況進(jìn)行逐一檢查統(tǒng)計(jì)，所有接地線無直接斷股情況發(fā)生，斷絲數(shù)統(tǒng)計(jì)情況結(jié)果如表1。

表1 四級修枕梁接地線斷絲情況

32根枕梁接地線中共有9根存在斷絲情況，斷絲情況發(fā)生比例約為28.1%，其中編號1和11的接地線斷絲比例超過一小股的10%，超過檢修規(guī)程中接地線的更新標(biāo)準(zhǔn)，超限比例約為6.3%。

接地線斷絲的主要原因是車組在運(yùn)行過程中，車體和轉(zhuǎn)向架存在振動現(xiàn)象，尤其是高速運(yùn)行時振動更加劇烈，或是風(fēng)阻造成接地線存在長期的無規(guī)律往復(fù)運(yùn)動，或是由于異物擊打，均會使接地線的產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，會造成接地線斷絲甚至斷股的現(xiàn)象。目前高級修過程中按照接地線斷絲比例超過一小股的10%超限更換的要求執(zhí)行。

3.2 接地線表面附著灰塵

轉(zhuǎn)向架枕梁接地線安裝時外部并無保護(hù)套包覆，直接裸露于車組運(yùn)行環(huán)境中，線纜表面附著灰塵的情況難以避免?；覊m顆粒的存在會直接影響到接觸電阻，由于灰塵顆粒的存在，會減小機(jī)械接觸面積并分擔(dān)接觸壓力，進(jìn)而增大收縮電阻，使接觸電阻升高。

面對接地線表面有灰塵、油污情況時，實(shí)際清潔效果不理想，很難達(dá)到規(guī)程要求的無灰塵的狀態(tài)。對于附著灰塵厚度不大的情況，對其實(shí)際運(yùn)行性能影響不大，可以考慮對相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，進(jìn)一步明確灰塵清潔要求，或者適當(dāng)增加阻值測量的要求，確保接地線功能良好。

3.3 接地線銹蝕

動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的工作條件較為惡劣，接地線可能會因?yàn)槎嘧兦覑毫拥倪\(yùn)行環(huán)境，使線纜的金屬表面產(chǎn)生污染或銹蝕產(chǎn)生氧化層以及附著水分、油污，會導(dǎo)致金屬線纜的電阻增大。

而車體與地面裝置的保護(hù)導(dǎo)體（如鋼軌）間的阻抗在IEC60479技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定要求應(yīng)盡量降低，以防出現(xiàn)危險電壓。車體與地面裝置的保護(hù)性導(dǎo)體間的最大阻抗為0.05 Ω。由于檢修現(xiàn)場對于接地線銹蝕導(dǎo)致的電阻及強(qiáng)度變化暫無法定量測量，出于安全性考慮，檢修處置措施選擇直接更換新線。

4 接地線理論參數(shù)計(jì)算

4.1 截面積計(jì)算

接地線長時間處于工作狀態(tài)時，會持續(xù)發(fā)熱，導(dǎo)致其機(jī)械強(qiáng)度下降以及接觸電阻增加，其截面積的選擇確定很大程度上會影響到整體保護(hù)性接地的安全性和可靠性。依據(jù)GB/T 16895.3低壓電器裝置第5-54部分：電氣設(shè)備的選擇和安裝接地配置和保護(hù)，保護(hù)接地線的截面積可由兩種方式確定，其中方法2保護(hù)導(dǎo)線最小截面積的計(jì)算公式為：

其中：S-截面積，單位為mm2；

I-流過保護(hù)電氣的忽略故障點(diǎn)阻抗產(chǎn)生的預(yù)期故障電流方均根值（見IEC60909-0），單位為（A）；

t-保護(hù)電氣自動切斷的動作時間，單位（s）；

k-材料系數(shù)k需考慮的影響因素有：導(dǎo)體材料，允許的溫升。

TB/T 2977-2016軌道車輛金屬部件的接地保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)5.2章節(jié)規(guī)定了保護(hù)接地線可采用裸線或絕緣線接地，但必須用抗腐蝕的柔性材料制成，其截面積應(yīng)保證其導(dǎo)電性能不低于35 mm2銅導(dǎo)線的導(dǎo)電性能。

系數(shù)k值的計(jì)算方法由下式確定：

公式中：

Qc——導(dǎo)體材料在20℃時的體積熱容量，單位為焦耳每開爾文立方毫米；

β——導(dǎo)體在0℃時電阻率溫度系數(shù)的例數(shù)，單位為攝氏度（℃）；

ρ20——導(dǎo)體材料在20℃時的電阻率，單位為歐姆毫米（Ω·mm）；

θi——導(dǎo)體初始溫度，單位為攝氏度（℃）；

θf——導(dǎo)體最終溫度，單位為攝氏度（℃）。

不同材料的參數(shù)見表2。

表2 不同材料的參數(shù)值

表2中數(shù)值取自IEC60949。

若采用上述公式計(jì)算得出的接地線截面積不是標(biāo)準(zhǔn)的截面尺寸，在實(shí)際運(yùn)用選擇時，則應(yīng)選擇更高標(biāo)準(zhǔn)的截面積的線纜。

4.2 導(dǎo)體阻值要求

根據(jù)TB/T 2977-2016軌道車輛金屬部件的接地保護(hù)中5.1章節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，車體和軌道之間的電阻值應(yīng)≯0.05 Ω；

JLBS微小拉壓力傳感器采用了箔式應(yīng)變片貼在合金鋼彈性體上，承受拉、壓力均可，具有測量精度高、穩(wěn)定性能好、溫度漂移小、輸出對稱性好、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。通過查閱技術(shù)手冊，可以得到此壓力傳感器的綜合精度為R=0.05%F·S，量程為M=25N。

4.3 轉(zhuǎn)向架保護(hù)接地

轉(zhuǎn)向架通過兩根接地線與車體相連。轉(zhuǎn)向架的兩次接地設(shè)計(jì)是為保證有一個故障（一條接地線缺陷或缺失）時轉(zhuǎn)向架仍可充分接地。每個轉(zhuǎn)向架應(yīng)至少應(yīng)通過一個輪對保護(hù)接地裝置可靠接地。

考慮故障時，假設(shè)在接觸網(wǎng)與車體之間存在接觸，短路電流為15 kA,接地線按照最大短路電流情況下持續(xù)120 ms設(shè)計(jì)。按照截面積選取方法2計(jì)算，根據(jù)GB/T 16895.3附錄A中k取159，可以按照截面積計(jì)算方法2的計(jì)算公式計(jì)算得出接地線最小的工作截面積：

目前枕梁接地線線纜規(guī)格為50 mm2，車體與轉(zhuǎn)向架采用兩根50 mm2的裸銅線進(jìn)行接地連接。在不考慮故障自動切斷電源時間的情況下，故障時車體與軌道間的電壓應(yīng)不超過GB 16895.21中規(guī)定的50 V。

故障點(diǎn)與保護(hù)接地的最大距離不超過單節(jié)車輛的車體長度即25 m,其最大電阻R1=25m×1μΩ/m=25 μΩ。

每個轉(zhuǎn)向架裝有2根接地線，每根0.4 m，并聯(lián)電阻R2=

2個電阻各為5 mΩ的接地電刷并聯(lián)電阻R3=2.5 μΩ。

總電阻R=R1+R2+R3=2.595 mΩ。

接觸電壓V=15kA×2.595 mΩ=38.925V〈50 V。

考慮CRH3型動車組共12個保護(hù)接地裝置，實(shí)際接觸電壓比計(jì)算值更小。

根據(jù)計(jì)算可以得出，接地線纜在最大短路電流情況下的最小工作截面積至少為32.68 mm2，占實(shí)際使用線纜截面積50 mm2的65%；對比高級修規(guī)程中規(guī)定的10%斷股的更換標(biāo)準(zhǔn)，換算接地線纜的損失截面范圍為0.1 mm2～5 mm2，最小剩余有效工作截面積仍至少有45 mm2，相較于計(jì)算的最小工作截面積，仍有一定的余量，可酌情增加接地線纜斷絲量的更換標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 接地線檢修標(biāo)準(zhǔn)探討

現(xiàn)有《和諧3型動車組高級修檢修規(guī)程》中，對轉(zhuǎn)向架接地線檢修標(biāo)準(zhǔn)的主要判定點(diǎn)是：接地線是否存在斷股現(xiàn)象或每股斷線量是否超過10%，實(shí)際作業(yè)中對于達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的接地線進(jìn)行更換處理。對于第三節(jié)中討論的其它常見的故障現(xiàn)象，進(jìn)行相應(yīng)的修復(fù)處理。

通過前文的計(jì)算可知，接地線的實(shí)際設(shè)計(jì)安全余量較多，達(dá)到35%左右，目前的換新標(biāo)準(zhǔn)定在每小股的10%，從理論計(jì)算出發(fā)，在保證接地線無其它機(jī)械強(qiáng)度問題和隱患的情況，可以適當(dāng)放寬接地線斷線量的換新標(biāo)準(zhǔn)。建議講接地線檢修標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化為：一是接地線纜及端子須清潔，無灰塵和銹蝕；二是接地線斷股或各股斷線量合計(jì)不超過總量的10%；三是導(dǎo)電性能可以滿足保護(hù)接地的安全需求。

6 結(jié)束語

本文通過對轉(zhuǎn)向架接地線的相關(guān)檢修規(guī)程和高級修實(shí)際運(yùn)用檢修過程中常見的故障現(xiàn)象、原因及影響進(jìn)行了研究分析，對現(xiàn)有的接地線的檢修標(biāo)準(zhǔn)及故障處理方案進(jìn)行了探討。通過理論計(jì)算，分析得出現(xiàn)有的接地線檢修標(biāo)準(zhǔn)相對較嚴(yán)，安全余量較大，可以適當(dāng)放寬標(biāo)準(zhǔn)。