車(chē)體過(guò)電壓對(duì)動(dòng)車(chē)組軸端速度傳感器的影響機(jī)理

張國(guó)芹 高國(guó)強(qiáng)

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司電氣研發(fā)部，130062，長(zhǎng)春//第一作者，高級(jí)工程師)

近年來(lái)，我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組取得了快速的發(fā)展，但在運(yùn)行過(guò)程中，也發(fā)生過(guò)一些因車(chē)載軸端速度傳感器被車(chē)體浪涌過(guò)電壓干擾后，輸出脈沖信號(hào)異常，導(dǎo)致其他車(chē)載設(shè)備無(wú)法正常工作的故障情況[1-4]。這類(lèi)故障嚴(yán)重影響高速鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。

日本鐵路技術(shù)研究所的Satoru Hatsukade分析了車(chē)體浪涌過(guò)電壓產(chǎn)生的原因，認(rèn)為過(guò)高的車(chē)體浪涌過(guò)電壓會(huì)引起車(chē)載設(shè)備尤其是車(chē)載電子設(shè)備故障和損壞[5-6]；北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院的楊劍和北京通號(hào)國(guó)鐵城市軌道技術(shù)有限公司的王晟各自通過(guò)對(duì)速度傳感器工作原理及安裝方式的分析，均認(rèn)為車(chē)體與轉(zhuǎn)向架之間的浪涌過(guò)電壓會(huì)影響速度傳感器的輸出信號(hào)甚至導(dǎo)致速度傳感器損壞[1,7]；青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司的馬云雙通過(guò)對(duì)動(dòng)車(chē)組電磁干擾問(wèn)題的研究，認(rèn)為車(chē)體產(chǎn)生過(guò)高的浪涌過(guò)電壓會(huì)導(dǎo)致速度傳感器內(nèi)部絕緣薄弱處被擊穿[4]；西南交通大學(xué)的嚴(yán)加斌對(duì)速度傳感器電磁干擾問(wèn)題進(jìn)行了分析，認(rèn)為車(chē)體浪涌過(guò)電壓會(huì)通過(guò)屏蔽層與芯線(xiàn)間的寄生電容耦合到芯線(xiàn)內(nèi)，進(jìn)而對(duì)速度傳感器芯線(xiàn)中傳輸?shù)乃俣刃盘?hào)造成干擾[3]；西南交通大學(xué)的朱峰研究了弓網(wǎng)離線(xiàn)電弧對(duì)速度傳感器電磁干擾的影響，認(rèn)為弓網(wǎng)離線(xiàn)電弧產(chǎn)生的輻射干擾會(huì)導(dǎo)致車(chē)體地電位升高，進(jìn)而對(duì)速度傳感器的正常工作造成干擾[2]。已有文獻(xiàn)表明，車(chē)體浪涌過(guò)電壓會(huì)引起速度傳感器輸出脈沖信號(hào)異常，也會(huì)導(dǎo)致速度傳感器損壞，但目前尚缺乏可用于定量分析的仿真模型。

本文首先介紹了速度傳感器的安裝方式，在此基礎(chǔ)上分析了速度傳感器發(fā)生電磁干擾的原因，然后建立了速度傳感器的電磁耦合仿真模型。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性,同時(shí)采用仿真模型研究了車(chē)體浪涌過(guò)電壓幅值、信號(hào)傳輸電纜長(zhǎng)度及信號(hào)傳輸電纜屏蔽層串聯(lián)電容對(duì)速度傳感器電磁干擾的影響。

1 速度傳感器工作原理及安裝方式

軸端速度傳感器以檢測(cè)輪軸轉(zhuǎn)速的方式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度及運(yùn)行方向的檢測(cè)。其工作原理如圖1所示。

圖1 速度傳感器工作原理

由圖1可見(jiàn)，當(dāng)齒輪接近磁鐵時(shí)，磁力線(xiàn)就會(huì)集中到齒輪的齒部，并隨齒輪旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化。磁力線(xiàn)的移動(dòng)變化經(jīng)磁阻元件檢測(cè)和電路處理后轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)輸出，傳感器R通道、S通道的輸出脈沖信號(hào)相位相差90°，可以用來(lái)判斷輪軸的旋轉(zhuǎn)方向。例如，當(dāng)動(dòng)車(chē)組正向行駛時(shí)，R通道信號(hào)超前S通道信號(hào)90°，逆向行駛時(shí)，則R通道信號(hào)滯后S通道信號(hào)90°[4]。

速度傳感器電源與信號(hào)之間通過(guò)通過(guò)100 Ω電阻相連。當(dāng)速度傳感器前端的磁場(chǎng)改變時(shí)，傳感器依次輸出7 mA和14 mA兩個(gè)電流，該電流在電阻上形成0.7 V和1.4 V的兩個(gè)電壓，電源電壓減去電阻上的電壓得到速度信號(hào)的電壓[8]。如果在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中由于電磁干擾或其他原因?qū)е滤俣葌鞲衅鞯男盘?hào)輸出異常，則可能威脅到動(dòng)車(chē)組的安全運(yùn)行。

圖2為速度傳感器的安裝方式示意圖。從圖2可以看出，速度傳感器外殼使用鋼板固定于轉(zhuǎn)向架上，為減小傳感器信號(hào)電纜屏蔽層中流過(guò)的低頻干擾電流，在傳感器外殼與電纜屏蔽層之間串聯(lián)一個(gè)小封裝的4.7 pF電容。速度傳感器使用多芯屏蔽電纜，穿過(guò)列車(chē)車(chē)體機(jī)艙，與SDU模塊的X4連接器相連(SDU模塊為列車(chē)自動(dòng)保護(hù)(ATP)系統(tǒng)的測(cè)速測(cè)距單元，能夠接收速度傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)[4])。

圖2 速度傳感器安裝示意圖

由于屏蔽層的一端與車(chē)體相連，另一端與轉(zhuǎn)向架地相連，車(chē)體浪涌過(guò)電壓會(huì)通過(guò)屏蔽層與芯線(xiàn)間的耦合電感和耦合電容對(duì)芯線(xiàn)內(nèi)傳輸?shù)乃俣刃盘?hào)造成干擾。

2 電磁干擾仿真分析

2.1 仿真模型構(gòu)建

動(dòng)車(chē)組在升降弓、主斷路器閉合以及接觸網(wǎng)遭到雷擊時(shí)車(chē)體容易產(chǎn)生浪涌過(guò)電壓[9-13]。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，車(chē)體浪涌過(guò)電壓典型波形如圖3所示。通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)車(chē)體浪涌過(guò)電壓進(jìn)行傅里葉頻譜分析，可以得到圖4所示頻譜波形。

圖3 車(chē)體浪涌過(guò)電壓實(shí)測(cè)波形

圖4 車(chē)體浪涌過(guò)電壓頻譜波形

從圖4可以看出，車(chē)體浪涌過(guò)電壓頻率分量集中在1 MHz以?xún)?nèi)。以最高頻率1 MHz來(lái)考慮，車(chē)體浪涌過(guò)電壓的最短波長(zhǎng)為300 m。又由于速度傳感器信號(hào)傳輸電纜的長(zhǎng)度小于單節(jié)車(chē)廂的長(zhǎng)度(25 m)，所以車(chē)體浪涌過(guò)電壓的波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)信號(hào)傳輸電纜的長(zhǎng)度，因此，信號(hào)傳輸電纜上各點(diǎn)電壓和電流可看成恒定值，車(chē)體浪涌過(guò)電壓通過(guò)電纜屏蔽層對(duì)電纜芯線(xiàn)的干擾可以看成是由集總電容和電感引入的。建立的速度傳感器電磁干擾仿真模型如圖5所示。

圖5 速度傳感器電磁耦合仿真模型

圖5中，兩根導(dǎo)線(xiàn)平行，其中一根導(dǎo)線(xiàn)為等效屏蔽層，一端有干擾源Us，另一端有串聯(lián)電容Cseries，而Rshield和Lshield分別為屏蔽層等效電阻和電感;另一根導(dǎo)線(xiàn)為等效芯線(xiàn)，Rseries為芯線(xiàn)串聯(lián)電阻，Rwire和Lwire分別為芯線(xiàn)等效電阻和電感，K為屏蔽層與芯線(xiàn)間耦合電感的耦合因數(shù)，Ccoupling為屏蔽層與芯線(xiàn)間耦合電容。這里由于Rshield和Rwire遠(yuǎn)小于芯線(xiàn)串聯(lián)電阻Rseries，因此可以被忽略。

車(chē)體浪涌過(guò)電壓一方面引起電纜屏蔽層通過(guò)浪涌電流，進(jìn)而通過(guò)耦合電感影響到芯線(xiàn)的輸出信號(hào)；另一方面直接通過(guò)電纜屏蔽層與芯線(xiàn)間耦合電容在芯線(xiàn)上產(chǎn)生干擾。

2.2 仿真參數(shù)確定

根據(jù)速度傳感器發(fā)生電磁干擾的理論分析可知，多芯屏蔽電纜和屏蔽同軸電纜受到干擾的基本原理相同，因此，本文采用屏蔽同軸電纜進(jìn)行仿真分析。

動(dòng)車(chē)組常用的編織型同軸電纜參數(shù)如下：電纜屏蔽層以及芯線(xiàn)材料均為銅[14]，屏蔽層直徑D=2.95 mm，厚度Δ=0.15 mm，內(nèi)芯直徑d=0.9 mm,電導(dǎo)率σ=5.8×107 s/m，磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m，芯線(xiàn)與屏蔽層間絕緣材料為聚乙烯，其相對(duì)介電常數(shù)為2.3。這里假設(shè)速度傳感器信號(hào)傳輸電纜長(zhǎng)度為1 m。

Rseries為速度傳感器電源與信號(hào)之間的串聯(lián)電阻，阻值為100 Ω；Cseries為屏蔽層串聯(lián)電容，電容值為4.7 pF；Lwire為芯線(xiàn)自感，芯線(xiàn)為圓截面直導(dǎo)線(xiàn)，其計(jì)算公式和計(jì)算結(jié)果如下[15]：

15.2×10-6H=1.52 μH

式中：

l——導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度，m；

r——導(dǎo)線(xiàn)截面半徑，m。

Lshield為電纜屏蔽層的自感，屏蔽層類(lèi)似圓截面空心直導(dǎo)線(xiàn)，其計(jì)算公式和計(jì)算結(jié)果如下：

14.8×10-6H=1.48 μH

式中：

c——屏蔽層內(nèi)半徑q和外半徑r之比對(duì)應(yīng)的距離系數(shù)，由表1[15]取值。

表1 屏蔽層圓環(huán)截面幾何平均距離系數(shù)

K為屏蔽層與芯線(xiàn)間耦合電感的耦合系數(shù)，其計(jì)算公式和計(jì)算結(jié)果如下[16]：

式中：

Lwire——芯線(xiàn)自感；

Lshield——屏蔽層自感；

M——屏蔽層與芯線(xiàn)的互感。

由于所有屏蔽層上電流產(chǎn)生的磁通全部包圍著芯線(xiàn)，所以屏蔽層與芯線(xiàn)的互感等于屏蔽層的自感[17]。

Ccoupling為電纜屏蔽層與芯線(xiàn)的耦合電容，其計(jì)算公式和計(jì)算結(jié)果如下[18]：

式中：

ξr——聚乙烯材料的相對(duì)介電常數(shù)；

l——導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度，m；

D——電纜屏蔽層直徑，mm；

d——電纜內(nèi)芯直徑，mm。

干擾源Us采用Pspice軟件自帶的指數(shù)電壓源。仿真模型中各元件參數(shù)如表2所示。

2.3 仿真結(jié)果分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)車(chē)體浪涌過(guò)電壓的持續(xù)時(shí)間為微秒級(jí)[19-20]，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定車(chē)載電子設(shè)備的浪涌試驗(yàn)波形為5/50 μs[21]，因此，仿真所加信號(hào)源為單極性浪涌過(guò)電壓波形(見(jiàn)圖6)，其上升時(shí)間為5 μs，電壓峰值為10 V。

圖7所示為芯線(xiàn)串聯(lián)電阻Rseries兩端的串?dāng)_電壓波形。由圖可知，在車(chē)體浪涌過(guò)電壓峰值為10 V時(shí)，芯線(xiàn)串聯(lián)電阻感應(yīng)出峰值為0.012 V的浪涌電壓?？梢酝茰y(cè)，當(dāng)車(chē)體浪涌過(guò)電壓進(jìn)一步增大時(shí)，芯線(xiàn)干擾電壓也會(huì)隨之增大。當(dāng)芯線(xiàn)干擾電壓超過(guò)速度傳感器正常最低輸出信號(hào)電壓0.7 V時(shí)，則可能對(duì)速度傳感器正常工作造成干擾。

表2 電磁耦合仿真模型元件參數(shù)

圖6 車(chē)體浪涌過(guò)電壓仿真波形

圖7 電纜芯線(xiàn)串聯(lián)電阻兩端電壓

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步證實(shí)車(chē)體浪涌過(guò)電壓對(duì)速度傳感器的電磁干擾問(wèn)題，本文還進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證工作。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D8所示。

圖8中信號(hào)發(fā)生器與屏蔽層及4.7 pF電容串聯(lián)，同軸電纜芯線(xiàn)串聯(lián)100 Ω的電阻Rseries，信號(hào)發(fā)生器輸出電壓的峰值為10 V，波形如圖9所示。

圖8 速度傳感器電磁干擾試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖9 信號(hào)發(fā)生器輸出電壓仿真波形

圖10為芯線(xiàn)串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓的實(shí)測(cè)波形。由圖可知，當(dāng)信號(hào)發(fā)生器輸出浪涌電壓峰值為10 V時(shí)，在電纜芯線(xiàn)串聯(lián)電阻可以感應(yīng)出峰值為0.010 V的干擾電壓。試驗(yàn)波形和仿真波形兩者均發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)振蕩衰減，衰減時(shí)間約0.3 μs。在幅值方面，仿真值0.012 V與試驗(yàn)值0.010 V基本一致。

圖10 芯線(xiàn)串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓實(shí)測(cè)波形

4 干擾因素分析

4.1 車(chē)體浪涌過(guò)電壓的干擾

動(dòng)車(chē)組在不同運(yùn)行工況下，車(chē)體浪涌過(guò)電壓是不斷變化的。在電纜長(zhǎng)度為1 m、屏蔽層串聯(lián)電容為4.7 pF的情況下，車(chē)體浪涌過(guò)電壓對(duì)芯線(xiàn)串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓的干擾仿真如圖11所示。

仿真結(jié)果表明，芯線(xiàn)串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓與車(chē)體浪涌過(guò)電壓幅值基本呈正比。當(dāng)車(chē)體浪涌過(guò)電壓為2 000 V時(shí)，芯線(xiàn)串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓為2.4 V，增幅為原來(lái)的10倍。而速度傳感器的正常輸出信號(hào)在串聯(lián)電阻上產(chǎn)生的電壓為0.7 V和1.4 V。由此可見(jiàn)，車(chē)體浪涌過(guò)電壓幅值過(guò)大會(huì)可能會(huì)影響速度傳感器的正常輸出信號(hào)。

圖11 車(chē)體浪涌過(guò)電壓的干擾仿真波形

4.2 電纜長(zhǎng)度的干擾

動(dòng)車(chē)組的速度傳感器與SDU單元通過(guò)信號(hào)傳輸電纜相連。由于速度傳感器安裝于不同的轉(zhuǎn)向架上，SDU單元安裝于列車(chē)自動(dòng)駕駛(ATP)機(jī)柜內(nèi)部，因此，速度傳感器至SDU單元的電纜長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生變化。

圖12所示為在車(chē)體浪涌過(guò)電壓為10 V、屏蔽層串聯(lián)電容為4.7 pF的情況下，信號(hào)電纜長(zhǎng)度與芯線(xiàn)串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，當(dāng)信號(hào)電纜長(zhǎng)度從2 m至20 m變化時(shí)，芯線(xiàn)串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓從0.023 V增加到了0.180 V，增幅為原來(lái)的7.5倍。

圖12 電纜長(zhǎng)度的干擾仿真波形

4.3 屏蔽層串聯(lián)電容的干擾

信號(hào)傳輸電纜屏蔽層串聯(lián)的電容大小不同，會(huì)直接影響到通過(guò)屏蔽層的浪涌電流的大小。由于屏蔽層的浪涌電流會(huì)通過(guò)感性耦合對(duì)傳感器芯線(xiàn)產(chǎn)生干擾，因此選擇不同大小的耦合電容分析其對(duì)芯線(xiàn)串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓的影響。

圖13中反映了在車(chē)體浪涌電壓為10 V、信號(hào)電纜長(zhǎng)度為1 m時(shí)，電纜屏蔽層串聯(lián)電容對(duì)芯線(xiàn)串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓的干擾。由圖可以看出，當(dāng)電容值從100 pF至1 000 pF變化時(shí)，芯線(xiàn)感應(yīng)電壓從0.016 V增加到了0.043 V，增幅為原來(lái)的2.6倍。

圖13 電纜屏蔽層串聯(lián)電容的干擾仿真波形

5 結(jié)論

本文對(duì)動(dòng)車(chē)組速度傳感器電磁干擾問(wèn)題進(jìn)行了分析，建立了速度傳感器的電磁耦合仿真模型?；诜抡娣治?，得出以下結(jié)論：

(1) 車(chē)體浪涌電壓過(guò)越大，對(duì)速度傳感器的電磁干擾也越大。當(dāng)車(chē)體浪涌過(guò)電壓為2 000 V時(shí)，芯線(xiàn)串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓可達(dá)2.4 V。

(2) 信號(hào)電纜越長(zhǎng)，對(duì)速度傳感器的電磁干擾也越大。當(dāng)電纜長(zhǎng)度從2 m到20 m變化時(shí)，芯線(xiàn)串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓從0.023 V增加到了0.18 V，增幅為原來(lái)的7.5倍。

(3) 屏蔽層串聯(lián)電容越大，對(duì)速度傳感器的電磁干擾也越大。當(dāng)電容值從100 pF到1 000 pF變化時(shí)，芯線(xiàn)串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓從0.016 V增加到了0.043 V，增幅為原來(lái)的2.6倍。

(4) 對(duì)比車(chē)體浪涌過(guò)電壓與信號(hào)電纜和屏蔽層串聯(lián)電容變化對(duì)速度傳感器的電磁干擾影響可知，車(chē)體浪涌過(guò)電壓的變化對(duì)速度傳感器的電磁干擾影響最大，且基本成正比例關(guān)系。

本文建立的仿真模型只考慮了傳導(dǎo)干擾對(duì)速度傳感器傳輸信號(hào)的影響，如增加考慮輻射干擾的影響，則分析結(jié)果會(huì)更加完善。