巴西里約地鐵牽引系統(tǒng)回流與軌道電路信號系統(tǒng)電磁兼容性測試

趙 強，王金田，楊晨輝，段洪亮，王海瑞

（長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

巴西里約地鐵牽引系統(tǒng)回流與軌道電路信號系統(tǒng)電磁兼容性測試

趙 強，王金田，楊晨輝，段洪亮，王海瑞

（長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

在對巴西里約地鐵1A線牽引系統(tǒng)及地面信號系統(tǒng)工作原理進行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，確定了牽引系統(tǒng)回流與信號系統(tǒng)電磁兼容性影響的測試方法，并且通過現(xiàn)場動態(tài)及試驗室靜態(tài)測試驗證了巴西地鐵交流牽引不平衡電流在單列車運行時所產(chǎn)生的諧波成分對地面信號系統(tǒng)的影響在允許范圍內(nèi)。

牽引回流；電磁兼容性（EMC）；軌道電路

列車牽引系統(tǒng)回流與軌道電路信號系統(tǒng)的電磁兼容性問題一直是車輛制造商及運營商極為關(guān)注的問題，各個國家的信號系統(tǒng)、列車無線及其他鐵路系統(tǒng)（輪軸計數(shù)器、軌道電路、列車控制系統(tǒng)等）在工作頻率和波形上各有不同［1］，針對不同國家及地區(qū)應(yīng)用的不同制式的信號系統(tǒng)，臨界頻率和最高電平應(yīng)在用戶及制造商協(xié)議中加以規(guī)定［2］，同時在進行理論分析證明的同時必須通過有效的、切實可行的EMC測試加以數(shù)據(jù)分析予以驗證確認(rèn)。

1 問題說明

巴西里約地鐵現(xiàn)在的信號系統(tǒng)由兩種軌道電路組成，一個是阿爾斯通公司的音頻無絕緣軌道電路（CVCM），另一個是英國通用電氣公司生產(chǎn)的繼電器觸發(fā)閉路式軌道電路（REED）。REED信號系統(tǒng)和CVCM信號系統(tǒng)的工作原理基本相同，但工作頻率和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有所不同。REED的工作頻率范圍在350～520 Hz之間，其工作頻率分別為：375，378，381，384，387，500，503，506 Hz，其工作電流為150～200 m A；CVCM的工作頻率范圍在8.2～12.3 k Hz，其工作頻率分別為：8.2，8.6，9.2，10.0，10.6，11.0，12.3 k Hz，其工作電流約為50 m A。

長春軌道客車股份有限公司制造地鐵牽引系統(tǒng)采用三相交流逆變器控制的交流電機，牽引變流器使用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)達(dá)到要求的波形，PWM模式由微處理器或者可編程邏輯予以在線生成，其切換頻率范圍是300～600 Hz，牽引變流器配備的內(nèi)部時基允許其在非常高的功率水平下在零和數(shù)百赫茲之間生成任何頻率處于保持狀態(tài)的線電流（即牽引回流），經(jīng)仿真分析確定結(jié)果高達(dá)1.8 A，單機測試結(jié)果在375 Hz這個頻段上高達(dá)895 m A。由于牽引回流經(jīng)回流線連至列車的輪軸至鋼軌，而信號系統(tǒng)的系統(tǒng)信號傳輸是以鋼軌傳輸介質(zhì)進行傳輸?shù)?，且REED信號系統(tǒng)的工作電流也僅有150～200 m A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于895 m A，由此判斷牽引系統(tǒng)回流與信號系統(tǒng)可能會產(chǎn)生電磁兼容性影響。

2 實施測試

解決電磁兼容問題的關(guān)鍵就是測試，只有通過現(xiàn)場實際測試才能驗證是否會造成電磁兼容性影響［3］。結(jié)合巴西地鐵項目電磁兼容性問題關(guān)鍵3要素，干擾源——牽引系統(tǒng)回流、耦合途徑——軌道電路，敏感設(shè)備——信號系統(tǒng)，以信號系統(tǒng)為核心接口確定了牽引系統(tǒng)對REED系統(tǒng)的干擾電流測試及REED軌道電路的電磁抗擾度測試方法，相關(guān)試驗同時在試驗室和現(xiàn)場進行?，F(xiàn)場試驗同時使用了長、短軌道電路，并進行了運營中軌道電路電流門限值的模擬和檢測。在試驗室的試驗中，運用了REED的發(fā)射和接收電路，模擬現(xiàn)場的一些條件和表現(xiàn)。

2.1 測試配置

根據(jù)巴西地鐵信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及REED電路具體特點，頻譜分析儀選擇安捷倫N9020A型，其頻率覆蓋范圍從20 Hz到13.6 GHz，同時具有最大保持工作模式以保證能夠?qū)崟r采集到最大工作電流，配備標(biāo)準(zhǔn)的20 dB衰減器接頭。具體測試配置見圖1。

圖1 牽引系統(tǒng)對REED系統(tǒng)的干擾電流測試配置圖

信號系統(tǒng)的抗干擾電流測試，需要模擬REED信號系統(tǒng)信號，因此選用了Solar 8850－2型DC－15 MHz的函數(shù)發(fā)生器，同時考慮到需要利用磁場耦合效應(yīng)將干擾電流耦合到信號系統(tǒng)的初級線圈接收端，因此采用了Solar 6220－1A型50 A的耦合變壓器來實現(xiàn)此功能。此外，測試針對的是電流，選用Solar 7144－1.0/10.0型1.0/10Ω，80 W的精密電阻串聯(lián)于信號系統(tǒng)輸入端的初級線圈中，并采用Tektronix TDS3032B型示波器監(jiān)控其兩端電壓。具體測試配置連接見圖2。

圖2 REED信號系統(tǒng)的電磁抗擾度測試配置圖

2.2 測試方法說明

（1）牽引系統(tǒng)對信號系統(tǒng)干擾電流的測試

為確保牽引系統(tǒng)回流在信號系統(tǒng)工作頻率上達(dá)到最大值時予以測試，此時列車需要達(dá)到AW3的載荷狀態(tài)，經(jīng)由第3軌供電列車應(yīng)保持最大輔助載荷；更為重要的是在測試中需考慮到列車的不同工作條件，列車需要如圖3所示進行兩種模式測試：一種是現(xiàn)有列車以最大加速度加速穿過B區(qū)域然后保持勻速（22 km/h）直到整個列車離開B區(qū)域，最后在整個列車駛出B區(qū)域減速制動并停止；另一種是現(xiàn)有列車在駛?cè)隑區(qū)域前加速至22 km/h，然后保持該速度一段時間，最后減速靜車在B區(qū)域，通過以上2種運行方式以保證對信號系統(tǒng)接收端及發(fā)送端的干擾都予以充分考慮。

圖3 牽引系統(tǒng)對軌道電路的干擾電流測試列車運行狀態(tài)圖

測試針對使用的頻譜分析儀需要定義頻率寬度（FRBW）、掃描時間（ST）以及檢測模式。在這項測試中，定義了牽引系統(tǒng)在信號系統(tǒng)工作頻率375 Hz仿真及單機測試最大的頻率為測試頻率，最小的ST由FRBW確定。峰值檢測模式和“最大保持”功能進行了施加，這項功能使我們可以選擇在確定的時間間隔內(nèi)每個頻率測試的最大等級。在“最大保持”功能下，光譜每2 s存儲一次。400～600 MHz，10 min收集的范圍，并且電壓為DC 1 500 V。按照上述說明進行測試，使用兩個頻譜分析儀以相同的100 k Hz FRBW通過電流鉗連接至信號系統(tǒng)輸入端的初級耦合線纜上，見圖4。

圖4 干擾電流測試現(xiàn)場設(shè)備布置圖

（2）REED信號系統(tǒng)的抗干擾電流的測試

REED信號系統(tǒng)的抗干擾電流測試在里約地鐵總部的REED試驗室中進行。試驗室中REED軌道電路初級線圈和次級線圈均在混合線圈中，模擬REED信號系統(tǒng)實際工作情況。REED信號系統(tǒng)設(shè)備和模塊組成如圖5所示。

圖5 REED信號系統(tǒng)設(shè)備及模塊組成實物圖

REED試驗室的軌道電路接收器由軌道濾波器，接收放大器，REED濾波器和繼電器組成。REED濾波器的頻率帶寬響應(yīng)非常窄，帶寬為1 Hz。假設(shè)每個REED軌道電路對濾波器的頻率響應(yīng)都是一致的，僅中心頻率時是不同的。該測試選擇375 Hz的REED軌道電路。

測試執(zhí)行中，首先斷開發(fā)射機，將繼電器設(shè)置為“拉低”狀態(tài)，使其處于占用狀態(tài)，音頻信號源調(diào)至中心頻率375 Hz，增加施加的信號功率直到REED在該頻點上出現(xiàn)敏感現(xiàn)象，觀察該敏感現(xiàn)象，若繼電器被“抬高”，則軌道電路會在占用狀態(tài)下顯示清零，則視為敏感，從示波器記錄敏感電流值，并存儲數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析及討論

通過牽引系統(tǒng)對信號系統(tǒng)干擾電流的測試，測試環(huán)境是387 Hz的REED軌道電路，非?？拷贑olegio（車站名）和Iraja（車站名）之間的阻抗軌隙連接器。測試條件包括：列車需要具備AW3的載荷狀態(tài)；列車保持最大輔助負(fù)載（HVAC、照明等）；列車需按如圖3所示進行兩種運行模式測試。

測試時，司機在運行過程中很難將速度維持在一個定值，列車的速度近似等于22 km/h。可以確定的是測試過程中，列車加速行駛階段保持最大加速度。

圖6和圖7為兩種運行模式下的測試結(jié)果。在運行模式1中，在374.76 Hz時，最大干擾電流為30.9 d BμA。在運行模式2中，在377.7 Hz時，最大干擾電流為22.609 dBμA。

圖6 牽引系統(tǒng)對REED系統(tǒng)的干擾電流在運行模式1條件下的測試數(shù)據(jù)

從頻譜儀測得是經(jīng)衰減器衰減和電流探頭阻抗變換后的電壓值，故低壓回流線電流ILac（dBμA）為

動車高壓回流線電流IHac（d BμA）為

本測試采用的衰減器衰減系數(shù)為S＝60 d B，d BμA變換為m A：

列車為6小節(jié)車廂，每節(jié)車廂有2個低壓回流線和2個高壓回流線，所以，列車分別有12個低壓和高壓回流線。列車產(chǎn)生的總干擾電流可以粗略地用式（4）表示：

根據(jù)上式，測試結(jié)果在分辨率帶寬選擇為10 Hz條件下，375 Hz頻點的干擾電流為最大干擾電流1 380.8 m A。

圖7 牽引系統(tǒng)對REED系統(tǒng)的干擾電流在運行模式2條件下的測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

為了確認(rèn)牽引系統(tǒng)回流對信號系統(tǒng)的電磁兼容性影響程度，對牽引系統(tǒng)回流對信號系統(tǒng)的干擾電流和REEDREED信號系統(tǒng)的抗干擾電流的測試結(jié)果進行了對比分析。REED接收器初級線圈的最大干擾電流應(yīng)小于列車的最大傳導(dǎo)電流，最大干擾電流可在列車制動減速或已加速至70～80 km/h時測得。分辨率帶寬為1 Hz時軌道電路的最大電流值（大約為441 m A的三分之一）要遠(yuǎn)小于分辨率帶寬為1 Hz時列車受流器上的最大傳導(dǎo)電流值389 m A。在REED試驗室中，頻率為375 Hz的最小敏感電流值為615 m A。當(dāng)初級線圈的干擾電流超過615m A的電流閾值時，列車?yán)^電器會錯誤的進入拉高狀態(tài)，軌道電路會在被占用時顯示空車信息。在1 k Hz到20 k Hz頻率范圍內(nèi)，CVCM軌道電路的最大干擾電流為2.2 m A，比要求的50 m A的傳導(dǎo)限值要小很多，并且CVCM軌道電路在100 m A的干擾電流下不會發(fā)生敏感。

［1］ EN 50121－3－1.鐵路應(yīng)用－電磁兼容性－第3－1部分：鐵路車輛－列車和整車［S］.2006.

［2］ IEC 61133.Electric traction－rolling stock－Test Method for electric and thermal/electric rolling stock on completion of construction and before entry into service，MOD［S］.1992.

［3］ V.Deniau，N.Ben Slimen，S.Baranowski，H.Ouaddi，J.Rioult和N.Dubalen，“影響鐵路通訊系統(tǒng)安全的EM干擾”［C］.電磁系統(tǒng)可靠性討論會，法國巴黎.2007，05.

EMC Measurements in Brazil for Traction Return Current between Track Circuit Signal Systems

ZHAO Qiang，WANG Jintian，YANG Chenhui，DUAN Hongliang，WANG Hairui
（Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China）

On the basis of detailed analysis of the working principle of traction system and the ground signal system in Rio Brazil Metro Line 1A，this paper illustrated the EMC measurement method of traction system between signal systems.Through static test in laboratory and dynamic test at spot verified that the Brazil train＇s ac traction system unbalanced harmonic current are within the permissible range when a single train operated and can＇t influenced the signal system on the ground.

traction return current；EMC；track circuit

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.12

1008－7842（2014）01－0059－04

?）男，高級工程師（

2013－08－29）