高速動車組的電磁干擾源淺析

于曉丹 沙 斐

[摘 要]電磁干擾以多種形式存在于高速動車組的內(nèi)部和外部空間,使得高速動車組的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜。本文主要分析了高速動車組的電磁干擾源及其形成原因和抑制措施。

[關(guān)鍵詞]高速動車組電磁干擾不平衡電流受電弓接觸網(wǎng)

[中圖分類號]U270.383 [文獻標識碼]A [文章編號]1007-9416(2009)11-0094-02

1 引言

高速列車內(nèi)部集中了多種電子電氣設(shè)備和電纜線束,使得強電和弱電信號相互交織。由于高速列車電磁環(huán)境的復(fù)雜,高速動車組電磁兼容性問題日益顯著。因此,高速列車電磁干擾源的研究變得越來越重要。

2 電磁干擾源的基本概念

2.1 電磁干擾的定義及三要素

電磁騷擾是任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或?qū)τ猩驘o生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁干擾是電磁騷擾引起的設(shè)備、轉(zhuǎn)輸通道或系統(tǒng)性能的下降?？梢?電磁騷擾僅僅是客觀存在的一種電磁現(xiàn)象,它可能引起降級或損害。而只有在影響敏感設(shè)備正常工作時才構(gòu)成“電磁干擾”。任何電磁干擾的形成都要具備三個基本要素:電磁干擾源,耦合途徑和敏感設(shè)備,如圖1所示。

2.2 電磁干擾源的分類

電磁干擾源的種類繁多,通常電磁干擾源可分為自然干擾源與和人為干擾源。如雷電和靜電放電(ESD)是自然干擾源。任何電氣電子設(shè)備都有可能成為電磁干擾源。

另外,從電磁干擾屬性來分,可分為功能性干擾源和非功能性干擾源。功能干擾源是指設(shè)備實現(xiàn)功能過程中造成對其他設(shè)備的直接干擾;非功能性干擾源是指用電裝置在實現(xiàn)自身功能的同時伴隨產(chǎn)生的副作用,如開關(guān)通斷產(chǎn)生的電弧放電。從電磁干擾信號頻譜寬度,可分為寬帶干擾源和窄帶干擾源。從電磁干擾的傳輸方式,可分為傳導(dǎo)干擾源和空間干擾源。

3 基于高速動車組的電磁干擾源分析

在高速動車組復(fù)雜的電磁環(huán)境中,動車組不僅是潛在的被干擾對象同時也是干擾源。動車組作為干擾源會對鐵路信號系統(tǒng)、無線電廣播等數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生影響;同時動車組也會受列車系統(tǒng)外部干擾源與機車內(nèi)部設(shè)備間相互干擾的影響。

3.1 基于高速動車組的電磁干擾源

高速動車組運行中,很容易受到列車系統(tǒng)以外的其他設(shè)備、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象的干擾,高速動車組系統(tǒng)外部的電磁干擾源包括:

(1)自然干擾源:如雷電能夠造成電氣化設(shè)備發(fā)生短時間停電甚至列車斷電。

(2)空間電磁波的輻射干擾:例如,列車運行時易受到附近大功率廣播發(fā)射機帶來的強電磁波的輻射干擾。

(3)列車不平衡牽引電流造成的諧波干擾。

(4)列車受電弓滑過接觸網(wǎng)時由于跳動或接觸不良火花放電產(chǎn)生的脈沖干擾。

同時,高速動車組也會受到機車內(nèi)部電磁干擾的影響,內(nèi)部電磁干擾是指機車內(nèi)部各設(shè)備、元件之間的互相干擾,包括:

(1)工作電源通過線路的分布電容和絕緣電阻產(chǎn)生漏電以及造成的干擾。

(2)信號通過地線、電源和傳輸導(dǎo)線的阻抗互相耦合造成的干擾。

(3)開關(guān)的通斷操作引起的瞬變、高頻干擾,直接向空間輻射干擾其他敏感設(shè)備。

本文主要介紹了兩種典型電磁干擾源的形成原因和抑制措施,即弓網(wǎng)離線造成的脈沖干擾和不平衡牽引電流帶來的諧波干擾。

3.2 弓網(wǎng)離線造成的脈沖干擾

在電氣化鐵路系統(tǒng)中,弓網(wǎng)“離線”造成的電弧放電是一種普遍現(xiàn)象,尤其在高速、重載的情況下更為突出。而電弧放電造成的電磁干擾,既可以是傳導(dǎo)干擾也可能是輻射干擾,特別是設(shè)備直接由火車的電源上直接供電時,發(fā)生傳導(dǎo)干擾的可能性更大。如果是傳導(dǎo)干擾可以用電源濾波器隔離設(shè)備和火車的電源。如果是輻射干擾可以就屏蔽敏感設(shè)備。

可見,弓網(wǎng)離線造成的電弧放電火花是一種重要的電磁干擾源,降低弓網(wǎng)的離線率能夠有效地抑制電弧的產(chǎn)生。

3.2.1 弓網(wǎng)離線的形成原因

(1)受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)振動不匹配引起弓網(wǎng)離線

在列車的高速運行中,接觸網(wǎng)和受電弓是一對動態(tài)振動系統(tǒng),且各自有自己的固有振動參數(shù)。當弓網(wǎng)振動不匹配時,可能造成受電弓滑板與接觸導(dǎo)線發(fā)生機械脫離,即弓網(wǎng)“離線”現(xiàn)象,并伴電弧放電。

(2)導(dǎo)線不平順引起弓網(wǎng)連續(xù)離線

受電弓受到導(dǎo)線不平順擾動后,弓網(wǎng)會產(chǎn)生劇烈的振動,造成弓網(wǎng)的連續(xù)離線。弓網(wǎng)的長時間連續(xù)離線會加速離線火花和電弧的產(chǎn)生,并引起強烈傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。通常,導(dǎo)線的不平順是由于接觸線施工放線操作不當造成的。

3.2.2 弓網(wǎng)離線的抑制措施

對于受電弓—接觸網(wǎng)系統(tǒng)振動不匹配帶來的弓網(wǎng)“離線”現(xiàn)象,可以通過提高接觸導(dǎo)線的波動傳播速度、改善接觸網(wǎng)的定位點結(jié)構(gòu)、改善受電弓的隨動性等方法加以改善,盡量使受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)達到匹配振動。

在接觸網(wǎng)的放線過程中,應(yīng)盡量防止導(dǎo)線扭曲或折彎,特別是要注意由于施工人員的踩踏而造成接觸網(wǎng)導(dǎo)線的扭曲或折彎。從而消除導(dǎo)線不平順引起的弓網(wǎng)“離線”現(xiàn)象。

3.3 不平衡牽引電流造成的諧波干擾

隨著列車運行速度的提高,牽引電流也隨之加大,伴隨著不平衡電流的加劇。可見,不平衡牽引電流造成的諧波干擾是軌道電路接收設(shè)備的直接干擾源。

3.3.1 不平衡牽引電流的形成機理

牽引電流總要經(jīng)過扼流變壓器、鋼軌及大地流回變電所,且與信號電流共用一段鐵軌返回變電所的。理論上,由于扼流變壓器的兩個線圈匝數(shù)相等(阻抗相等),兩根鋼軌的長度相等(鋼軌阻抗相等),所以兩根鋼軌上通過的牽引電流應(yīng)是相等的。在實際中,由于鋼軌接續(xù)線接觸不良,就會形成不平衡電流,在變壓器次級產(chǎn)生感應(yīng)電壓,牽引電流不平衡造成的這個感應(yīng)電壓,會通過傳導(dǎo)方式直接侵入軌道電路的回路并干擾其敏感設(shè)備。

3.3.2 不平衡牽引電流的抑制措施

不平衡牽引電流中所含有的高次諧波成分,通過各種耦合方式,既可能是共地線耦合、線間串擾等方式,也有可能是空間輻射被天線或電纜接收而竄入機車內(nèi)部設(shè)備。

對于諧波干擾的共地線耦合方式,通常采用隔離變壓器、共模扼流圈和光電耦合器來抑制諧波形成的地環(huán)路干擾。

串擾是兩條信號線之間的耦合,可分為電容性耦合和電感耦合兩種方式。

容性耦合就是由于在兩根導(dǎo)線間形成了一個寄生電容,這個電容使一根導(dǎo)線的能量能夠耦合到另一根導(dǎo)線上而出現(xiàn)的耦合方式。抑制電容性耦合的方法有:減小線間電容;盡量避免導(dǎo)線平行走線;屏蔽干擾源,且屏蔽體要良好接地。

電感耦合是因為一根導(dǎo)線上的電流發(fā)生變化,引起周圍磁場變化,這時處在該變化磁場中的另一導(dǎo)線上就會感應(yīng)出相應(yīng)的電動勢,從而使一根導(dǎo)線的信號耦合進了另一根導(dǎo)線中的耦合方式。抑制電感性耦合的方法有:減小互感,進而減小耦合干擾;對干擾源進行屏蔽。

4 結(jié)語

高速動車組電磁環(huán)境的日益復(fù)雜使電磁干擾問題凸現(xiàn)重要。只有具體分析干擾源的形成機理,區(qū)分對待不同的電磁干擾源,才能最大限度且有效地降低高速動車組的電磁干擾。

[參考文獻]

[1] 沙斐.機電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù),北京:中國電力出版社,1999.

[2] 楊君,苑豐彪.高速動車組電磁兼容性設(shè)計研究.機車電傳動,2009(2):13-16.

[3] 韓通新.弓網(wǎng)受流中出現(xiàn)連續(xù)火花的原因分析.鐵道機車車輛,2003(3):58-61.

[4] 陳麗華,駱開源,張秀峰.牽引供電系統(tǒng)中的電磁兼容性問題,鐵道建筑技術(shù),2006(6):64-66.