同相供電鐵路系統(tǒng)電磁騷擾測試及特性研究*

王雅婷，余 俊，王延哲，周 毅，蘇發(fā)明

（1 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；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京 100094；3 動(dòng)車組和機(jī)車牽引與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

我國現(xiàn)有的接觸網(wǎng)單邊供電方式、牽引變電所連接形式以及換接相序使得牽引供電系統(tǒng)存在電分相環(huán)節(jié)、諧波以及負(fù)序等問題［1］。文獻(xiàn)［2］提出解決這些問題的方法之一是建設(shè)同相供電系統(tǒng)，同相供電系統(tǒng)為軌道交通機(jī)車車輛提供相同相位電壓［3］。2010年，我國已于成昆鐵路眉山牽引變電所將同相供電裝置投入運(yùn)用。2018年溫州市域鐵路S1線開通，采用了單向組合式同相供電系統(tǒng)［4］。我國高速鐵路開通前都要進(jìn)行聯(lián)調(diào)聯(lián)試，其中包括整個(gè)軌道系統(tǒng)對外界的電磁發(fā)射測試，以評估其系統(tǒng)對環(huán)境的電磁影響［5］。文獻(xiàn)［6］測試和分析了城市軌道交通牽引變電所工頻磁場和工頻電場水平，文獻(xiàn)［7］測試和分析了動(dòng)車組的射頻電磁騷擾，文獻(xiàn)［8］對牽引電流傳導(dǎo)性干擾和瞬態(tài)電磁騷擾的影響機(jī)理和防護(hù)技術(shù)開展了研究，但現(xiàn)有文獻(xiàn)都未開展基于同相供電的射頻電磁騷擾測試和相關(guān)研究。本研究基于溫州S1線電磁騷擾研究試驗(yàn)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，將其與國際國內(nèi)鐵路系統(tǒng)電磁發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比，并橫向?qū)Ρ痊F(xiàn)有基于AT供電的鐵路系統(tǒng)發(fā)射電磁騷擾數(shù)據(jù)，分析溫州S1線同相供電鐵路系統(tǒng)的電磁騷擾特性。

1 溫州S1線同相供電系統(tǒng)

溫州S1線同相供電系統(tǒng)采用單相組合式同相供電方案，實(shí)際上是基于有源對稱補(bǔ)償同相供電系統(tǒng)的一種優(yōu)化［9］，如圖1所示，由同相補(bǔ)償裝置CPD和牽引變壓器TT組成，其中同相補(bǔ)償裝置由高壓匹配變壓器HMT、交直交變流器ADA和牽引匹配變壓器TMT組成。實(shí)際上，牽引變壓器和高壓匹配變壓器并聯(lián)構(gòu)成Scott型式的供電容量及電壓幅值不等但電壓相位垂直的特殊三相—兩相平衡變壓器，牽引變壓器容量為2×（16+5）MVA。

圖1 單相組合式同相供電方案

在同相變電所投入運(yùn)用時(shí)，單相組合式供電方案有2種運(yùn)行型式，一種是同相供電裝置全天候運(yùn)行，另外一種是當(dāng)牽引復(fù)合功率接近負(fù)序功率允許值時(shí)投入補(bǔ)償。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，同相供電裝置包括交直交變換裝置，IGBT元器件的開關(guān)伴隨著電壓電流的瞬時(shí)突變會(huì)向外部空間產(chǎn)生電磁騷擾，這便是它與現(xiàn)有鐵路牽引變電所直接變壓器變換電能之間在電磁發(fā)射方面的差異。

2 整個(gè)同相供電鐵路系統(tǒng)電磁騷擾機(jī)理

同相供電鐵路整個(gè)系統(tǒng)不僅包括同相供電牽引變電所，還包括在線運(yùn)行的動(dòng)車組以及牽引供電線路等裝置。整個(gè)同相供電鐵路系統(tǒng)的電磁騷擾主要分為3個(gè)部分，如圖2所示。

圖2 同相供電鐵路系統(tǒng)射頻電磁騷擾發(fā)射機(jī)理示意圖

（1）動(dòng)車組對外部環(huán)境的電磁騷擾：動(dòng)車組高速運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)部參與驅(qū)動(dòng)的牽引電機(jī)、牽引變流器、牽引變壓器都是電磁騷擾的發(fā)射源，并且車內(nèi)空調(diào)、照明燈輔助設(shè)施供電的輔助變流器也是電磁發(fā)射源。

（2）牽引變電所對外部環(huán)境的電磁騷擾：牽引變電所內(nèi)部的牽引變壓器以及同相補(bǔ)償裝置在工作中涉及電功率和電流的變化，會(huì)產(chǎn)生電磁騷擾。

（3）接觸網(wǎng)產(chǎn)生的電磁騷擾：動(dòng)車組牽引和電制過程中產(chǎn)生的諧波電流會(huì)作用在接觸網(wǎng)中，通過電磁感應(yīng)對模擬通信線路產(chǎn)生電磁騷擾。

3 鐵路系統(tǒng)電磁發(fā)射測試

針對整個(gè)軌道系統(tǒng)的電磁發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)，歐洲采用文獻(xiàn)［10］開展測試，我國則采用《GB/T 24338.2-2018軌道交通 電磁兼容 第2部分：整個(gè)軌道系統(tǒng)對外界的發(fā)射》［11］。

3.1 機(jī)車車輛運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)發(fā)射

測量頻率為9 kHz~1 GHz，其中9 kHz~150 kHz，由于無線電極少工作在此頻段一般不對該頻率范圍進(jìn)行評價(jià)。根據(jù)GB/T 6113.101的規(guī)定，9 kHz~150 kHz的測量帶寬采用200 Hz帶寬，150 kHz~30 MHz采用9 kHz帶寬，30 MHz~1 GHz采用120 kHz帶寬。不同頻率選擇不同天線，環(huán)形天線用于采集9 kHz~30 MHz的磁場，雙錐偶極子天線用于測量30 MHz~300 MHz的電場，對數(shù)周期天線采集300 MHz~1 GHz電場。天線距離軌道中心10 m，如果試驗(yàn)現(xiàn)場無法滿足10 m的要求?？赏ㄟ^式（1）進(jìn)行換算。

式中：E10為等效10 m法的測量結(jié)果；Ex為D（天線距列車的投影距離，m）處的測量值，單位為分貝微伏每米（dBμV/m）；n為系數(shù)值，其中0.15 MHz~0.4 MHz，n取 值1.8；0.4 MHz~1.6 MHz，n取 值1.65；1.6 MHz~110 MHz，n取值1.2；110 MHz~1 000 MHz，n取值1。

天氣條件以干燥天氣為宜，24 h內(nèi)降水不大于0.1 mm，溫度不小于5℃，風(fēng)速小于10 m/s。

對于機(jī)車車輛的運(yùn)行條件，包括2種：機(jī)車車輛運(yùn)行在90%的最大速度且功率為當(dāng)前速度下的最大功率以及特定速度下的最大額定功率。

3.2 牽引變電所的射頻發(fā)射

牽引變電所的重要特征是負(fù)載在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生大幅度變化，而發(fā)射與負(fù)載的大小相關(guān)，因此測量時(shí)應(yīng)記錄牽引變電所的實(shí)際負(fù)載。

在牽引變電所柵欄（圍墻）10 m外布置測點(diǎn)。由于被測牽引變電所柵欄（圍墻）距離軌道中心在30 m之內(nèi)，本次測試僅針對除了面向軌道側(cè)之外的其他3邊柵欄（圍墻）進(jìn)行。

使用環(huán)形天線測量9 kHz~30 MHz的發(fā)射，天線的方向?yàn)樽畲蟀l(fā)射值方向，牽引變電所的負(fù)載不小于額定負(fù)載的30%；使用雙錐天線測量30 MHz~300 MHz的發(fā)射最大值，變電所的負(fù)載不小于額定負(fù)載的15%；使用對數(shù)周期天線測量300 MHz~1 GHz的發(fā)射，天線的方向?yàn)樽畲蟀l(fā)射值方向，牽引變電所的負(fù)載不小于額定負(fù)載的15%。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖3所示，溫州S1線同相供電變電所如圖4所示，牽引變電所的發(fā)射限值如圖5所示［11］。

圖3 機(jī)車車輛運(yùn)行試驗(yàn)現(xiàn)場

圖5 牽引變電所的發(fā)射限值

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 機(jī)車車輛運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)發(fā)射對比

文獻(xiàn)［12］記錄了哈大線聯(lián)調(diào)聯(lián)試，機(jī)車車輛運(yùn)行時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)方法只測試了1 MHz和150 MHz的無線電干擾數(shù)據(jù)，試驗(yàn)干擾場強(qiáng)隨速度變化曲線如圖6、圖7所示。1 MHz場強(qiáng)均值為95 dBμV/m，150 MHz場強(qiáng)均值為62 dBμV/m。

圖6 1 MHz輻射場強(qiáng)隨速度變化曲線

圖7 150 MHz輻射場強(qiáng)隨速度變化曲線

在基于同相供電系統(tǒng)的溫州S1線，實(shí)測1 MHz場強(qiáng)均值為87 dBμV/m，150 MHz場強(qiáng)均值為55 dBμV/m，如圖8所示。根據(jù)文獻(xiàn)［11］限值要求，1 MHz為110 dBμV/m，150 MHz限值為88 dBμV/m。2種供電方式的鐵路系統(tǒng)發(fā)射都在限值以內(nèi)，并且，市域動(dòng)車組在溫州S1線同相供電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)比動(dòng)車組在AT供電的鐵路上運(yùn)行時(shí)在1 MHz和150 MHz特征頻率的場強(qiáng)值小7~8 dBμV/m。

圖8 2種供電方式特征頻點(diǎn)場強(qiáng)對比

4.2 牽引變電所發(fā)射分析

在滿足試驗(yàn)天氣條件的情況下，試驗(yàn)在溫州S1線同相供電變電所外取測點(diǎn)，應(yīng)用準(zhǔn)峰值模式測試了9 kHz~1 GHz全頻段變電所電磁發(fā)射場強(qiáng)。

背景噪聲的取值是在變電所空載運(yùn)行，即線路上動(dòng)車組靜置且斷電降弓的條件下進(jìn)行。測試曲線如圖9~圖11所示，超限的頻點(diǎn)如100.3 MHz、88.8 MHz、800 MHz~1 GHz等尖峰頻點(diǎn)或頻段，均為無線電廣播頻點(diǎn)、電視伴音信號(hào)或手機(jī)信號(hào)波段［13］，非被試變電所主動(dòng)發(fā)射的無線電騷擾。

圖9 9 k Hz~30 MHz頻段變電所對外射頻騷擾

圖10 30 MHz~200 MHz頻段變電所對外射頻騷擾

圖11 200 MHz~1 GHz頻段變電所對外射頻騷擾

試驗(yàn)結(jié)果表明，有車運(yùn)行時(shí)和變電所空載運(yùn)行的電磁騷擾差異表現(xiàn)在2個(gè)方面：

（1）除72 MHz~90 MHz頻段，有車運(yùn)行時(shí)，變電所電磁騷擾比變電所空載時(shí)電磁騷擾大1~3 dB之外（整體都在限值范圍內(nèi)）。

（2）在14 MHz、130 MHz、150 MHz、230 MHz、320 MHz和340 MHz等頻點(diǎn)由于時(shí)變環(huán)境噪聲影響，變電所空載時(shí)電磁騷擾比有車運(yùn)行時(shí)電磁騷擾反而大3~5 dB。

其余變電所有車和無車運(yùn)行時(shí)對外部空間的射頻騷擾曲線基本重合。

5 結(jié)語

同相供電鐵路系統(tǒng)的電磁騷擾測試有據(jù)可依，但由于系統(tǒng)建設(shè)頻度較小，針對該系統(tǒng)的電磁騷擾研究并不多見。文中分析了溫州S1線基于組合式同相供電牽引供電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，介紹了國內(nèi)外對整個(gè)鐵路系統(tǒng)電磁發(fā)射測試的方法，在溫州S1線開展鐵路系統(tǒng)電磁發(fā)射測試，將實(shí)測數(shù)據(jù)與哈大線鐵路系統(tǒng)特征頻點(diǎn)發(fā)射值進(jìn)行對比，分析了牽引變電所帶載和空載時(shí)的9 kHz~1 GHz全頻段電磁發(fā)射數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，該同相供電系統(tǒng)電磁發(fā)射值低于國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)限值要求，并對無線電干擾風(fēng)險(xiǎn)較低。