動車組、電力機(jī)車、城軌列車傳導(dǎo)干擾標(biāo)準(zhǔn)研究*

陳煥玉， 余 俊， 王 志， 張世聰， 王延哲

(1 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100081；2 中國鐵路總公司 機(jī)輛部， 北京 100844；3 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 研究生部， 北京100081；4 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

動車組、電力機(jī)車、城軌列車上不僅安裝牽引變壓器、牽引變流器等高壓設(shè)備，也有中央控制單元、牽引控制單元等低壓設(shè)備。系統(tǒng)內(nèi)，設(shè)計人員需考慮到電氣設(shè)備能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)；系統(tǒng)外，列車傳導(dǎo)至鋼軌的電流不應(yīng)對軌道電路產(chǎn)生干擾。

由射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾作為一種有害能量可在電源線、信號線上傳播，干擾到電氣設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。如文獻(xiàn)[1]中論述的，電纜間距、電纜離地高度、屏蔽層接地方式等因素都會影響到線纜的耦合，耦合原理極其復(fù)雜，在動車組這樣的電氣系統(tǒng)中體現(xiàn)得更加明顯。GB/T 17626.6-2008《射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度》和IEC 61000-4-6：2013《Immunity to conducted disturbances, induced by radio-frequency fields》是關(guān)于電氣和電子設(shè)備對來自射頻發(fā)射機(jī)射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度的要求[2-3]，通過建立一個標(biāo)準(zhǔn)的測試體系，可準(zhǔn)確地評估設(shè)備對于上述騷擾的抗干擾水平。

列車從接觸網(wǎng)接收高壓電后，通過接地回流的方式將電流輸送至鋼軌，若此電流的諧波含量不符合標(biāo)準(zhǔn)，就有可能對軌道電路產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致軌道區(qū)間列車占用等情況產(chǎn)生誤判，危及行車安全。GB/T 28807-2012《軌道交通 機(jī)車車輛與列車檢測系統(tǒng)的兼容性 第2部分：與軌道電路的兼容性》規(guī)定了接地回流電流的測試方法及干擾限值。

1 干擾原理

如今電氣產(chǎn)品幾乎全部暴露于外界環(huán)境的射頻場中，如AM基站、FM基站這類遠(yuǎn)場，或手機(jī)、對講機(jī)這類近場，其輻射的電磁場能量耦合到設(shè)備中就會產(chǎn)生干擾。

式(1)為距發(fā)射源d處的電磁場功率密度P的計算公式[4]，式中：P為電磁場功率密度;E為電場強(qiáng)度;H為磁場強(qiáng)度;W為發(fā)射功率;x為天線增益系數(shù);S為距發(fā)射源d處自由空間球體的表面積。

(1)

由式(1)可知，當(dāng)射頻場的功率足夠大，對自由空間一定范圍內(nèi)的設(shè)備均存在電磁場能量的輻射。為此，GB/T 17626.6-2008與IEC 61000-4-6：2013中用射頻發(fā)射機(jī)模擬外界射頻場，輸入到系統(tǒng)中的頻率范圍為0.15～80 MHz，根據(jù)波長計算公式可知，列車所用線纜的長度可達(dá)電磁波的數(shù)個波長，設(shè)備電纜在此起到了天線的作用，故被測設(shè)備通過電源線、信號線等線纜與射頻場耦合。耦合進(jìn)入列車的電磁波將對內(nèi)部設(shè)備產(chǎn)生干擾。

眾所周知，傳導(dǎo)干擾主要的耦合方式為直接耦合、寄生電容耦合、分布電感耦合。根據(jù)回路的不同，可將傳導(dǎo)干擾分為共模干擾和差模干擾，在變流器中，共模干擾由三相電源線和寄生電容形成回路，差模干擾在兩相間形成回路。傳導(dǎo)干擾產(chǎn)生后，會反作用于列車的高壓系統(tǒng)。

以各種方式耦合到牽引變流器或其自身產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾是影響接地回流諧波含量的重大因素之一，即標(biāo)準(zhǔn)中提到的“熱通道”會影響到“冷通道”的電流質(zhì)量。故文中研究的標(biāo)準(zhǔn)對電力列車傳導(dǎo)干擾測試十分必要。

2 傳導(dǎo)騷擾抗擾度

2.1 試驗配置

此項試驗的設(shè)備包括射頻信號發(fā)生器、功率放大器、低通及高通濾波器、固定衰減器、耦合和去耦裝置。

根據(jù)選用耦合方式的不同，試驗配置也有所不同。

標(biāo)準(zhǔn)第六章對耦合和去耦裝置進(jìn)行如下劃分：

表1 耦合和去耦裝置劃分

耦合和去耦合裝置用于將干擾信號耦合到被測設(shè)備(EUT)中，包括CDNs、鉗注入裝置、直接注入裝置。去耦合網(wǎng)絡(luò)對輔助設(shè)備起到去耦合作用，防止輔助設(shè)備的阻抗影響到EUT，以及避免受到干擾信號的影響。筆者對常用的CDNs及鉗注入裝置的配置進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1.1CDNs

標(biāo)準(zhǔn)的附錄D提供了CDN的資料，包括數(shù)種CDN拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡要電路圖，適用位置各不相同，分別為用于屏蔽電纜的CDN-S1、用于非屏蔽電源線的CDN-M1/M2/M3、用于非屏蔽不平衡線的CDN-AF2、用于非屏蔽平衡線對的CDN-T2/T4/T8。

設(shè)備的輸入和輸出端口的共模阻抗均要求為150 Ω。輸入端口的150 Ω共模阻抗由內(nèi)阻為50 Ω的信號源和等效阻抗為100 Ω的CDN構(gòu)成(如圖1所示)，輸出端口連接的去耦網(wǎng)絡(luò)需端接50 Ω負(fù)載阻抗。

圖1 共模阻抗結(jié)構(gòu)

標(biāo)準(zhǔn)對0.15～80 MHz內(nèi)共模耦合阻抗Zce的規(guī)定如表2所示，僅規(guī)定其模值，且未要求9～150 kHz頻段范圍內(nèi)Zce的大小。

表2 共模耦合阻抗模值

使用CDN進(jìn)行測試的配置如圖2示，其中，CDN共有信號源、受試設(shè)備和輔助設(shè)備3個端口。

圖2 使用CDN的測試配置

T2為6 dB功率衰減器，其阻抗為50 Ω，可以穩(wěn)定信號源中的寬帶功率放大器等造成的阻抗失衡現(xiàn)象，保證共模阻抗的要求。

通信設(shè)備等輔助設(shè)備與被測設(shè)備間應(yīng)連接去耦網(wǎng)絡(luò)。

被測設(shè)備的其他接地端子也應(yīng)通過附加的CDN與參考地相連，以保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.1.2鉗注入裝置

動車組、電力機(jī)車、城軌列車這類電力列車系統(tǒng)的功率高，電源電纜的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無疑更適合選擇鉗注入裝置進(jìn)行測試。

圖3為使用注入鉗的測試配置。

圖3 使用注入鉗的測試配置

電流鉗或電磁鉗僅實(shí)現(xiàn)了耦合功能，需端接CDN來實(shí)現(xiàn)去耦合，圖3中的輔助設(shè)備2便屬于去耦合裝置的一部分。

射頻信號源通過功率衰減器T2，將射頻信號傳遞給鉗注入裝置，被測設(shè)備的接地端子連接至去耦合裝置CDN后，再與參考地相連。

2.2 列車測點(diǎn)建議

GB/T 24338.4-2009《軌道交通 電磁兼容 第3-2部分：機(jī)車車輛 設(shè)備》是關(guān)于機(jī)車車輛中電氣電子設(shè)備電磁兼容性的發(fā)射與抗擾度的標(biāo)準(zhǔn)[5]，將射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾試驗的測點(diǎn)分為兩類：蓄電池參考端口(除能源輸出端外)、交流輔助電源輸入端口(額定電壓有效值不大于400 V)和信號、通信、過程測量、控制端口?？筛鶕?jù)動車組、電力機(jī)車和城軌列車的特點(diǎn)，選擇關(guān)鍵位置進(jìn)行測試。

列車的控制是由網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成的，以動車組為例，其通信采用兩級總線，列車級總線為WTB總線，車輛級總線為MVB總線，所以應(yīng)在每兩節(jié)車廂跨接的控制及通信電纜處進(jìn)行測試，以保證網(wǎng)絡(luò)電纜的屏蔽線的有效性，測試時需觀察各個子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，且觀察HMI故障記錄中是否有故障報出。

動態(tài)時應(yīng)對車外的速度傳感器的線纜進(jìn)行測試，觀察列車的速度控制是否正常，各軸的牽引力、電制動力發(fā)揮是否正常。

2.3 試驗程序

將設(shè)備按照標(biāo)準(zhǔn)要求安裝無誤后，可按下述要求進(jìn)行試驗：

(1)不要求測試射頻信號源產(chǎn)生的9～150 kHz范圍內(nèi)的抗擾度；

(2)射頻信號頻率范圍為0.15～80 MHz，1 kHz正弦波調(diào)幅信號，調(diào)制度為80%；

(3)調(diào)頻步長不得超過前一頻率值的1%；

(4)每個頻率下幅度調(diào)制載波的駐留時間不低于設(shè)備的響應(yīng)時間，且至少大于0.5 s。

表3列出了輸入到被測設(shè)備的電平水平。

表3 試驗電平水平

參考GB/T 24338.4-2009的規(guī)定，CCU、TCU、BCU等控制系統(tǒng)選用3級，蓄電池、輔助電源輸入端口也應(yīng)使用3級。

2.4 結(jié)果評估

GB/T 17626系列的抗擾度標(biāo)準(zhǔn)，對被測設(shè)備均有一定的破壞性，若其性能良好，則不會受到任何不良影響，但如果性能較差，被測設(shè)備會出現(xiàn)黑屏、自動關(guān)機(jī)、無法正常啟動等現(xiàn)象，標(biāo)準(zhǔn)對可能出現(xiàn)的現(xiàn)象有以下歸類。

(A)由生產(chǎn)商、需求方或買方規(guī)定的限制中的正常性能；

(B)干擾終止后暫時的性能降級和功能喪失，不需人為干預(yù)可恢復(fù)正常性能；

(C)暫時的性能降級，需人為干預(yù)；

(D)無法恢復(fù)的性能降級或功能損失。

依照GB/T 24338.4-2009標(biāo)準(zhǔn)，2.2寫到的測點(diǎn)均采用A類判據(jù)。

3 傳導(dǎo)騷擾測量

3.1 共模干擾及差模干擾

敏感設(shè)備(EUT)的電源線、接地點(diǎn)形成的回流構(gòu)成了共模干擾，系統(tǒng)正常情況下不存在接地回流，但由于IGBT等電力電子器件的存在，與機(jī)殼間產(chǎn)生了寄生電容，設(shè)備通過寄生電容與電源線形成了共模干擾通路。EUT通常包括四象限、逆變器和電機(jī)。

共模電流的形成與各寄生電容密切相關(guān)，IGBT等干擾源通過寄生電容與機(jī)殼連接，為共模電流的接地回流提供了通路。IGBT開通關(guān)斷的瞬間，集射極存在較大的電壓變化率dv/dt，會不斷地對寄生電容充放電，牽引變流器連接變壓器及牽引電機(jī)，由于輸入端變壓器接地且牽引電機(jī)機(jī)殼對地也存在寄生電容，因此形成了共模電流。綜合考慮所有的共模電流的流通路線，將共模電流耦合途徑繪于圖4。

圖4 共模電流耦合途徑

由圖4可見，共模干擾電流流經(jīng)三相輸入電源線、四象限、寄生電容、中間電容、逆變器和三相輸出電源線，通過電機(jī)機(jī)殼接地端流向大地。圖4為所有共模電流的流向，就某一瞬間來說，四象限整流時只有兩相輸入，即只有一對二極管同時導(dǎo)通；逆變器輸出三相電，均存在共模干擾。

差模干擾主要是由于IGBT開通、關(guān)斷過程中存在大的di/dt，流通途徑與正常工作電流相同，很難消除，只能通過各種手段減弱干擾。圖5為差模電流耦合途徑。

圖5 差模電流耦合途徑

差模電流耦合途徑與正常工作電流相同，兩相交流輸入作為回流，流經(jīng)四象限、中間電容和逆變器。

就共模干擾及差模干擾的測試而言，由于型式試驗未對傳導(dǎo)干擾進(jìn)行要求，可作為研究性試驗進(jìn)行。

在動車組、電力機(jī)車和城軌列車牽引變流器的輸入端及電機(jī)輸入端套入電流傳感器，并測得電機(jī)接地點(diǎn)處的電流后，即可分別測得共模電流和差模電流，對電流進(jìn)行傅里葉變換，分析諧波含量。交流或直流輔助電源端口、蓄電池參考端口、信號和通信、過程測量和控制端口傳導(dǎo)干擾限值[5]如下：

150～500 kHz限值為99 dBμV準(zhǔn)峰值；

500 kHz～30 MHz限值為99 dBμV準(zhǔn)峰值。

3.2 列車與軌道電路的兼容性

在普速鐵路、城市軌道交通中，軌道電路的應(yīng)用極其廣泛，它以鋼軌作為電流傳輸路徑，所以通常用于檢測區(qū)間內(nèi)的鐵路占用情況以及鐵路的完成性。

我國的普速鐵路一般采用ZPW-2000系列軌道電路，上行線為偶數(shù)載頻：2 000 Hz,2 600 Hz，下行線為奇數(shù)載頻：1 700 Hz,2 300 Hz，軌道電路的原理是用發(fā)送到軌道上的窄帶信號來檢測列車占用情況，所以僅工作頻率一定范圍內(nèi)的干擾才會對軌道電路產(chǎn)生影響。

圖6為列車接地回流檢測示意圖[6]，如圖6所示，在列車牽引變壓器的接地回流處接上電流傳感器，來檢測列車流入鋼軌的電流的諧波含量是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。熱通道指列車的供電系統(tǒng)，包含電氣系統(tǒng)中所有的帶電部件。冷通道指鋼軌這一回流通道。

圖6 列車接地回流檢測

設(shè)備安裝完畢后，需保證試驗過程覆蓋以下惡劣的工況：

(1)通過供電系統(tǒng)的無電區(qū)；

(2)用100%和50%的最大牽引力或最大功率進(jìn)行加速和減速；

(3)靜止或運(yùn)行過程中操作牽引力和制動力進(jìn)行突變；

(4)在低黏著情況下進(jìn)行滿級牽引和滿級制動操作。

重復(fù)多次后，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求判斷諧波是否超過軌道電路的限制。

對于ZPW-2000無絕緣軌道電路及UM71無絕緣軌道電路，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

接地回流在軌道電路工作中心頻率f0的諧波的均方根值I0RMS不得大于0.3 A，移頻鍵控帶寬Δf=90 Hz；

1 500～3 000 Hz范圍內(nèi)，非工作頻段的諧波均方根值不得大于3 A。

表4為標(biāo)準(zhǔn)對ZPW2000及UM71型軌道電路網(wǎng)流諧波均方根值的規(guī)定。

表4 ZPW2000、UM71諧波限值

4 結(jié)束語

動車組、電力機(jī)車、城軌列車傳導(dǎo)干擾的測試是保證列車功能發(fā)揮正常、環(huán)境友好性的一系列重要試驗，這些試驗幫助整車設(shè)計人員和鐵路運(yùn)營人員檢驗了列車設(shè)備間的抗傳導(dǎo)干擾能力和網(wǎng)流諧波成分，對于列車的批量生產(chǎn)具有指導(dǎo)意義。