电气工程学报, 2023, 18(3): 35-45 doi: 10.11985/2023.03.004

特邀专栏：电气化交通中的高压绝缘与防护新技术

中低速磁浮交通接地系统研究综述*

闫宁宁,1, 王健,1, 孙继星,2, 李庆民1

1.华北电力大学电气与电子工程学院 北京 102206

2.北京交通大学电气工程学院 北京 100044

Review of Research on Medium and Low Speed Maglev Transportation Grounding Systems

YAN Ningning,1, WANG Jian,1, SUN Jixing,2, LI Qingmin1

1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206

2. School of Electrical Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044

通讯作者: 闫宁宁，女，1996年生，硕士研究生。主要研究方向为轨道电气化与高电压与绝缘技术。E-mail：535799360@qq.com

收稿日期: 2023-03-14   修回日期: 2023-05-4  

基金资助: * 北京市自然科学基金资助项目(L201018)

Received: 2023-03-14   Revised: 2023-05-4  

作者简介 About authors

王健，男，1985年生，博士，副教授。主要研究方向为高电压与绝缘技术。E-mail：wangjian31791@ncepu.edu.cn

孙继星，男，1984年生，博士，副教授。主要研究方向为电网和电气化铁路高电压与绝缘技术。E-mail：jxsun@bjtu.edu.cn

摘要

中低速磁浮交通系统单设回流轨结构虽然解决了常规走行轨道的杂散电流问题，但处于悬浮电位的接地系统使得其保护接地、防雷接地及电磁兼容等方面都不能简单沿用普通轮轨列车的接地方式，需要单独展开研究。首先介绍了中低速磁浮交通接地回流系统的特点；进一步从保护接地、防雷接地、以及接地系统的电磁兼容性三个方面对中低速磁浮交通接地系统进行分析，归纳总结其接地系统在接地故障点识别、雷击车体过电压、车体放电等方面存在的问题；最后探讨了针对以上问题的解决方案，包括64D接地保护装置改进及故障点识别优化、雷击车体过电压抑制方法以及电流泄放的电磁兼容性提升等，对中低速磁浮交通接地系统的设计方案提供全面参考。

关键词： 接地系统; 中低速磁浮; 保护接地; 防雷接地; 电磁兼容; 故障识别

Abstract

The specific energy granting-returning structure of medium and low speed maglev transportation system could contribute to solving stray current issues of conventional running track. But, the grounding system in suspension potential makes it impossible to simply follow the grounding method of ordinary wheeled trains in terms of protective grounding, lightning protection and electromagnetic compatibility, and needs to be studied separately. Therefore, it is necessary to explore the adaptability of medium and low speed maglev transportation grounding system. The characteristics of grounding system is introduced primarily followed by the further analysis from aspects of protection grounding, lightning protection grounding and electromagnetic compatibility grounding. In addition, issues in the identification of grounding fault point, lightning car body overvoltage, body discharge and so on are summarized. Finally, solutions to solve problems proposed before are discussed including the improvement of 64D grounding protection device, the optimization of fault point identification, the suppression method of lightning body overvoltage, and the improvement of electromagnetic compatibility of current discharge. It is hopeful to provide a comprehensive reference for the configuration scheme of medium and low speed transportation system.

Keywords： Grounding system; medium and low speed maglev; protective grounding; lightning protection and grounding; electromagnetic compatibility; fault identification

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本文引用格式

闫宁宁, 王健, 孙继星, 李庆民. 中低速磁浮交通接地系统研究综述*[J]. 电气工程学报, 2023, 18(3): 35-45 doi:10.11985/2023.03.004

YAN Ningning, WANG Jian, SUN Jixing, LI Qingmin. Review of Research on Medium and Low Speed Maglev Transportation Grounding Systems[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering, 2023, 18(3): 35-45 doi:10.11985/2023.03.004

1 引言

中低速磁浮列车运行中具有低噪声、小振动、环保节能、安全可靠等优点，值得广泛推广应用，在国内外具有良好的发展前景[1⇓-3]。我国作为唯一拥有两条中低速磁浮商业运行线的国家，在中低速磁浮交通领域已具备世界领先水平[4⇓-6]。

列车通过悬浮电磁铁与铁磁轨道的相互吸引实现列车悬浮，车体悬浮高度维持在8~12 mm。中低速磁浮车辆的导向功能同样由悬浮电磁铁提供，在电磁铁与轨道极板发生横向偏移时，悬浮磁场会发生畸变，电磁吸引力会产生对中复位的横向分力抵抗偏移，实现车辆的导向[7⇓-9]，如图1所示。

图1

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图1   中低速磁浮列车悬浮导向系统


中低速磁浮列车运行中车体与走行轨间无直接接触，普通轨道交通利用走行轨进行回流的方式不再适用，必须采用单设回流轨的方式进行回流[10⇓-12]。供电轨与回流轨安装在轨道梁侧面，列车设备通过受流器与供电轨、回流轨接触取流、回流[13-14]，中低速磁浮列车采用单独设置回流轨的方式进行回流，相比普通轮轨列车，彻底解决了杂散电流的问题[15⇓⇓-18]。

列车运行中车体与轨道完全绝缘，使列车运行过程中积累的电荷无处泄放，针对以上问题，目前已有的磁浮工程采用在车站范围内架设接地轨的方式，当车辆进入车站范围内，车体上接地电刷与接地轨连接，将运行过程中的电荷泄放，保证了旅客安全。但当站间距离较长时，列车运行过程中产生的电荷无法及时消除，会对车上设备产生影响[19]。

由以上可知，中低速磁浮交通与普通轨道交通最大的区别是列车运行中车体与轨道无接触，采用单设回流轨的方式进行回流。因此，中低速磁浮车辆接地保护系统与普通轨道车辆的接地系统存在适配性问题[20-21]。

首先，中低速磁浮列车牵引所均设置漏电接地保护装置，列车运行过程中某一区间发生正极接地故障，其他站间牵引所漏电保护装置也会检测到过电压，进而断路器跳闸，导致大范围停电的问题。同时列车运行过程中发生列车框架短路时，也会出现故障点识别困难，现有保护接地系统不能及时切断故障等问题[22]。

其次，对于中低速磁浮交通，其供电轨与回流轨位于轨道梁的两侧，车体上方无接触网等屏蔽防护设施，车体易遭受到直击雷的侵害，而磁浮列车车体悬浮于轨道，列车接地系统没有电连接到地面，雷击车体形成的雷击车体过电压会对列车设备造成严重危害。

最后，虽然车体与轨道运行过程中没有接触，但车辆与轨道间会产生静电电荷，因此接地系统还必须考虑电磁兼容方面的要求[23-24]。

中低速磁浮交通作为一种新颖的交通运行方式，在实际运行中也暴露出一些问题需要进行优化解决[25]。目前国内外关于中低速磁浮交通接地系统方面的系统性研究较少，为更好地促进中低速磁浮列车的发展，本文从保护接地、防雷接地、接地系统产生的电磁兼容问题三个方面对接地系统进行分析，研究磁浮交通接地系统的技术特征，指出现有接地系统设计的不足之处，并提出相应的解决方案，以期为磁浮交通的发展提供思路和参考。

2 保护接地

中低速磁浮列车供电轨和回流轨与轨道梁绝缘，不易发生正负极短路故障，发生正极接地故障的可能性较高。同时由于中低速磁浮列车在运行过程中车体与轨道无接触，当列车发生接地故障时，保护接地装置动作过程存在缺陷。

2.1 中低速磁浮保护接地原理

中低速磁浮交通保护接地结构主要包括列车框架保护、直流设备框架保护、接地漏电保护，其保护接地原理如图2所示[26]。相较于普通轨道交通的接地系统，列车取消了直流设备框架保护中的电压元件，只设置电流元件[27-28]；列车内部安装常规过电压继电器G，连接机车外壳，组成列车框架保护，避免车辆发生绝缘故障时，造成乘客触电事故；并在牵引变电所负极轨设置接地漏电保护装置，该装置由64D接地过电压继电器串接一个反向二极管组成，其中二极管的反向连接是为了防止杂散电流的腐蚀[29]。

图2

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图2   中低速磁浮保护接地装置原理图


2.2 接地漏电保护装置

中低速磁浮列车每座牵引变电所都设置接地漏电保护装置，即64D保护装置，当64D保护装置检测到大于保护整定值的电压值后，断路器动作跳闸[30-31]。当供电轨正极发生接地故障时，短路电流通路如图3所示。

图3

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图3   短路电流通路


发生正极对地金属性短路时，相邻多个牵引变电站的64D保护装置均可检测到大于保护整定值的电压，造成两侧范围牵引变电所跳闸，进而引起全线供电中断，从而导致大范围停电。

为解决64D接地漏电保护故障定位困难容易造成大范围停电的问题，目前一共提出了两种解决方案。

文献[32]提出取消64D接地保护装置回路电阻，并将电压保护改为电流保护，发生正极接地故障时，相邻牵引变电所检测到短路电流在整定值以上，启动跳闸，远端牵引变电所检测到短路电流在整定值以下，不启动跳闸，以此实现跳闸的选择性。但这种方案下接地漏电保护装置流过的短路电流很大，要求装置具有较高的耐电流能力。

文献[33]同样提出将64D保护装置中的电压保护改为电流保护，将保护装置中的电压继电器改为电流继电器，通过检测接地回路的泄漏电流来判定断路器动作；同时，在牵引变电所正负极接触轨上加装电流传感器，对正、负极电流进行测量。64D改进后的等效原理如图4所示，其中SV为电压传感器，SA为电流传感器，KI为过电流继电器，R为接地电阻，VD为逆流二极管，M为微机控制系统。

图4

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图4   改进前后64D保护装置原理图


以上思路通过改进接地漏电保护装置，可以有效缩小故障范围，减小发生大面积停电的可能性，但都不能精准定位故障点，并且断路器不能及时解决故障。本文提出一种通过控制系统对保护接地装置进行整体调控的方式，在正负极回路、接地漏电保护和车辆框架保护中装入传感器，检测线路和保护装置上的电流电压变化，通过数据处理将电信号转化为控制信号，实现故障识别报警和控制断路器跳闸切断故障。

2.3 故障点识别困难

中低速磁浮列车运行过程中车体与轨道完全绝缘，且在站内设置接地轨，列车到站后实现车体良好接地，通过分析列车站内停靠与站间运行两种不同运行状态，得到接地保护故障点识别问题主要分为以下两种情况。

2.3.1 车辆内部正极对框架故障点识别问题

中低速磁浮列车发生列车内部正极对框架短路故障时，分为两种情况：第一种，故障发生在断路器下侧，列车框架保护中的过电压继电器G流过故障电流，线路断路器接到信号跳闸，列车站间运行或者站内停靠断路器跳闸都可以有效切断短路故障；第二种，故障点在断路器上侧，直流设备框架保护中的过电压继电器G流过故障电流，线路断路器信号跳闸，当列车在站内停靠时，直流设备框架保护和接地漏电保护均能采集到信号电流，并且两种保护断路器跳闸均能切断故障；当列车在站间运行时，直流设备框架保护断路器跳闸不能切断故障，必须等列车运行到站内接地电刷接地，接地漏电保护动作才可以切断故障，如图5所示。

图5

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图5   正极对机车框架短路故障(站间)


实现故障的有效清除，需要准确识别故障位置，文献[34]提出在线路断路器上下端分别加装两个电压传感器，检测机车正极与框架间的电压，通过对比两电压传感器的电压检测值判定故障位置。当列车正常运行时，两电压传感器的电压检测值相等；当故障发生在断路器上侧时，过电压继电器G流经故障电流导致线路断路器断开，线路断路器下端传感器失电，线路断路器上端传感器仍正常工作；故障发生在断路器下侧时，下端传感器失电，此时断路器跳闸但不能将故障清除，上端传感器被短路同样失电，以此为判据确定机车内部故障位置，进而通过控制装置实现断路器跳闸。

2.3.2 多车辆站内停靠时无法区分故障车辆

在上述接地保护工作原理分析过程中，本文皆以单车运行场景进行分析，但实际运行中出现多车辆的运行情况时，接地保护就会出现问题[35]。如图6所示，列车进站后车体通过接地刷接地，若此时发生供电轨与车体短路，短路电流通过接地网流入其他非故障车辆，非故障车辆框架接地保护也会检测到故障电压，进而导致整条线路进站列车框架保护故障跳闸，造成保护误动作。

图6

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图6   多车停靠时无法区分故障车辆


为解决多车辆进站故障点识别困难问题，文献[36]提出在车体接地板接地回路中串联单向导通装置，可以阻断故障电流流入非故障车辆，进而防止非故障车辆列车框架保护的误动作。文献[37]提出取消列车上的接地过电压继电器G，并增加差分电流检测装置，该方案可以准确定位接地故障，缩小故障影响范围。

以上两种方法均可以有效解决磁浮交通运行过程中的故障点识别困难问题，且本文提到的分层分级接地检测保护机制，不仅缩短了故障点识别时间，同时还缩小了故障点识别范围，可以做到准确有效地识别并切除故障点。

3 防雷接地

传统轮轨列车运行过程中，当闪电击中车体上方接触网时，雷电流通过设备外壳、车体和接地系统返回变电站，提供雷电流泄放路径[38⇓-40]。相比普通轨道列车，磁浮列车运行中车体与轨道无接触，且采用单设回流轨的方式进行回流，因此为确保车载设备的安全性和可靠性，列车在防雷接地方面需要进行单独研究[41⇓-43]。本文结合磁浮交通运行特点，研究磁浮交通中雷电流的泄放路径，在此基础上建立雷击车体的仿真电路模型，并分析接地系统阻抗对雷击过电压的影响。

3.1 雷击车体泄流通道

当车体顶部遭受直击雷时，雷电流由车顶经由车体框架向车体底部流动，由于车体与轨道间无机械接触，车体底部电磁铁与轨道构成的平行极板可以等效为并联电容，发生雷击时，车体底部电磁铁与轨道气隙的等效电容电压迅速升高，当该电容两端的电压升高到一定值时，电容内部的空气将被击穿从而形成等离子放电通道，于是巨大的雷电流便通过该等离子体放电通道注入轨道，最终从轨道接地结构泄入大地[44-45]。中低速磁浮列车遭受直击雷时的雷电流泄流通道如图7所示。

图7

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图7   磁浮列车泄流通道


列车在运行过程中某一车厢遭受直击雷时，其他车厢的泄流气隙也可能同时被击穿，因此，雷电能量可从多个车厢的多条泄流路径入地，多路径泄流特性是磁浮列车雷击接地的重要特性。由于列车行驶过程中没有固定位置的接地设施，同时实际情况的落雷位置、雷击峰值和雷电流前沿速率都影响车体泄流通道分布，因此磁浮列车的泄流路径分布存在一定随机性。

3.2 雷击车体过电压

由于列车车体本身存在一定阻抗，在雷电流经过车体流入大地的过程中车体会产生电压降，同时列车运行过程中，车体与轨道之间无直接接触，车体与轨道间气隙等效电容两端电压会急剧增大，使得车体对大地的电压异常抬升，称为雷击车体过电压[46]。另外，由于列车横向车体之间存在一定的阻抗，因此在雷电流作用下也会产生雷击车体横向过电压。当雷击车体过电压达到一定值时，将会击穿车体与轨道之间的空气间隙，这时较大的雷电流将会流入大地，强雷击会引起热效应、电效应和冲击波效应，并提升车体电位，对车载设备和控制电路的安全构成威胁。雷击车体过电压仿真电路如图8所示。

图8

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图8   雷击车体过电压仿真电路


对于中低速磁浮交通，接地系统的阻抗值大小、车体间连接点的设计都会影响雷电流的分布和雷击车体过电压的大小[47-48]。因此，接地系统对车辆的防雷安全有着重要意义。

3.3 中低速磁浮交通防雷接地系统

文献[49-50]分析提出将车体与列车其他装置等电位联结，等电位联结是防雷的常用方法，可以减少各车体装置间的电位差，保证车辆的电气安全。文献[51]提出通过减小避雷器间距提高雷击接触线的最低耐雷水平；也可通过在正负高压母线之间设置避雷器、在导向电磁铁中加入埋入式尖端结构减小雷击车体过电压。文献[52]提出将中间车车体与高压母线负极相连，在每个头车厢设置接地模块，并且在车辆的正负高压母线之间设置避雷器，如图9所示。接地模块可以为雷电流提供释放通道，有效保护车列车设备，避免雷击供电轨对车辆造成的影响。

图9

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图9   中低速磁浮列车整车接地与防雷接线示意图


以上方法可以很好地解决中低速磁浮交通的雷击车体过电压问题，同时促进雷电电荷的泄放，但是未考虑到接地模块气隙电容、接地电阻对雷电流峰值的影响。

文献[53]分析接地线阻抗和气隙阻抗组成的接地系统阻抗，得出改进导向电磁铁的形状和尺寸可以改变气隙容值。根据仿真分析，电感两端电压U与电感L近似为正比关系。气隙电容增大时，雷击车厢的雷击过电压峰值增大，其他车厢雷击过电压峰值减小。由此可知较小的接地线电感及气隙电容会使雷击车体过电压的峰值减小，进而减小雷击过程中车体对地的过电压。

中低速磁浮交通作为一种工程化的应用，任何方案的提出都需要经过实践的验证。上述提到的在局部位置加装锥形尖端结构的形状、材质、安装位置等，都需要通过进一步的仿真验证才可以应用到实际工程中。

4 接地系统的电磁兼容性问题

磁浮交通中列车的牵引自动控制系统、辅助电源系统等会产生电磁干扰[54-55]，同时列车上信号系统、通信系统、门控系统、空调系统等弱电系统容易受到电磁干扰[56-57]。列车设备在受到电磁干扰后，可能会无法工作，给列车安全运行带来严重影响[58⇓-60]。合理解决轨道车辆的接地问题是抑制大电流噪声和防止电磁干扰最廉价、最有效的方法。本文针对磁浮交通，分析车体共模干扰电流引起的电磁兼容问题，优化磁浮交通接地系统。

4.1 接地公共阻抗引起的共模干扰电压

在不同接地点之间，当有地电流流过时会在电路上形成共模干扰电压[61]。如图10所示，对电磁干扰而言，该公共阻抗上存在的电压Ui为

${{U}_{i}}={{Z}_{i}}{{I}_{1}}+{{Z}_{i}}{{I}_{2}}$

式中，I1为干扰电路电流；I2为被干扰电路电流；Zi为电路和被干扰电路之间的公共阻抗。

图10

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图10   公共阻抗引起的干扰


文献[62]得出对于干扰电路，负载电压降的分压ZiI2可忽略不计，仅考虑电磁骚扰电压ZiI1对负载的影响。磁浮列车车体设有多个保护接地点，接地电流流过公共阻抗会产生电压降，从而对电路产生干扰。

4.2 接地系统的电磁兼容性分析与提升

解决接地问题引起的电磁兼容问题，可以通过在车辆上加装阻容回路、减小接地公共阻抗引起的共模干扰电压来解决。

4.2.1 车辆上加装阻容回路

文献[63]采用高压网络串联阻容回路后连接车体，车体放电主电路为R-C网络，如图11所示，二极管可将车体短路电流导入轨道保护电阻R、电容C元件；电容起到高频滤波作用；电阻可以提升车体对地电位，减少其他车辆流向负极轨电流的影响。

图11

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图11   车载高电压网络接地示意图


在车辆上加装阻容回路只是其中一种思路或方向，在实施中困难很多，由于干扰电流有一定的频带宽和随机性，固定的阻容参数很难彻底消除干扰。

4.2.2 减小共模干扰电流

文献[64]对中低速磁浮列车的电磁兼容性进行优化设计，在负极轨与柜体间增加共模电容，减小逆变器共模输入阻抗，从而减小车体共模干扰电流，优化列车接地系统的电磁兼容性，如图12所示。

图12

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图12   增加电容后共模干扰电流流通路径


文献[65]提出在牵引系统电路单元间的信号传输采用同轴电缆的方案，同轴电缆在传输电信号时，可以有效抑制地线和外界电磁干扰，且不易对其他电路造成干扰。

文献[66]提出将悬浮架接地与车体接地分开导流，以提高列车泄放电荷的能力，如图13所示，直线电机产生的共模电压和电流将直接流入负极轨，减少对车体的干扰。

图13

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图13   优化后磁浮列车直线电机电磁干扰流通路径


以上方案都可有效抑制共模电流引起的电磁干扰问题，同时也可从改进车辆结构、加强屏蔽、提高被干扰体的抗干扰能力等多方面去研究解决，从而提高中低速磁浮列车的电磁兼容能力。

5 结论

目前对中低速磁浮列车接地系统方面的研究比较少，其特殊的接地回流方式注定其接地系统不能简单按照普通轨道列车进行设计。本文总结了64D接地系统可能带来的大范围停电问题、列车发生接地故障时故障点难以识别问题、雷击车体过电压问题以及磁浮交通接地回流系统的电磁兼容问题。目前针对以上问题的解决方案主要有以下方面。

(1) 通过改进64D接地保护装置、绝缘子沿线用接地扁铜进行连接，解决站间发生正极接地故障时可能导致的大面积停电故障问题。针对保护接地过程中不同的故障点识别问题，分别提出加装传感器、加装单向导通装置和增加差分电流检测装置来解决。

(2) 通过车体与高压母线相连，头车厢设置由电阻、电容、二极管并联而成的接地模块，正负极母线之间设置避雷器促进雷电流的泄放；也可在导向电磁铁中加入一种特定结构装置，减小雷击车体过电压。

(3) 减小电路的共模电流可以通过将牵引逆变器输入负线与柜体间增加共模电容、牵引系统电路单元间的信号传输采用同轴电缆、将悬浮架接地系统与车体接地系统分开导流等方法解决。

本文指出的中低速磁浮交通接地系统存在的问题，可以作为今后改进接地系统的研究方向。通过探究站间增设回流轨接地点方案的影响，揭示增设接地点后保护方案的适配性；厘清保护范围，分析中低速磁浮供电系统故障点的识别方法；建立磁浮车辆进出站全过程接地回流的动态模型，获得电荷泄放的接地优化方案。本文对中低速磁浮列车接地系统的优化改进奠定了理论基础，以期为中低速磁浮交通的稳定持续发展提供可靠支持。

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Background: The present situation in megacities is characterized by traffic congestion, capacity limits of public transportation systems. In addition, environmental regulations due to potential health risks will have an increasing impact on urban transportation systems.
\nAim: In this paper, we describe major technology trends in transportation and in information and communication systems which will influence urban transportation in future megacities. Based on these trends a vision of a sustainable urban transportation system is developed.
\nMethod: In a first step, trends in urban development and the individual needs are analyzed. Digitalization of transportation and communication technologies offer new business opportunities for Artificial Intelligence (AI) based services.
\nResults: The intelligent combination of advanced transportation technologies in large buildings and AI based services enables a vision of Mobility on Demand, representing a flexible and sustainable urban transportation in future megacities.
\nConclusion: The vision Mobility on Demand illustrates the effective and flexible integration of individual transportation needs into public transportation systems. Depending on the standards of future individual vehicles such vehicles could be integrated seamlessly into the urban Maglev transportation system.

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