铁路大型养路机械电气系统接地浅析

谷伟娴

【摘 要】本文介绍电气系统中接地的作用及接地类型，并对大型养路机械电气系统常用的PLC系统接地、屏蔽电缆屏蔽层接地及应急发电机的接地进行了详细的分析，并从分析和实际出发，给出大型养路机械电气系统接地的建议。

【关键词】铁路大型养路机械 电气系统 接地

【Abstract】This paper introduces the role and type of grounding system in electric system，and analyzes in detail above PLC system grounding，shielding cable shield grounding and the grounding type of emergency generator，which are commonly used in the large maintenance machinery，and form the point of analysis and practical，there are suggestions above grounding of electrical system in the large maintenance machinery.

【Key words】Large maintenance machinery of railway； Electrical system； Grounding

0 引言

在列车的长时间运行和自然条件作用下，铁路线路会发生形变或损坏，为确保列车运行安全，必须加强对铁路线路参数的检测、养护和维修工作。铁路大型养路机械即是代替人工对铁路线路进行检测、养护和维护的专用机械，是集机械、液压、气动、电气等技术于一体的高自动化的机械，针对不同的铁路养护要求及作业用途，有各式各样的不同功能的产品，按机械的功能可分为：捣固车、清筛车、稳定车、配碴车、钢轨打磨车、钢轨探伤车、轨道检测车、桥梁检测车、恒张力放线车、物料运输车、焊轨车等各种不同功能的养路机械。大型养路机械一般由以下部分构成：发动机系统、动力传动系统、走行系统、电气系统、液压系统、气动系统、检测装置及工作装置等。电气系统作为对其他系统的控制中心，其可靠性关系到整车是否能可靠工作，影响电气系统的可靠性除硬件本身、PLC程序编写等因素外，电气系统的接地会成为影响电气系统可靠性的重要因素。在养路机械调试过程或用户使用过程中产生时有时无的故障，很大原因都是因为接地存在问题。电气系统良好的接地，不仅是保证人身安全避免电击的防护措施，而且也是抑制干扰、减小电磁干扰、提高系统可靠性的重要方法，因此应给予电气系统的接地足够的重视。

1 接地的作用

將电气装置的某些导电部分，经接地线连接至地或电气装置中正常时不带电部分某点与地的人为连接都叫接地。此处的地可以是大地，也可以为电位参考地。根据接地的不同作用，分类如下[1]：

1.1 功能性接地

用于保证设备的正常运行，或是系统可靠而正确的实现其功能的接地。

1.2 保护性接地

以人身和设备的安全为目的的接地。保护接地根据其功能不同可细分为：保护接地、雷电防护接地、防静电接地、阴极保护接地。其中保护接地在大型养路机械中比较常见，即机械中的电气装置的外露导电部分，由于绝缘损坏有可能带电，为防止其危及人身和设备的安全而设的接地。

1.3 电磁兼容性接地

电磁兼容性是使器件、设备或系统在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中其他电气设备构成不能承受的电磁骚扰。为此目的所做的接地称为电磁兼容性接地。进行屏蔽是电磁兼容性要求的基本保护措施之一。

2 养路机械的电气系统的接地类型

养路机械整车的电气系统包含的主要元器件有：PLC（可编程控制器）系统、继电器、各种传感器、断路器、感应开关、电机、应急发电机及蓄电池等电气元器件。由于电气系统中包含着各种种类的元器件，对不同类型的元器件其接地方式也应有所不同。具体接地类型如下：

（1）直流地：直流供电电压的地。如蓄电池的负极。

（2）数字地：也叫逻辑地，是各种数字量信号的零电位。如PLC系统中数字量输入输出的地。

（3）模拟地：各种模拟量信号的零电位。如PLC系统中模拟量信号的地。

（4）信号地：传感器的地。如速度传感器、高度传感器、拉线传感器等传感器的地。

（5）工作地：继电器、感应开关和断路器等元器件的地。

（6）交流地：交流供电电源的地线，如应急发电机输出电压为220V/380V交流电源的地，交流地通常是会产生干扰的接地，应与其他接地分开。

（7）保护接地：以人身和设备的安全为目的的接地。如应急发电机出现相线搭接在发电机的外壳上，导致外壳带电，会对人有电击的危险，此时应对发电机外壳进行接地，且接地的PE线的芯线截面应与相线截面（相线芯线截面不大于16mm2）相等，并不得小于4mm2。

（8）屏蔽地：为防止静电感应和磁场感应而设的地。如液压油温传感器、柴油油位传感器等传感器的电缆为带屏蔽层的电缆，此屏蔽层应进行接地。

以上各种不同类型的接地，为了避免相互的干扰或影响，不应将不同类型的接地简单地、任意地接在一起，而是需将相同类型地接独立的接地子系统，在大型养路机械的电气箱体中可将相同类型的接地接到同一接地排上，不同的类型的接地分别接到不同接地排。

3 电气系统接地分析

大型养路机械电气系统中的电气元器件如继电器、感应开关、断路器等接地可不太费心的考虑其接地方式，可直接接至工作地即可。但PLC系统、传感器电缆屏蔽层的接地、应急发电机等的接地需仔细分析其结构或信号后才能确认其接地形式。

3.1 电气系统及PLC系统接地

电气系统的接地原则[2]，在工作频率在1MHz以下的低频系统中，应采用单点接地的方法；在工作频率高于10MHz的高频系统中，应采用多点接地的方法；工作频率在1MHz至10MHz之间的系统中，应采用混合接地，即对系统内的低频部分采用单点接地，而高频部分采用多点接地。

在大型养路机械中的电气系统大多数采用直流24V的电源系统，包括PLC电源及多数负载均为直流24V，为低频系统，应采用单点接地，单点接地方式也可分为：串联式单点接地、并联式单点接地。

串联式单点接地：将多个设备的接地端子串接后从最后的设备的接地端子接至接地极上。此种接地的优点：如多个设备在物理上距离比较近，能节省从设备至接地极的电缆。缺点：容易产生公共阻抗耦合的问题，且当某根串接线断开，断线后续设备会失去地，会造成设备工作不正常。

并联式单点接地：将多个设备的接地端子分别各自接至接地极。此种接地方式的优缺点与串联式单点接地相反。优点：某个设备的地线断开不影响其他设备，并且没有公共阻抗耦合和低频地环路的问题。缺点：较串联式浪费电缆。此接地方式最為简单且实用。

在大型养路机械电气系统中比较方便将PLC和各设备的接地均通过各自多芯电缆接至电气箱体内的不同的接地排上，然后通过接地线将接地排接至车体上（基准零电位）。

3.2 屏蔽层接地

大型养路机械电气系统中有众多的传感器，由于其信号为标准电压或电流的模拟量信号，其信号在传输过程中容易受到干扰，因此传输电缆一般采用带屏蔽层的电缆，对屏蔽层进行接地，防止外界电磁场对传输信号的干扰。但对不同用途的屏蔽层，有着不同的接地方式。对屏蔽线有单屏蔽层的接地方式可分为：屏蔽层单端接地、屏蔽层两端接地。

屏蔽层两端接地使电磁感应在屏蔽层上产生一个感应纵向电流，该电流产生一个与主干扰相反的二次场，抵消主干扰场的作用，使干扰电压降低，故两端接地对电磁干扰有较好的屏蔽作用。但两端接地存在两个问题：第一：当接地上出现短路电流或雷击电流时，由于电缆屏蔽层两点电位不同，使屏蔽层内流过电流，可能烧毁屏蔽层。第二：当屏蔽层内流过电流时，对信号芯线将产生干扰。屏蔽层单端接地不存在两端接地所存在的问题，并且对于通过电容耦合的电场干扰，单端接地可很大程度降低干扰电压，发挥屏蔽作用。但对于两层屏蔽层的电缆应内层屏蔽层单端接地，用于抑制干扰；而外层屏蔽层进行两端接地，用于保证人身和设备安全。

在大型养路机械中由于众多传感器的信号均为模拟量信号，宜采用单端接地，在电气箱体中将屏蔽层接至接地汇流排上。

3.3 应急发电机接地

在大型养路机械中，出于安全考虑，大部分电源及控制电压均为直流24V，但实际使用中也需要交流220V或380V电源，如应急泵、交流380V空调、插头等，因此在大型养路机械中均配置有应急发电机。对应急发电机的中性线和PE线接地方式不同也有着不同的保护方式，确保人身和设备安全。

低压系统接地制式按配电系统和电气设备不同的接地组合来分类，按照国标[3]规定，低压系统接地制式一般由两个字母组成，必要时可加后续字母。第一个字母表示电源接地点对地的关系：T表示直接接地，I表示不接地或通过大阻抗接地。第二个字母表示电气设备的外露导电部分与地的关系：T表示独立于电源接地点而直接接地，N表示直接与电源系统接地点相连接。后续字母表示中性线（N）与保护线（PE）间的关系：C表示中性线与保护线合并为PEN线；S表示中性线与保护线分开；C-S表示在电源侧为PEN线，从某点分开为N及PE线。

低压配电系统接地可分为TN、TT、IT三种形式，其中TN根据中心线与保护线关系可分为：TN-C、TN-S、TN-C-S。

由于大型养路机械中有需要用到交流220V的电源的设备，因此发电机不适合接成IT系统，如接为IT系统后，需要交流220V电源时，需增加380/220V的变压器，增加了成本，且规范中也不推荐IT系统接出中性线。如应急发电机接线形式为TN时，当电气设备外露可导电部分带电（相线碰外壳或设备绝缘损坏漏电）时，此电流会直接转化为短路电流，这个电流会很大，能使低压断路器或熔断器快速动作，使故障设备断电，比较安全。但存在如某个外壳带电时，在切断故障设备前，此电压会通过PE线传到至其他设备外壳，使外壳带电，扩大了可能危及人身安全的范围。如应急发电机接线形式为TT时，当电气设备的外露可导电部分带电，由于其外壳直接接地，极大减小对人身产生触电的危险，但由于此电流小，低压短路器或熔断器不一定会动作，此时应选用漏电保护器作为保护。

在大型养路机械中考虑人身和设备安全考虑，建议应急发电机的接地形式接为TT系统。

4 结束语

大型养路机械中的电气系统或其他领域的电气系统的接地技术看似简单，但实际上接地是一项非常复杂且没有完全清楚的工程。具有优良接地的电气系统不仅可以减少本系统对外辐射电磁污染，还可以抑制干扰，使电气设备稳定可靠的运行，减少系统莫名其妙的故障。所以，电气系统设计人员应对接地系统应该给予足够的重视，只要有足够的重视，会起到事半功倍的效果和良好的经济效益。

【参考文献】

[1]任元会.工业与民用配电设计手册[M].北京：中国电力出版社，2005.

[2]沈尚贤.电子技术导论[M].北京：高等教育出版社，1986.

[3]GB/T 50065-2011 交流电气装置的接地[S].北京：中国计划出版社，2011.

[责任编辑：朱丽娜]