350 km·h-1中國標準動車組整車對外電磁騷擾試驗及抑制措施

余　俊，陸　陽，陳　波，周　毅

(1.北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，北京　100081；2.中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京　100081)

動車組從主電路到輔助回路，再到控制系統(tǒng)、信號通訊系統(tǒng)，各種電氣和電子設備工作頻帶越來越寬，這就使得其成為1個帶有復雜電磁能力的巨大移動發(fā)射源[1]。

雖然以往針對動車組電磁騷擾的研究不多，但是已經(jīng)開始引起人們的重視。文獻[2]利用Matlab/Simulink仿真軟件建立動車組升弓仿真模型，分析了高壓電器系統(tǒng)串聯(lián)電感和并聯(lián)RC濾波器對升弓電磁暫態(tài)的改善效果。文獻[3]利用有限元法的三維電磁仿真軟件構(gòu)建模型，評估司機室在高頻電磁環(huán)境下的安全性。這些研究注重仿真，缺少試驗數(shù)據(jù)，且研究對象為部件級，未上升到整車級，與實際電磁騷擾特性存在差距。

本文首次對我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的350 km·h-1中國標準動車組(以下簡稱動車組)展開整車電磁騷擾研究，從整車級對外電磁騷擾的本質(zhì)出發(fā)，基于試驗室牽引組合系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)以及動車組實際運行數(shù)據(jù)，分析和驗證對外電磁騷擾抑制措施，為動車組設計制造提供依據(jù)。

1　整車對外電磁騷擾試驗

在動車組整車型式試驗中，對外電磁騷擾試驗依據(jù)文獻[4]和文獻[5]進行。

試驗時，在距軌道中心10 m的位置架設用于測試不同頻段的不同型號天線，其中包括R&S公司的HFH2-Z2型環(huán)形天線(測試結(jié)果為磁場強度換算值)，HK116型雙錐天線以及HL223型對數(shù)周期天線(測試結(jié)果為電場強度換算值)。接收機采用R&S公司的ESR型EMI認證級接收機。測試天線和接收機擺放位置如圖1所示。圖中：x為天線長度。

電場強度換算值與電場強度的換算關(guān)系為

E′=20lgE

(1)

式中：E′為電場強度換算值， dBμV·m-1；E為電場強度，μV·m-1。

磁場強度換算值與磁場強度的換算關(guān)系為

H′=20lgH

(2)

式中：H′為電場強度換算值， dBμA·m-1；H為電場強度，μA·m-1。

圖1　測試天線和接收機的擺放位置

試驗時，測試動車組靜態(tài)和動態(tài)工況下9～106kHz的對外電磁騷擾。測試頻段分9個，分別為9～59，50～150，150～1150 kHz和1～11，10～20，20～30，30～230，200～500，500～1 000 MHz(其中第3，第4和第5頻段為AM廣播占用頻段，第7頻段為FM廣播及電視信號占用頻段，第8頻段為民用對講通訊占用頻段，第9頻段為手機通訊占用頻段)。

不同工況下的測試方法如下。

(1)靜態(tài)工況：動車組的所有系統(tǒng)和設備處于正常工作狀態(tài)，輔助變流器滿負荷運行，牽引變流器通電，但不啟動牽引電機。對該工況采用接收機的準峰值檢波器模式進行測試，捕捉動車組靜態(tài)時的準峰值射頻騷擾，以兼顧試驗測試精度和效率。

(2)動態(tài)工況：動車組以(50±10) km·h-1速度運行，當經(jīng)過測試天線時，在該給定速度范圍內(nèi)動車組以約1/3最大牽引力進行加速或減速。對該工況采用接收機的頻譜儀峰值檢波器模式進行測試，捕捉動車組整列通過時的峰值射頻騷擾。數(shù)據(jù)采集過程：在動車組1號車經(jīng)過天線前開始采集數(shù)據(jù)，直至8號車完全通過時停止采集數(shù)據(jù)，以充分評估整列動車組對外電磁騷擾的特性。

2　試驗結(jié)果及分析

靜態(tài)工況的測試結(jié)果顯示，所有頻段的電場強度換算值及磁場強度換算值均滿足GB 24338.3—2009《軌道交通 電磁兼容 第3-1部分：機車車輛 列車和整車》中的限值要求。

動態(tài)工況的測試結(jié)果顯示，9～59，50～150，150～1150 kHz和30～230 MHz頻段的電場強度換算值和磁場強度換算值超標，1～11，10～20，20～30，200～500，500～1 000 MHz頻段的電場強度換算值和磁場強度換算均滿足GB 24338.3—2009中的限值要求。

整車對外射頻騷擾測試超標結(jié)果如圖2所示。

圖2　整車對外電磁騷擾測試超標頻段的測試結(jié)果

動車組內(nèi)牽引組合系統(tǒng)(變壓器、四象限變流器、牽引逆變器、電機)和輔助負載(空調(diào)、充電機、風機、逆變電源、壓縮機、照明、ATP車地通訊、旅客信息系統(tǒng)、司機室對講臺等)都可能是騷擾源[6]。而從圖2可見，不合格頻段的換算值波形呈寬頻帶階躍狀脈沖，而非窄帶單頻點超標脈沖，因此可以排除ATP車地通訊、旅客信息系統(tǒng)、司機室對講臺等設備的電磁輻射影響。

靜態(tài)工況的測試結(jié)果未超出限值，而動態(tài)工況的測試結(jié)果超出限值，由此分析動態(tài)和靜態(tài)測試過程中動車組設備的運行狀態(tài)可知，對靜態(tài)工況和動態(tài)工況進行測試時輔助負載都是全部啟動的，差別就在于由變壓器、變流器、電機組成的牽引組合系統(tǒng)在靜態(tài)工況下不整體運行、而在動態(tài)工況下進入整體運行工作狀態(tài)。那么，動車組對外電磁騷擾的主要騷擾源可以確認為牽引組合系統(tǒng)。因此有必要對牽引組合系統(tǒng)的對外電磁騷擾進行抑制。

3　牽引組合系統(tǒng)對外電磁騷擾抑制的實驗室試驗

雖然標準GB 24338.3—2009要求整車采用10 m法進行測量，但根據(jù)IEC 62236-3-2—2008 《Railway Applications-Electromagnetic Compatibility Part 3-1：Rolling Stock-Apparatus》[7]的要求，對牽引變流器整機不要求進行對外電磁騷擾試驗。由于不同整改措施在動車組上進行實車施工有周期長、影響運行等不利因素，因此仍需在實驗室環(huán)境下對騷擾源即牽引組合系統(tǒng)進行整改試驗。

目前電磁兼容領域的電磁騷擾抑制技術(shù)主要有屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、濾波技術(shù)3種。由于動車組的動力學和弓網(wǎng)試驗都已經(jīng)通過驗收考核，考慮到采用濾波器會增加車體重量，影響整車電氣布局，故不將濾波技術(shù)作為牽引組合系統(tǒng)對外電磁騷擾抑制技術(shù)的首選，以免影響動車組其他電氣及機械性能。牽引組合系統(tǒng)的強電流通路為變流器的電機側(cè)電纜和變壓器側(cè)電纜，故著重對牽引變壓器至牽引變流器間的電纜以及變流器至電機的電纜更換為屏蔽電纜，并對電纜進行雙端接地。另外，考慮到變流器箱體內(nèi)部大功率高頻率IGBT開關(guān)元器件對外部空間的電磁騷擾，還對變流器箱體上進出線口處的縫隙進行了鋁箔屏蔽處理，即在變流器進出線口處采用雙面導電的鋁箔，且保證鋁箔與接地螺栓連接，施工圖如圖3所示。

為獲得牽引組合系統(tǒng)對外電磁騷擾數(shù)據(jù)，以驗證整改優(yōu)化措施的有效性，在封閉的交流傳動試驗室對牽引組合系統(tǒng)帶負載運行時產(chǎn)生的電磁騷擾進行了測試。試驗時采用的異步電機背靠背、交流能量互饋系統(tǒng)原理[8]如圖4所示。

圖3　進出線口加鋁箔屏蔽的施工圖

圖4　異步電機背靠背、交流能量互饋系統(tǒng)原理

3.1　變流器電機側(cè)電纜屏蔽的抑制效果

電機側(cè)采用屏蔽電纜后，在所測試的9個頻段中，9～59和50～150 kHz低頻段的對外電磁騷擾有10～20 dBμA·m-1的優(yōu)化效果(如圖5所示)，其他頻段的優(yōu)化效果不明顯。

圖5不同頻段下變流器電機側(cè)電纜屏蔽后對外電磁騷擾抑制效果對比

3.2　變流器變壓器側(cè)電纜屏蔽的抑制效果

變壓器側(cè)采用屏蔽電纜后，在所測試的9個頻段中，對外電磁騷擾改善良好的頻段包括150～1 150 kHz和1～11，10～20，30～230 MHz，抑制前后效果如圖6所示。其中，150～1 150 kHz和10～20，30～230 MHz頻段的優(yōu)化效果最明顯，部分頻率有15～30 dBμA·m-1(dBμV·m-1)的改善效果。

圖6不同頻段下變流器變壓器側(cè)電纜屏蔽后對外電磁騷擾抑制效果對比

3.3　變流器箱體電磁屏蔽的抑制效果

對比整改前后的測試數(shù)據(jù)，在所測試的9個頻段中，30～230 MHz頻段的電場強度換算值有2～5 dBμV·m-1的優(yōu)化，如圖7所示；其他頻段的抑制效果不明顯。

圖7　增加鋁箔后30～230 MHz對外電磁騷擾抑制效果

4　實車整改及試驗

為了將交流傳動國家重點試驗室的研究成果應用到整車對外電磁騷擾抑制中，結(jié)合動車組電氣設計原理及現(xiàn)場施工情況，制定實車整改策略，具體如下。

(1)考慮到屏蔽電纜具有良好的對外電磁騷擾抑制性能，依據(jù)實車無法全部更換屏蔽電纜的實際情況，將牽引組合系統(tǒng)的電纜用雙端接地的銅網(wǎng)進行屏蔽。

(2)通過交流傳動系統(tǒng)的試驗室試驗可知，在變流器箱進出線口處采用鋁箔，對電磁騷擾有一定的抑制效果。因此利用鋁箔對變流器箱體縫隙進行屏蔽。

(3)為了更好地讓車體起到電磁屏蔽的作用，對牽引變流器兩側(cè)的裙板(共4塊，每側(cè)各2塊)添加接地線。

(4)在動車組設計階段，為了平衡車體電勢差，避免過大的車體電壓燒損絕緣層較弱的傳感器，動車組為多點接地(每個動力單元有多個保護接地和1個工作接地，見圖9)。可根據(jù)電磁兼容經(jīng)典理論，由于多點接地會引入更多的環(huán)路通道，形成天線效應，從而增大動車組的對外電磁騷擾，因此實車整改時動車組變更為單點接地(每個動力單元有1個保護接地和1個工作接地，見圖10)。

為了研究動車組上述整改策略特別是多點接地和單點接地方式對電磁騷擾特性的影響，2016年1月，在大西客運專線分別測試動車組保留1，2，7和8車保護接地(多點接地)以及摘除1，2，7和8車保護接地(單點接地)的對外電磁騷擾特性，試驗結(jié)果如圖11所示。由圖11可見：保護接地摘除后(即動車組由多點接地改為單點接地后)9～59 kHz及30～230 MHz對外電磁騷擾有5～10 dBμA·m-1(或 dBμV·m-1)的抑制，其他7個頻段抑制效果不明顯。并且整車試驗中傳感器未出現(xiàn)過電壓燒損現(xiàn)象。

圖8　實車整改措施

圖9　動車組多點接地方案

圖10　動車組單點接地方式

圖11　不同頻段保護接地摘除前后對外電磁騷擾對比

整改后，動車組9～106kHz全部9個頻段的電場強度換算值及磁場強度換算值均符合國家標準要求。

綜上所述，電磁騷擾整改策略只是動車組設計制造完成后出現(xiàn)測試不合格現(xiàn)象時的補救措施。為提高動車組整車的對外電磁騷擾性能，最有效手段仍然是在設計研發(fā)過程中考慮牽引組合系統(tǒng)的對外電磁騷擾，提前采取抑制措施。聯(lián)系本文所進行的試驗及結(jié)論，建議在量產(chǎn)動車組前，應將牽引變流器的輸入、輸出電纜設置為屏蔽電纜，并對牽引變流器箱體進行電磁屏蔽設計。

5　結(jié)　語

本文對350 km·h-1中國標準動車組進行了對外電磁騷擾試驗，通過對測試數(shù)據(jù)的分析，確定了以牽引組合系統(tǒng)為主體的對外電磁騷擾源。采取電磁騷擾抑制技術(shù)對牽引組合系統(tǒng)進行整改，并在交流傳動國家重點試驗室完成系統(tǒng)級對外電磁騷擾測試，確認變流器輸入輸出電纜使用銅網(wǎng)雙端接地的屏蔽電纜、變流器箱體用鋁箔屏蔽等措施的有效性。結(jié)合動車組電氣設計原理以及現(xiàn)場施工條件，制定了電纜銅網(wǎng)雙端接地、箱體鋁箔屏蔽以及整車單點接地的抑制對策，實車整改后，整車對外電磁騷擾的電場強度換算值和磁場強度換算值均符合國家標準限值要求。

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(The Ministry of Railways of the People’s Republic of China. GB/T 24338.3—2009 Railway Applications-Electromagnetic Compatibility Part 3-1：Rolling Stock-Train and Complete Vehicle [S]. Beijing: China Standard Publishing House，2009. in Chinese)

[5]CENELEC.EN 50121—2006 Railway Applications-Electromagnetic Compatibility Part 3-1：Rolling Stock-Train and Complete Vehicle [S]. Brussels: Technical Committee GEL/9, 2006.

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