地鐵軌道回流諧波測試與分析

劉兆青，胡文斌，胡 陽，呂建國

地鐵軌道回流諧波測試與分析

劉兆青，胡文斌，胡 陽，呂建國

實測南京地鐵一號線金馬路—仙鶴門站的軌道回流值，從列車防護系統(tǒng)ATP濾波頻點要求出發(fā)，給出分析軌道回流諧波成分中對ATP濾波頻點影響較大的諧波分析方法。最后，結合數(shù)據(jù)分析結果，提出列車運行工況會對軌道回流諧波產(chǎn)生影響。

軌道回流；諧波；ATP；濾波頻點

0 引言

電力牽引區(qū)段的兩條鋼軌，既作為軌道電路傳輸信息的通道，又作為牽引電流的回歸通路。牽引電流回流在1 000 A左右，屬于強電系統(tǒng)，而軌道電路的信號量級較小，屬于弱電系統(tǒng)。這兩種不同性質的電流在同一鋼軌線路中傳輸，因牽引電流中諧波含量豐富，會干擾軌道電路的正常工作。

列車超速防護系統(tǒng)ATP起著維護列車安全的作用，實現(xiàn)超速防護的功能，目前 ATP系統(tǒng)大都使用軌道電路作為通信信號傳輸工具，使用音頻軌道電路作為信息傳輸方式，對于列車 ATP系統(tǒng)來說，雖然可靠性極高，但2006年4月25日上午發(fā)生在日本兵庫縣尼崎市的列車出軌事故表明該系統(tǒng)中列車超速防護系統(tǒng) ATP中存在極小的不安全因素，因此有必要找出會導致不安全行車的各種影響因素。

1 國內相關技術研究現(xiàn)狀

國內外已經(jīng)有人對于軌道回流及諧波進行研究，文獻[1]提出交-直-交型機車產(chǎn)生的諧波雖然消除了低頻帶的諧波，但卻產(chǎn)生了高頻帶諧波，在機車啟動、爬坡、制動等調節(jié)過程中，諧波含量還會增大，且牽引供電系統(tǒng)中諧波含量豐富。文獻[2]指出交-直-交動車組，總諧波含量小，但頻譜較寬，高頻諧波含量較高。文獻[3]指出，研究電力牽引對軌道電路傳輸系統(tǒng)的影響，切入點應該是在列車運行間，由于電源波動、整流件換向、大負載變化、列車啟動或制動、供電臂切換、車輛逆變等產(chǎn)生諧波影響。文獻[4]通過對正反向牽引時騷擾電流曲線采用典型的二階指數(shù)衰減模型和Allomericl模型進行擬合，得到模擬曲線，通過與實測曲線對比指出軌道騷擾電流峰值隨著頻率的升高而迅速衰減。文獻[5]通過分析高速鐵路列車超速防護系統(tǒng)ATP對軌道電路信息和傳輸?shù)囊筇岢?，牽引電流諧波干擾隨著諧波次數(shù)的增加，其能量將大大下降，從抗干擾角度來看，頻率越高，干擾量將越小，但對軌道電路傳輸越不利。

以上文獻提及軌道電力牽引中高頻諧波成分但并未具體分析高次諧波。因此本文通過實測南京地鐵一號線軌道回流值，再將其值通過 FFT算法處理，分析出其中所含各次諧波的幅值，將其與列車超速防護系統(tǒng)ATP濾波頻點與電流限值做對比，并得出軌道回流諧波對ATP信號傳輸?shù)挠绊懛治觥?/p>

2 軌道回流測試方法與測量原理

2.1 牽引供電系統(tǒng)及軌道回流諧波來源

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)首先從地方發(fā)電廠經(jīng)高壓輸電線路引入牽引變電所，然后由鐵路牽引變電器經(jīng)饋電線和接觸網(wǎng)從機車受電弓引下供給電力機車，再通過回流軌，大地或回流線返回牽引變電所。電力機車內的牽引傳動系統(tǒng)由受電弓、牽引變壓器、脈沖整流器、中間環(huán)節(jié)、牽引逆器、牽引電動機與齒輪傳動組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。其中牽引變壓器、牽引變流器和電動機等非線性器件是主要諧波干擾源。另外地鐵動力照明系統(tǒng)中普遍采用的各種變頻裝置，非線性的電光源、UPS等會產(chǎn)生大量諧波，而且在機車啟動、爬坡、制動等調節(jié)過程中諧波含量還會增大?？傊?，在地鐵運行過程中，牽引電力系統(tǒng)軌道回流中會流過各種各樣種類豐富的諧波。

圖1 機車牽引傳動系統(tǒng)示意圖

2.2 測試方法

對南京地鐵一號線在100%牽引工況下鋼軌上牽引回流的電流值進行實測分析，測試采用羅氏環(huán)檢測電流值，瞬態(tài)記錄儀設置200 kHz頻率記錄測試值。測試系統(tǒng)接線如圖2所示。

圖2 地鐵車輛在線EMC測試系統(tǒng)接線圖

2.3 測量原理

測量采用羅氏線圈測量電流值，羅氏線圈測量電流的理論依據(jù)是電磁感應定律和安培環(huán)路定律。當被測電流i通過Rogowski線圈時，在線圈出線端感應出電勢e，e與初級電流i的變化率di/dt成比例。當繞在線圈上的線匝分布均勻時，Rogowski線圈每單位長度dl上的線匝上所交鏈的磁鏈d?為

式中，N為線圈的匝數(shù)；l為圓環(huán)的平均周長；B為線圈軸線方向上的磁感應強度；A為每匝的橫截面積。

則總的線圈所交鏈的磁鏈為

又因為B = μ0H，其中，μ0為真空磁導率；H為磁場強度，則式（2）可表示為

根據(jù)全電流定律，磁場強度 H沿任意封閉輪廓的線積分等于穿過這封閉輪廓所限定面的電流，即H ∫dl = i，故得：

且感應電動勢為

要想使 i(t)準確還原，必須加一個反相積分電路。因Rogowski線圈感應出的電壓很小，在積分器后面需加一放大電路將其放大。積分是一個非常重要的環(huán)節(jié)，被還原的信號非常小，為方便測量，先將信號放大再積分，這樣可以增大還原信號，且電容的存在可以過濾掉不必要的干擾[6]。

2.4 測試結果

通過實測南京地鐵一號線回流電流值，采用瞬態(tài)記錄儀以200 kHz頻率記錄數(shù)據(jù)值。其中金馬路—仙鶴門區(qū)間的測量結果如圖3所示。

3 列車運行超速防護系統(tǒng)

列車超速防護系統(tǒng) ATP是列車自動控制系統(tǒng)ATC的子系統(tǒng)之一，可以自動檢測測量列車的位置和實現(xiàn)列車間隔控制，以滿足規(guī)定的通過能力，連續(xù)監(jiān)視列車的速度，實現(xiàn)超速防護。超速防護系統(tǒng)ATP車載設備包括車載安全計算機VC、速度傳感器、軌道信息接收模塊STM及其接收天線、應答傳輸模塊BTM及其接收天線、人機界面DMI以及其他一些設備接口。其中軌道信息接收模塊 STM用于接收軌道電路信息，STM天線安裝在列車底部，利用電磁感應接收軌道上的電氣信息，并傳送到STM，STM確定載波之后將解調信息，并傳送給安全計算機[7]。為保證其信息的安全有效傳輸，需要對某些高頻次諧波作特殊限制要求。南京地鐵運營公司給出了軌道回流諧波中 ATP濾波頻點限值要求，見表1。

圖3 南京地鐵一號線金馬路—仙鶴門站間軌道回流電流值測量結果圖

表1 南京地鐵1號線ATP濾波頻點與電流限值表

4 回流諧波分析及對ATP的影響分析

采用 FFT算法，將測得的時域上的軌道回流值轉換在頻域上進行諧波分析。在實測南京地鐵一號線過程中，瞬態(tài)記錄儀設置的采樣頻率為200 kHz，每秒將會記錄200 k個數(shù)據(jù)，金馬路—仙鶴門運行時間為2 min 20 s，在整個運行期間將會記錄28×106個數(shù)據(jù)，顯然不可能對每個數(shù)據(jù)都進行FFT分析。采用按時間抽取的方式進行FFT算法設計，設置采樣頻率為200 kHz，窗口長度為16，采樣每秒的前216個點數(shù)做FFT轉換分析。以犧牲精確度換取處理速度，在誤差允許的范圍內可以認為是合理的。為便于表述，記表1中，各頻率為FAk(k=1…12)，電流限值為 IAk(k=1…12)，即 FA1 = 4 750 Hz，IA1= 170 mA；FA2= 5 250 Hz，IA2= 170 mA；…以此類推。記IBk(k=1..12)為經(jīng)過FFT算法處理后的諧波幅值。程序流程如圖4所示。

圖4 基于FFT算法的軌道回流諧波分析程序流程圖

經(jīng)分析得到列車在整個站間運行期間，IBk(k=1..12)最大時的輸出如表2所示，其中T′(n)為最大值對應出現(xiàn)的時間段。將其與 ATP濾波限值用圖形作比較，見圖5。

表2 南京地鐵1號線ATP濾波頻點諧波最大值與限值表

圖5 諧波電流最大值與限值比較曲線圖

從表 2與圖 5可以看出，在 10 500 Hz與11 500 Hz處出現(xiàn)諧波幅值超過限值的情況，因此對這2個頻點在列車整個運行期間諧波幅值繪圖，如圖 6、圖 7所示，進一步確認 10 500 Hz和11 500 Hz在列車整個運行區(qū)間諧波幅值出現(xiàn)超過限值的次數(shù)。從圖中可以得到，11 500 Hz諧波幅值超過限值的次數(shù)很少。而10 500 Hz諧波幅值在80～95 s之間超過限值的次數(shù)較多，結合列車運行速度曲線圖發(fā)現(xiàn)列車此時處于制動減速行駛狀態(tài)，需加強此時對ATP安全穩(wěn)定性的考慮。

圖6 整個站間10 500 Hz幅值變化曲線圖

圖7 整個站間11 500 Hz幅值變化曲線圖

5 結語

本文結合南京地鐵一號線對超速防護系統(tǒng)ATP濾波頻點要求，實測金馬路—仙鶴門站軌道回流，采用FFT算法分析軌道回流諧波中ATP要求的濾波頻點，得到10 500 Hz與11 500 Hz頻率幅值超過限值，其中多次出現(xiàn)10 500 Hz諧波幅值超過限值，結合列車運行速度曲線圖猜測可能是列車在制動減速運行時，出現(xiàn)了對 ATP信號傳輸有影響的諧波，此時需加強注意ATP的安全運行情況。因諧波來源復雜，測試條件和本人知識有限等因素，本文僅給出軌道回流的測試方法，以及結合列車防護系統(tǒng) ATP濾波頻點的要求，給出一種分析特定諧波是否會對ATP信號傳輸產(chǎn)生影響的方法。猜測列車運行狀態(tài)可能是使某些特定諧波幅值超過限值的因素，尚未分析這些幅值超過限值的諧波對ATP的具體影響，還有待繼續(xù)研究。

[1] 王奇.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振仿真研究[D]. 西南交通大學，2009.

[2] 郭雷.額定功率下高速機車諧波特性的仿真分析[J]. 西南交通大學學報，2009，44（6）.

[3] 朱宏，王偉.直流電力牽引中不平衡電流及諧波對地鐵信號系統(tǒng)的影響[J]. 城市軌道交通研究，2006.

[4] 趙興.牽引供電系統(tǒng)不平衡牽引回流研究[D]. 北京交通大學，2011.

[5] 丁正庭.高速鐵路列車超速防護系統(tǒng)對軌道電路信息和傳輸?shù)囊骩J]. 北方交通大學學報，2000.

[6] 楊紅偉，陳明軍.Rogowski線圈的設計原理及其預處理電路的分析[J]. 機電工程，2008，25（2）.

[7] 周鈺威.ATP車載安全計算平臺及測速定位功能的研究[D]. 北京交通大學，2012.

On basis of actual measured track return current value from Golden Road-Xianhemen of Line 1 of Nanjing metro, starting from requirements of ATP filtering wave frequency point for train protection system, the harmonic wave analysis method is obtained for analyzing great impact to ATP filtering frequency point within components of track circuit return current. Finally, with reference of data analysis results, it puts forward that the track return current harmonic wave will be affected by the train operation status.

Track return current; harmonic wave; ATP; filtering frequency point

U231.8

：B

：1007-936X(2015)04-0047-04

2014-11-10

劉兆青.南京理工大學，碩士研究生，電話：15705180961；

胡文斌.南京理工大學，副教授；

胡 陽.南京理工大學，碩士研究生；

呂建國.南京理工大學，博士研究生。

江蘇省科技支撐計劃項目，編號：BE2013125。