軌道交通車(chē)輛輻射測(cè)試超標(biāo)問(wèn)題分析

陳思　劉曉晶

摘 要：本文介紹了影響車(chē)輛輻射發(fā)射干擾因素中共模干擾和差模干擾的概念，同時(shí)對(duì)輻射超出限值的整改方案進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目給出了方案的應(yīng)用效果，為輻射超標(biāo)類(lèi)似問(wèn)題的整改提供了參考。

關(guān)鍵詞：軌道交通車(chē)輛;輻射發(fā)射;接地電容

1 軌道交通車(chē)輛輻射測(cè)試背景

電磁兼容是指設(shè)備或者系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中，能夠正常工作且不對(duì)該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。

在軌道交通領(lǐng)域，尤其是軌道車(chē)輛，運(yùn)行的線路以及線路周邊的電子、電力設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成了列車(chē)運(yùn)行的電磁環(huán)境;而軌道車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)通過(guò)空間輻射和傳導(dǎo)騷擾等方式對(duì)軌道設(shè)備及軌旁設(shè)備形成電磁騷擾，如果騷擾值超過(guò)了電磁兼容相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值，就很可能會(huì)降低其運(yùn)行的可靠性和安全性，從而影響列車(chē)正常的運(yùn)營(yíng)安全。

本文主要對(duì)輻射發(fā)射的干擾因素進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際軌道車(chē)輛項(xiàng)目中的案例來(lái)進(jìn)行具體分析和闡述。

2 影響車(chē)輛輻射發(fā)射的干擾因素

通過(guò)導(dǎo)線載流形成的電磁騷擾有兩種方式：共模（differential mode）干擾和差模（common mode）干擾[1]，它們同時(shí)也是車(chē)載設(shè)備形成輻射騷擾的重要原因。

車(chē)載設(shè)備的電纜通常都是由兩根導(dǎo)線組成，作為往返傳輸電力和信號(hào)的傳輸通道;此外還有另外一個(gè)導(dǎo)體的存在，那就是“地線”。假如兩個(gè)導(dǎo)線的等效阻抗分別為Z1和Z2，其終端所接的負(fù)載等效阻抗為Z，那么兩個(gè)載流導(dǎo)體之間的電位差就是形成差模干擾的根本原因。在差模電壓的影響下，會(huì)形成了兩種方向相反，大小相等的差模電流：。如下圖（左）所示：

共模騷擾定義為任一載流導(dǎo)體與參考地之間的電壓差，這種電壓的形成主要通過(guò)感應(yīng)的方式。通常情況下，作為往返通道的另兩個(gè)載流導(dǎo)體之間的間距會(huì)非常的近，因而兩根導(dǎo)線與地分別形成的感應(yīng)騷擾電壓大小相當(dāng)，方向相同。共模電壓在導(dǎo)體與地之間形成的電流實(shí)際上是位移電流，通過(guò)導(dǎo)體與大地之間的分布電容流向大地。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，兩個(gè)導(dǎo)線之間的距離不可能做到理想狀態(tài)，所以共模電流，負(fù)載兩端會(huì)產(chǎn)生壓差從而影響設(shè)備的性能和穩(wěn)定性。平衡電路中，導(dǎo)線上共模騷擾電流不會(huì)對(duì)與之相連的設(shè)備造成太大影響，由于電流方向一致，會(huì)在設(shè)備附近形成比差模騷擾大得多的場(chǎng)強(qiáng)，進(jìn)而通過(guò)近場(chǎng)耦合或者輻射的方式影響其他敏感設(shè)備[2]。共模電壓與共模電流分析詳見(jiàn)示意圖1（右）。

共模電流會(huì)在導(dǎo)線附近產(chǎn)生較大的場(chǎng)強(qiáng)，尤其是在電壓變化率較高的含有電力電子功率器件的電路中，這種現(xiàn)象更加的明顯。電壓的快速變化和寄生電容之間發(fā)生作用形成高頻振蕩，并通過(guò)空間場(chǎng)的方式輻射出去，對(duì)周邊的設(shè)備和設(shè)施形成不利影響。而接地電容的存在可以將共模電流形成的干擾就近與大地相接，從而在傳輸途徑上對(duì)騷擾起到了抑制作用。

3 案例分析

在某城市軌道交通車(chē)輛項(xiàng)目的輻射發(fā)射測(cè)試中，遇到了輻射值超標(biāo)的情況，經(jīng)過(guò)故障初步排查，確定最大的輻射源為牽引設(shè)備，具體測(cè)試的超標(biāo)情況（綠色為環(huán)境背景噪聲，藍(lán)色為實(shí)測(cè)值）如下：

4 初步方案及驗(yàn)證測(cè)試

根據(jù)以往的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)初步的故障排查和分析，在整車(chē)輻射發(fā)射中低頻段限值超標(biāo)的現(xiàn)象，主要是由牽引設(shè)備的輸入端和車(chē)體地之間的共?；芈穼?dǎo)致的，而原有的接地設(shè)計(jì)并不能夠很好的抑制共模干擾，通過(guò)改變接地電容的阻抗特性，可以有效地抑制整車(chē)輻射干擾。

由原始測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知：超標(biāo)頻點(diǎn)主要集中在80 kHz～100 kHz，而整個(gè)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案也是圍繞調(diào)節(jié)濾波參數(shù)來(lái)實(shí)施，從而降低超標(biāo)頻點(diǎn)處的輻射場(chǎng)強(qiáng)。

通過(guò)設(shè)計(jì)分析，初步定為將原有的1 μF電容組件替換為10 μF與1 μF電容并聯(lián)的接地排方案，經(jīng)牽引供應(yīng)商的仿真分析，電容組件更換后接地阻抗特性發(fā)生變化如下：

采用電容并聯(lián)接地排方案后，80 kHz附近的阻抗下降明顯，而160 kHz～260 kHz附近阻抗有所上升，經(jīng)過(guò)多次方案的調(diào)整和復(fù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)此頻段阻抗的上升并未導(dǎo)致明顯的輻射場(chǎng)強(qiáng)變化;換言之，就是采取一個(gè)相對(duì)折中的方案，在輻射超標(biāo)頻段上明顯降低阻抗特性，而在不敏感頻段或者距離限值有較大裕量的頻段上作出適當(dāng)讓步，從而使車(chē)輛的整體輻射特性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。整改后復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)如圖4。

數(shù)據(jù)結(jié)果表明，在80 kHz～100 kHz頻段上輻射場(chǎng)強(qiáng)值有比較明顯地降低，驗(yàn)證了之前阻抗特性分析的曲線，這次更換電容組件的優(yōu)化整改方案取得了顯著的效果。

5 總結(jié)

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來(lái)越多的城市都新建了軌道交通線路，軌道車(chē)輛電氣設(shè)計(jì)的復(fù)雜性使得電磁兼容的問(wèn)題時(shí)有發(fā)生，因而電磁兼容問(wèn)題的整改工作也逐漸成為軌道車(chē)輛電氣設(shè)計(jì)師需要關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄒澎，周曉萍.電磁兼容原理、技術(shù)和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2]聞?dòng)臣t，周克生，崔勇，等.電磁場(chǎng)與電磁兼容[M].北京：科學(xué)出版社，2010.