某型城市軌道交通車輛停于分相區(qū)時的弓網(wǎng)干擾影響因素分析

邱作成 馬 強 劉 杰

(中車長春軌道客車股份有限公司， 130062， 長春∥第一作者， 碩士研究生)

某型城市軌道交通車輛停于分相區(qū)，當進行分、合閘操作時，各車的軸端速度傳感器信號會受到干擾，誤報出速度傳感器故障。為驗證干擾現(xiàn)象，特在車輛上安裝測試傳感器，捕捉干擾信號。通過測試工作接地與保護接地的接地電流，以及4車、5車之間的車鉤電流情況，判斷分相區(qū)在分、合閘時對各位置速度傳感器造成的影響。

1 試驗方法及測點布置

1.1 電壓測量

車體軸端電壓測試原理如圖1所示。用接線銅鼻子從A、B點處獲取電壓信號，并與分壓器輸入端(變比為2 000∶1)相連接，分壓器輸出端通過同軸電纜與數(shù)據(jù)采集器相連接，再與PC機相連接。

圖1 車體軸端電壓測試原理圖

1.2 電流測量

為了測得工作接地與保護接地電流的幅值及相位，需構建一套完整的測試與記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括獨立數(shù)據(jù)采集模塊、小型UPS(不間斷電源)、電流傳感器、同軸電纜，其測試原理圖如圖2所示。電流鉗夾于接地電纜上，當有電流流過時，通過電流鉗的電磁感應，輸出±5 V左右的交流電壓信號，該信號通過同軸電纜傳送到采集器并保存。采集盒內(nèi)的電源模塊將DC 220 V轉(zhuǎn)換成DC 12 V，給數(shù)據(jù)采集器供電。

圖2 車體軸端電流測試原理圖

1.3 測點布局及布線安裝

選擇車組中的2車、3車、4車、5車、6車、7車共6節(jié)車為測試對象，在每節(jié)車上均安裝一套獨立測試系統(tǒng)(包括電源、采集模塊、電流鉗)。測點布局圖如圖3所示。

圖3 測點布局圖

1) 電流測試布線。所有電流采集均采用Fluke的卡鉗式電流傳感器，電流傳感器的信號由同軸電纜經(jīng)過塞拉門引入車上，并連接至數(shù)據(jù)采集盒，數(shù)據(jù)采集設備置于車上；卡鉗式電流傳感器套在轉(zhuǎn)向架軸端地線接構架處，傳感器連接線纜沿構架用扎帶固定至數(shù)據(jù)采集盒。

2) 電壓測試布線。在轉(zhuǎn)向架軸端接地線所接構架處接高壓測試線，在構架裸銅線所接車體接地塊處接另一個高壓測試線，線纜沿構架用扎帶固定，經(jīng)過裙板和塞拉門固定后至車上高壓分壓器和數(shù)據(jù)采集盒。

2 測試結果及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗現(xiàn)象

工況一：列車停于分相區(qū)中，升起3車受電弓，各個車均沒有速度傳感器故障碼。

工況二：列車停于分相區(qū)中，升起6車受電弓，4車、5車、6車、7車、8車均出現(xiàn)速度傳感器故障碼，6車受電弓與供電線產(chǎn)生持續(xù)的弓網(wǎng)拉弧現(xiàn)象，伴隨明顯的火光，并連續(xù)發(fā)出很大的“嗞、嗞”的放電聲音?，F(xiàn)場弓網(wǎng)拉弧的現(xiàn)象如圖4所示。

工況三:列車駛出分相區(qū)停車，反復進行升降弓和開斷主斷操作，各個車均沒有速度傳感器故障碼。

2.2 速度傳感器誤報原因分析

列車在分相區(qū)中出現(xiàn)速度傳感器誤報，與6車受電弓所在的位置有關。如圖4所示，無電區(qū)長度為23 m，跨在5車上方，6車受電弓升起時在供電線和中性線的交接處，6車受電弓距離無電區(qū)不足6 m。故此時6車受電弓與B相供電線之間存在間隙，導致絕緣擊穿，產(chǎn)生電弧，形成持續(xù)的過電壓沖擊，傳遞到高壓電纜纜芯上；高壓電纜纜芯與屏蔽層耦合，在高壓電纜屏蔽層上產(chǎn)生較高的感應過電壓，傳遞到車體上，形成持續(xù)的浪涌過電壓；浪涌過電壓通過車體傳導到軸端，導致列車各個車體軸端電位有持續(xù)的3 kV左右的浪涌過電壓沖擊，引發(fā)列車速度傳感器等設備誤報。

圖4 弓網(wǎng)拉弧示意圖

2.3 電壓測試結果

1) 升6車受電弓電壓測試結果(以5車為例)如圖5～6所示。由圖5可知，升起6車受電弓后、閉合主斷之前，每隔1 ms左右，5車4軸車體軸端就會出現(xiàn)幅值在1 kV左右的浪涌過電壓。由圖6可知，閉合主斷之后，每隔1 ms左右，5車4軸車體軸端就會出現(xiàn)幅值在1.43 kV左右的浪涌過電壓。同時，車體軸端持續(xù)存在幅值為100 V左右的正弦電壓。

圖5 閉合主斷之前5車4軸車體軸端各速度傳感器輸入端

圖6 斷開主斷之前5車4軸車體軸端各速度傳感器輸入端

2) 升3車車受電弓電壓測試結果(以5車為例)如圖7～8所示。由圖7可見，升起3車受電弓后、閉合主斷之前，每隔1 ms左右，5車4軸車體軸端每隔，就會出現(xiàn)幅值在200 V左右的浪涌過電壓。由圖8可知，閉合主斷之后，每隔1 ms左右，5車4軸車體軸端就會出現(xiàn)幅值1.4 kV左右的浪涌過電壓。同時，車體軸端持續(xù)存在幅值為8 V左右的正弦電壓。

圖7 閉合主斷之前5車4軸車體軸端各速度傳感器輸入端

圖8 斷開主斷之前5車4軸車體軸端各速度傳感器輸入端

升弓未閉合主斷包括升弓后閉合主斷前以及斷開主斷后降弓前兩種情況。由于每種情況浪涌過電壓波動范圍較大且持續(xù)時間較長，存在一個浪涌過電壓幅值波動范圍，且這兩種情況的浪涌過電壓平均幅值大致相同。因此，為了方便分析數(shù)據(jù)，取兩種情況的平均值作為升弓未閉合主斷時刻的浪涌過電壓幅值。

2.4 電壓測試結果理論分析

1) 在閉合主斷后，絕大部分車體軸端浪涌過電壓平均幅值比未閉合主斷時的浪涌過電壓平均幅值大。這是因為在未閉合主斷時，過電壓只能通過高壓電纜與屏蔽層之間的耦合向下傳播；而當閉合主斷后，過電壓能沿高壓電纜纜芯及纜芯與屏蔽層間的耦合向下傳播，導致車體軸端電壓顯著升高。

2) 當單獨升3車受電弓時，閉合主斷后出現(xiàn)的正弦電壓幅值比升6車受電弓時小很多。這是因為軌道接地回流吸上線的位置靠近1車，當單獨升3車受電弓時，閉合主斷后接地電流傳遞到鋼軌，大部分接地電流流向1車方向進入軌道接地吸上線；只有少部分電流流向8車方向，并在所流過的各個保護接地軸端之間形成環(huán)流，其中4車和5車各個保護接地軸端中的環(huán)流較大，故在4車和5車的車體上產(chǎn)生一個幅值較大的正弦電壓。此時總工作接地電流大。由于軌道接地回流吸上線離1車較近，接地電流通過各個保護接地軸端在整列車上形成環(huán)流，在每節(jié)車的車體上都產(chǎn)生一個幅值較大的正弦波電壓，幅值最大達到222 V。

由以上測試數(shù)據(jù)分析可以看出，4車和5車的速度傳感器兩端的浪涌過電壓幅值大，這是因為4車和5車沒有設置保護接地，車體上的浪涌過電壓不能很好地瀉放到鋼軌，故出現(xiàn)傳感器誤報的幾率大；6車離弓網(wǎng)拉弧位置近，故在6車位置產(chǎn)生的浪涌過電壓的幅值更大；浪涌過電壓會在頭車發(fā)生折反射，從而使頭車的車體浪涌過電壓幅值增大。

2.5 電流測試結果理論分析

1) 當列車升起6車弓后、閉合主斷之前，接地電流波形出現(xiàn)少量干擾，干擾波形幅值較小。在閉合主斷之后，各車接地電流波形干擾增多，干擾波形幅值增大。這是因為在閉合主斷后，過電壓可以通過高壓電纜纜芯向下傳播至各個接地軸端，并在各個接地軸端的纜芯中產(chǎn)生高頻過電壓，故在電流信號測試傳感器中產(chǎn)生較大干擾。

2) 在閉合主斷狀態(tài)下，各個軸端接地電流在列車升6車受電弓時比單升3車受電弓時干擾大。以5車4軸保護接地電流為例，升6車弓、閉合主斷后5車4軸接地電流與升3車弓、閉合主斷后5車4軸接地電流相比，前者干擾波形多，如圖9～10所示。

圖9 升6車弓、閉合主斷后5車4軸接地電流波形圖

3) 列車閉合主斷之后，各個軸端接地電流和車鉤中的電流均出現(xiàn)正弦電流波形，這是因為閉合主斷后，工作接地電流通過軸端瀉放到鋼軌，并在各個接地軸端、車體之間的等勢線和車鉤中形成環(huán)流。各個軸端的環(huán)流大小、流向以及車軸端電位抬升的幅值大小由列車的升弓狀態(tài)、吸上線的位置、軌道特性等因素共同影響。

圖10 升3車弓、閉合主斷后5車4軸接地電流波形

3 解決方案研究

1) 通過在線路中性線和鋼軌之間加裝阻容性的吸收裝置來抑制過電壓。當列車經(jīng)過既有線路產(chǎn)生電弧時，浪涌過電壓可以通過中性線與鋼軌之間的電容來吸收；在線路空載時，電阻對電容的泄漏電流有阻隔作用。阻容性的吸收裝置的具體參數(shù)有待本次試驗數(shù)據(jù)的深入分析后提供。

2) 在列車駛離分相區(qū)時，注意控制主斷閉合時間，保證受電弓與供電線分離距離足夠大后，再閉合主斷，這樣會在一定程度上減少浪涌過電壓的沖擊。

3) 在列車車載電氣設備輸入端(如速度傳感器的輸入端)加裝卡鉗式濾波磁環(huán)，在高頻浪涌過電壓沖擊時，該磁環(huán)自動呈現(xiàn)高阻抗，對過電壓進行有效的阻擋。正常工作時，該磁環(huán)阻抗很低，不會影響傳感器的正常工作，可以有效抑制車載電氣設備被浪涌過電壓干擾。卡鉗式濾波磁環(huán)的阻抗和吸收頻帶的設計有待對試驗數(shù)據(jù)進行傅里葉頻譜展開深入分析后得出。

4 結論

1) 車輛停在分相區(qū)內(nèi)合閘操作時速度傳感器故障誤報是由6車受電弓所在的特殊位置引起的。6車受電弓升起時在供電線和中性線的交接處，6車受電弓距離無電區(qū)不足10 m，此時6車受電弓與B相供電線之間縱向的電氣絕緣間隙不夠，導致絕緣擊穿，產(chǎn)生電弧，形成持續(xù)的過電壓沖擊；過電壓一部分通過互感器的接地點、電纜層分布電容及電纜接地點耦合到車體上，當主斷閉合時，過電壓另一部分傳遞到高壓電纜纜芯上；高壓電纜纜芯與屏蔽層耦合，并通過屏蔽層與車體的接地點及屏蔽層與車體的分布電容傳遞到車體上，形成持續(xù)的浪涌過電壓，導致車體瞬態(tài)電位劇烈波動。浪涌過電壓通過車體傳導到軸端，導致列車各個車體軸端電位有持續(xù)的3 kV左右的浪涌過電壓沖擊，引發(fā)列車速度傳感器等設備誤報。

2) 當列車閉合主斷的時候，列車接地電流傳遞到鋼軌，在回流的過程中會在列車各個接地軸端、車體等勢線和車鉤中形成環(huán)流，同時使車體產(chǎn)生一定的電位抬升。各個軸端的環(huán)流大小、流向以及車體電位抬升的大小受列車的升弓狀態(tài)、吸上線的位置、軌道特性等因素影響。