- 頭條北交大學者提出磁懸浮列車碳纖維復合材料車體接地系統的設計方法2022-05-08 作者：蔡嬌、王舒瑾、張立偉 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語接地系統是影響磁懸浮列車運營安全的重要因素，磁懸浮列車的車體構造、軌道結構和受流方式與其他輪軌交通方式明顯不同，因此接地設計需特殊考慮。同時，隨著輕量化的碳纖維復合材料在磁懸浮車體上的應用，該車體變為不良導體，無法通過車體將需要接地的設備接入大地，從而使接地系統成為碳纖維車體設計中的一個難題。 基于此，北京交通大學信息中心、北京交通大學電氣工程學院、中車唐山機車車輛有限公司的研究人員蔡嬌、王舒瑾、張立偉 等，在2021年《電工技術學報》增刊2上撰文，分析碳纖維復合材料結構對車體接地回路的影響，在介紹磁懸浮列車主要接地技術分類后，針對碳纖維復合材料的車體結構，提出一套接地系統設計思路。后續在理論分析的基礎上用Maxwell仿真軟件搭建接地回路模型，仿真計算出車體接地回路電阻，最后分析接地回路中故障電流的分布以此評估接地系統的有效性。
隨著交通運輸行業對載運工具的安全性、舒適性和綠色節能性提出新的需求，輕量化設計已成為軌道交通車輛的重要發展方向之一。碳纖維復合材料由于具有高強度、低膨脹系數、熱容量小、比重小等特性，已成為車體輕量化設計的首選材料之一，應用碳纖維復合材料制造的車體具有質量輕、強度高、剛性大等特性，在有效地降低車體質量的同時，也提高了車體運行的平穩性和安全性。
磁懸浮列車作為當今軌道交通領域內的研究熱點，具有節能環保、舒適性高、適應能力強、安全性高等優點，本文將圍繞有供電軌的磁懸浮列車碳纖維復合材料車體展開后續討論。
在磁懸浮列車中，供電系統直接影響列車工作的安全性與可靠性，接地設計作為供電系統中重要的一環，在實際工程設計中意義重大。良好的接地設計不僅需要提供車輛故障電流回流路徑，同時還需考慮車輛電氣設備電磁兼容的需求。
各種車輛裝置、電氣設備、屏蔽設備等需保持低阻抗連接到車體金屬框架，以此來限制電路之間的共模電壓，提高系統的抗干擾度，減小電磁輻射對車上其他設備的影響，這對保證列車的安全穩定運行和車上電氣設備的正常工作以及車內人員的人身安全起到至關重要的作用。
磁懸浮列車牽引網系統由正極接觸軌（供電軌）和負極接觸軌（回流軌）組成，正、負極接觸軌分布在軌道兩側，與地絕緣，通過正極接觸軌向車輛供電，負極接觸軌回流，列車的車體構造、受流方式和軌道結構與其他輪軌交通存在明顯差異，對車輛的接地系統、電磁兼容提出了新的需求。
為了進一步提高磁懸浮列車的承載能力，并加強磁懸浮列車的輕量化、可靠性和安全性等性能，采用碳纖維復合材料作為車體結構材料。但碳纖維復合材料由于組成方式、成型工藝等客觀因素影響，與鋁合金等金屬材料相比，板材在成型后，其電導率、磁導率等電磁特性產生了一定程度的變化，可能造成車體的磁場屏蔽效能、電場屏蔽效能、接地阻抗、靜電保護、雷擊防護等電磁兼容性能的減弱，導致通信紊亂、控制失靈、設備故障等異常工作狀態，因此需要重新考慮車體接地和電氣設備接地問題。
由于碳纖維復合材料結構具有低電導率、高導熱性特質，不適宜直接作為電流回路接地使用。北京交通大學的科研人員提出把碳纖維復合材料與金屬框架組合形成車身整體，以此為列車提供連續良好的接地回路系統，在結構設計上，將車內外故障時可帶危險電壓的電氣設備通過銅帶與銅質導線搭接到車體鋁合金框架上，故障電流經車體接地回路后通過接地裝置匯流到大地，避免了對其他人員或設備造成嚴重危害。
圖1 車體接地回路仿真模型
他們首先分析了碳纖維復合材料結構對車體接地回路的影響，介紹了磁懸浮列車主要接地技術分類，繼而分析采用碳纖維復合材料后的車體接地系統中接地參考平面材料與搭接件的選擇，提出一套適用于磁浮列車碳纖維車體的接地回路設計，用Maxwell軟件搭建了車體接地回路模型，仿真計算車體接地回路電阻并分析了回路中接地電流的分布，以此驗證接地系統的可靠性。
研究人員最后得出結論：通過合理布置磁懸浮列車碳纖維車體接地回路通路，可以有效保護各電氣設備和車上乘客安全，使磁懸浮列車安全穩定地運行。
本文編自2021年《電工技術學報》增刊2，論文標題為“磁懸浮列車碳纖維復合材料車體接地系統設計”，作者為蔡嬌、王舒瑾 等。
