動車組、機(jī)車及地鐵整車對外電磁干擾特性研究

余　俊， 陸　陽， 王延哲， 陳　波

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

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動車組、機(jī)車及地鐵整車對外電磁干擾特性研究

余俊1， 陸陽2， 王延哲2， 陳波2

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

針對動車組、機(jī)車及地鐵列車整車對外電磁干擾特性展開研究。在低于對軌道交通車輛的電磁騷擾源進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，論述了大功率電力電子裝置、弓網(wǎng)系統(tǒng)、主傳動電機(jī)及車內(nèi)無線電發(fā)射系統(tǒng)對整車電磁干擾的影響。并介紹了關(guān)于軌道交通整車對外電磁騷擾的國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，引出本文所采用的試驗(yàn)測試設(shè)備及方法，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。依據(jù)EN 50121-3-1，分別針對350 km/h動車組、160 km/h城際動車組、120 km/h重載交流傳動機(jī)車、80 km/h地鐵及120 km/h內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)行對外電磁干擾測試。并對6種車型的現(xiàn)場實(shí)車數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。最后總結(jié)分析了軌道車輛射頻電磁騷擾抑制方法，為整車電磁兼容設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

動車組； 電磁干擾； 電磁兼容性； 整改措施。

軌道交通機(jī)車車輛都采用了先進(jìn)的高壓系統(tǒng)，大功率變頻變壓整流器、逆變器，大功率電機(jī)，先進(jìn)的列車控制網(wǎng)絡(luò)，車載信號通訊系統(tǒng)等。車內(nèi)從主電路到輔助回路，再到控制系統(tǒng)、信號通訊系統(tǒng)，各種電子設(shè)備工作頻帶越來越寬，這就使得軌道車輛形成一個(gè)帶有復(fù)雜電磁能力的巨大移動發(fā)射源，車內(nèi)設(shè)備和系統(tǒng)之間發(fā)生電磁干擾問題，會導(dǎo)致通訊信號及控制信號的畸變，嚴(yán)重時(shí)可能會影響到軌道車輛的正常運(yùn)行，再者，軌道車輛作為發(fā)射源，對道旁軌道電子系統(tǒng)，居民用電設(shè)備、工業(yè)設(shè)施及軍事設(shè)施也可能帶來較大影響。

所以，必須了解動車組、機(jī)車車輛及城軌列車的電磁干擾特性，以防止環(huán)境電磁污染并維護(hù)列車正常運(yùn)行。

1　理論分析

動車組電磁發(fā)射源主要來自運(yùn)行中的主電路。25 kV交流電經(jīng)受電弓，由各車高壓電纜貫通到主斷路器，連接到牽引變壓器的原邊繞組上，變壓器的二次繞組分別向牽引變流器提供電力，三次繞組可以向輔助電路提供電力，牽引變流器和輔助變流器內(nèi)部的變壓變頻模塊為主傳動電機(jī)、輔助用電設(shè)備提供所需制式的電，然后電機(jī)設(shè)備將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能、熱能等其他能量形式[2]。

大功率機(jī)車的主電路原理與動車組一致，區(qū)別在于機(jī)車采用動力集中方式，所有牽引電機(jī)都只分布在機(jī)車主體。

城軌列車與動車組一同采用動力分散模式，差別是整流過程在地面變電站完成，主電路主要進(jìn)行逆變過程。

對于軌道交通列車，電磁騷擾源主要來源于以下電氣電子主體，即：大功率電力電子裝置、弓網(wǎng)系統(tǒng)、傳動電機(jī)、車載無線電裝置。

(1) 大功率電力電子裝置

在電力電子裝置發(fā)射的電磁干擾來自半導(dǎo)體開關(guān)器件[1]。開關(guān)器件在接通和關(guān)斷中，由于電流和電壓在一段時(shí)間發(fā)生跳變，從而形成電磁干擾。主要包括：①電壓跳變會在電容上產(chǎn)生很大的充電和放電電流，實(shí)際驅(qū)動電路和主電路會存在雜散的分布電容，1nF電容就可以產(chǎn)生幾安培的電流瞬態(tài)脈沖。②開關(guān)器件在通斷瞬間會在雜散電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，較大的電流環(huán)路會形成一個(gè)發(fā)射源，對空間產(chǎn)生輻射電磁場。③逆變器開關(guān)中形成的PWM波形除了有用的基波之外，還含有大量的高次諧波，目前逆變器開關(guān)頻率從幾千赫茲到幾百千赫茲，諧波頻率從幾千赫茲到幾兆赫茲。由于高次諧波存在，PWM信號也會對周圍的設(shè)備產(chǎn)生輻射影響。④控制電路輸出的高頻脈沖時(shí)鐘波形也會產(chǎn)生一定的電磁騷擾。

(2) 弓網(wǎng)系統(tǒng)

利用接觸網(wǎng)對列車進(jìn)行供電，由于列車和接觸網(wǎng)在垂直方向上振動，接觸網(wǎng)和受電弓會出現(xiàn)短暫分離，產(chǎn)生火花放電。在此過程中，會出現(xiàn)供電電壓電流畸變，浪涌和射頻寬帶噪聲等電磁干擾現(xiàn)象。

(3) 主傳動電機(jī)

隨著我國軌道交通運(yùn)力需求的提高，運(yùn)輸需求的多樣化，列車電機(jī)功率也在不斷提高。城軌列車功率一般為190 kW左右，動車組電機(jī)功率從300～400 kW不等，30 t軸重重載機(jī)車的功率已經(jīng)達(dá)到1 224 kW。

交流電機(jī)內(nèi)部的磁場除作為能量轉(zhuǎn)換的中介之外，磁場本身也作為電磁發(fā)射源對外輻射電磁干擾。電機(jī)功率的增大一定程度上加大了電磁干擾的強(qiáng)度。

(4) 車內(nèi)無線電發(fā)射系統(tǒng)

以中國標(biāo)準(zhǔn)化動車組為例，車載設(shè)備包括列車運(yùn)行控制系統(tǒng)車載設(shè)備、無線通信車載設(shè)備、司機(jī)操控分析系統(tǒng)車載設(shè)備、列車追蹤接近預(yù)警系統(tǒng)車載設(shè)備。車內(nèi)通信運(yùn)用GSM-R的通訊制式，車內(nèi)提供無線Wifi。以上系統(tǒng)在運(yùn)行過程中對外發(fā)射的無線電信號是電磁干擾源之一。此外，司乘人員使用的無線電話、無線對講設(shè)備也是電磁干擾源。

2　現(xiàn)場試驗(yàn)

(1) 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

與軌道車輛的整車電磁兼容性測試相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有以下幾種：

①歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50121-2006 《鐵路設(shè)施-電磁兼容性-第3-1部分-機(jī)車車輛-整車與列車》。

②國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62236-2008《軌道交通-電磁兼容-第3-1部分：機(jī)車車輛-整車與列車》。

③國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24338.3-2009《軌道交通 電磁兼容-第3-1部分：機(jī)車車輛 列車和整車》。

其中GB/T 24338.3與IEC 62236-2008等同采用。而IEC6 2236由EN 50121轉(zhuǎn)化而來。目前，我國動車組、城軌列車及機(jī)車型式試驗(yàn)中的對外射頻騷擾試驗(yàn)全部參考了EN 50121-3-1。

(2) 試驗(yàn)條件

在慢行試驗(yàn)時(shí)應(yīng)避免受電弓拉弧或跳動。司機(jī)配合操作，在測點(diǎn)處按照指定條件運(yùn)行。試驗(yàn)場地應(yīng)做到能區(qū)分來自電動車組的射頻騷擾和環(huán)境噪聲，應(yīng)盡可能在現(xiàn)有的鐵路環(huán)境限制下滿足“自由空間”的要求。試驗(yàn)場地應(yīng)足夠大，以便在規(guī)定距離處安放天線，并保證天線與電動車組之間的間距。沿鐵路試驗(yàn)線應(yīng)無架空電力線，無樹木、圍墻、橋梁、隧道或其他電動車組車輛，測量點(diǎn)與電動車組的間距為10 m。為了排除環(huán)境噪聲的影響，將記錄試驗(yàn)開始前和結(jié)束后的環(huán)境噪聲，應(yīng)保證環(huán)境噪聲電平至少比評判標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定限值低6 dB。

(3) 試驗(yàn)設(shè)備及方法

在距北京環(huán)行線正線10 m的位置，架設(shè)測試天線，測試動車組于靜置、牽引、再生制動工況產(chǎn)生的9 k～1 GHz對外部的射頻騷擾。

動車組運(yùn)行前完成架設(shè)測試天線架線圖如圖1～圖2。動車組分別以靜置、牽引、再生制動工況進(jìn)行測試。

①靜態(tài)工況

電動車組上的所有系統(tǒng)和設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，輔助變流器應(yīng)滿負(fù)荷運(yùn)行，牽引變流器應(yīng)通電，但不啟動牽引電機(jī)。

②慢行工況

電動車組以(50±10) km/h運(yùn)行，當(dāng)經(jīng)過測量天線時(shí)，電動車組在給定速度范圍內(nèi)以約為其最大牽引力的1/3加速或減速。

圖1　測試天線(環(huán)形天線)、EMI接收機(jī)擺放與線路相對位置

圖2　測試天線(對數(shù)周期天線、雙錐天線)EMI接收機(jī)擺放與線路相對位置

(4) 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

本測試的兩種工況下，對外射頻干擾分別不應(yīng)超過圖3(靜態(tài))和圖4(動態(tài))限值。

注：圖中虛線適用于城市街道電車，實(shí)線適用于大鐵路干線車，地鐵及城軌列車。圖3　機(jī)車靜止?fàn)顟B(tài)輻射干擾限值

注：圖中 A適用于25 kV AC車輛B適用于15 kV AC、3 kV DC和1.5 kV DC車輛C適用于750 V 和 600 V DC車輛圖4　機(jī)車低速運(yùn)行狀態(tài)輻射干擾限值

3　實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

依據(jù)EN 50121-3-1，分別針對350 km/h動車組、160 km/h動車組、80 km/h地鐵、120 km/h重載交流傳動機(jī)車及120 km/h內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)行對外電磁干擾測試。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5～圖13所示：

(1) 靜置工況(見圖5～圖7)

圖5　靜置工況9～150 kHz

圖6　靜置工況0.15～30 MHz

圖7　靜置工況30～1 000 MHz

(2) 牽引工況(見圖8～圖10)

圖8　牽引工況9 ～150 kHz

圖9　牽引工況0.15～30 MHz

圖10　牽引工況30～1 000 MHz

(3) 電制工況(見圖11～圖13)

圖11　電制工況9～150 kHz

圖12　電制工況0.15～30 MHz

圖13　電制工況30～1 000 MHz

(4) 試驗(yàn)結(jié)論

經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，得出以下結(jié)論：

①我國生產(chǎn)的動車組、機(jī)車、城軌列車對外部的電磁干擾水平符合EN 50121-3-1的限值要求。(部分超標(biāo)頻點(diǎn)由于環(huán)境噪聲本身已大于限值，故根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，不做評定)

②軌道交通車輛的電磁干擾水平與功率成正比例關(guān)系。

③約發(fā)揮1/3牽引力或電制力的電制工況與牽引工況下，電磁干擾水平差異不大。

4　射頻輻射干擾抑制方法

對于動車組射頻輻射干擾的抑制，主要采取消除干擾源或削弱它對外產(chǎn)生電磁干擾的強(qiáng)度等方法[3]。主要包括接地技術(shù)、濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)及EMC質(zhì)量管理4種方法。

(1) 接地技術(shù)

接地方式屬于對電磁干擾疏導(dǎo)的方法，也是最有效和直接的整改方法。軌道車輛接地主要有3種：保護(hù)接地、工作接地和EMC相關(guān)接地。

保護(hù)接地是為了保障人身安全、防止直接或間接觸電將可導(dǎo)電部分進(jìn)行接地。牽引變流器和輔助變流器等電氣箱體應(yīng)通過接地線連接到車體上進(jìn)行可靠接地，提供電荷泄放回路，保護(hù)工作人員避免觸電。箱體的金屬外殼接地起到一個(gè)大屏蔽體作用，可減少射頻干擾。

工作接地最主要的作用是提供整車電源回流通道，同時(shí)工作接地為電路整車工作提供一個(gè)基準(zhǔn)電位。動車組工作接地主要有以下3種方式，即車體直接接地、車體電感接地、車體電阻接地。車體直接接地主要應(yīng)用在德國IEC動力集中動車組和我國早期CRH3型動車組上。這種接地方式使得車體阻抗低，接觸網(wǎng)上的牽引電流會在車體回路感應(yīng)較大的回路電流。另外，鋼軌回路和車體回路的差異，這種接地方式會導(dǎo)致整車工作的電流通過車體，造成局部環(huán)流。變化的環(huán)流相當(dāng)于一個(gè)環(huán)形天線，對外發(fā)射射頻信號。車體電阻接地使得車體回路阻抗增加，有效抑制了牽引電流在車體回路中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，目前CRH2型動車組普遍采用這種接地方式。車體電感接地主要應(yīng)用在CRH1型動車組主電路設(shè)計(jì)中，正常工作時(shí)對工頻阻礙低，部分牽引電流會通過線圈進(jìn)入車體，形成局部環(huán)流。

對于9 kHz～30 MHz的整車射頻磁場發(fā)射，應(yīng)減小車體局部環(huán)流和車體與軌道環(huán)流，車體電阻接地是一種可行的工作接地法方式。

(2) 屏蔽技術(shù)

關(guān)于對磁場的屏蔽，需選用高導(dǎo)磁率或高導(dǎo)電率的材料，造價(jià)較高。目前市場上的吸波材料，主要針對高頻電場，針對低頻磁場的吸波材料比較少。對于柜體的屏蔽，特別是縫隙處，可以用屏蔽銅箔或金屬網(wǎng)等。

屏蔽體一般為良導(dǎo)體，對頻率高于10 MHz以上的電場、磁場和電磁場具有非常好的屏蔽作用(在接地良好條件下)。

對頻率低于1 MHz以下的磁場，尤其是 100 kHz以下的低頻磁場，很難屏蔽，須采用很厚的高導(dǎo)磁材料，故成本很高。

(3) 濾波技術(shù)

軌道車輛牽引變流器、輔助變流器的輸入輸出端口均采用了濾波技術(shù)。如采用鐵氧體磁環(huán)、濾波電容及濾波電抗器等器件。有效抑制了電路內(nèi)部的傳導(dǎo)干擾，傳導(dǎo)干擾的消除一定程度上可抑制射頻干擾的強(qiáng)度。

(4) EMC質(zhì)量管理

供應(yīng)商在軌道車輛整車設(shè)計(jì)制造過程中，必須采取EMC處理措施。在設(shè)計(jì)初始階段，盡量采取疏導(dǎo)的方式完善EMC設(shè)計(jì)，以避免裝車后出現(xiàn)的電磁干擾問題。

在進(jìn)行軌道車輛整車型式試驗(yàn)中的對外射頻騷擾試驗(yàn)前，供應(yīng)商應(yīng)提交專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)出具的符合GB 24338.3或EN 50121-3-2的部件電磁兼容性測試報(bào)告。

5　結(jié)束語

軌道車輛對外射頻騷擾的發(fā)射強(qiáng)度是否滿足現(xiàn)行國際及國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，一方面直接影響到我國動車組對外出口，另一方面影響動車組的安全可靠運(yùn)行。本文分析了軌道車輛各主要器件對電磁發(fā)射的影響，介紹了軌道交通整車對外電磁騷擾，比較了不同車型的對外射頻發(fā)射水平，并最后總結(jié)分析了軌道車輛射頻電磁騷擾抑制方法，為整車電磁兼容設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

[1]單秦. 高速動車組電磁兼容性關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2013.

[2]張曙光.CRH1型動車組[M].第1版.北京：中國鐵道出版社，2008.

[3]張紅江.軌道車輛電磁兼容性設(shè)計(jì)技術(shù)[J].機(jī)車電傳動,2011，(3)：61-64.

[4]Ade Ogunsola.Electromagnetic Compatibility in Railways: Analysis and Management[M]. Springer-Verlag，2012.

Research on the EMI Characteristics of EMU and Locomotives and Subway Train

YUJun1,LUYang2,WANGYanzhe2,CHENBo2

(1Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100081, China;2Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

The EMI characteristics of EMU, locomotives and subway train was researched in this paper. On the basis of theoretical analysis of rolling stock disturbance source, this article discusses the EMI effect of high power electronic device, pantograph/contact wire system, main driving motor and signal system. International and domestic standards of rolling stock EMI were introduced to draw forth the test methods, devices and standards of this research. EN50121-3-1 was applied to test the EMI compatibility of 350 km/h EMU，160 km/h inter-city EMU, 120 km/h heavy haul electric locomotive, 80 km/h subway train and 120 km/h diesel locomotive. Moreover, the data of these six train types was analyzed. Lastly, this article summarizes the corrective action of EMI of rolling stock and provides advices of EMC design.

EMU; EMI; electromagnetic compatibility; corrective action.

1008-7842 (2016) 03-0107-04

男，工程師(

2015-11-24)

U228.1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.23