列車清洗機(jī)端刷接近開關(guān)電磁干擾原因分析及抑制措施

沈晨琦

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)二分公司，215101，蘇州∥助理工程師)

接近開關(guān)作為一款不需要與設(shè)備動(dòng)作部件發(fā)生直接機(jī)械接觸便可觸發(fā)其開關(guān)動(dòng)作的高效傳感器，被廣泛運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。蘇州軌道交通5號(hào)線列車清洗機(jī)的端刷洗系統(tǒng)中使用了許多接近開關(guān)，用以進(jìn)行位置檢測(cè)與限位保護(hù)。端刷洗系統(tǒng)用以刷洗列車首尾兩輛車端面，端刷安裝在兩側(cè)龍門結(jié)構(gòu)中，由接近開關(guān)限制其擺出、行走和升降的范圍[1]。接近開關(guān)可將傳感器與物體間的位置關(guān)系信息轉(zhuǎn)化為能夠被電氣系統(tǒng)識(shí)別的電信號(hào)[2]。然而，5號(hào)線列車清洗機(jī)投入使用以來，端刷接近開關(guān)頻繁失效，屢次出現(xiàn)端刷上升超出上限位的故障，對(duì)日常洗車作業(yè)造成了一定影響。排除接近開關(guān)本身質(zhì)量問題后，可斷定造成其失效的原因?yàn)槟撤N干擾。由于列車清洗機(jī)本身以及周圍環(huán)境組成了一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，所以導(dǎo)致失效的原因可能是某一種或者幾種干擾源的共同作用。其中地鐵迷流、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及高壓接觸網(wǎng)等系統(tǒng)與環(huán)境因素所產(chǎn)生的感應(yīng)電都會(huì)對(duì)電力線路造成電磁干擾[3-5]。本文在闡明5號(hào)線列車清洗機(jī)端刷接近開關(guān)原理的基礎(chǔ)上，對(duì)上述干擾源的作用原理展開分析，并提出了為避免干擾所采取的抑制措施。

1 接近開關(guān)的類型及原理

接近開關(guān)是一類傳感器的統(tǒng)稱，可細(xì)分為電感式、電容式、霍爾式和磁性式接近開關(guān)等[2]。不同類型接近開關(guān)的工作原理甚至作用對(duì)象都截然不同。5號(hào)線列車清洗機(jī)端刷所使用的接近開關(guān)為三線制PNP(由兩塊P型半導(dǎo)體中間夾著一塊N型半導(dǎo)體所組成的三極管)常開型電感式接近開關(guān)，具有短路和過載保護(hù)、無剩余電流、低電壓降等優(yōu)點(diǎn)。其感應(yīng)對(duì)象僅限于接近其感應(yīng)面的金屬物體。將接近開關(guān)接入電路時(shí)，其中兩根線分別接入直流電源正負(fù)極，第三根線用于輸出信號(hào)，接入PLC(可編程邏輯控制器)的輸入端。

三線制PNP常開型電感式接近開關(guān)主要由振蕩器、檢測(cè)電路和放大輸出電路三部分組成。振蕩器由線圈和LC(一個(gè)電感和一個(gè)電容連接在一起的電路)振蕩電路構(gòu)成，位于接近開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最前端。振蕩器能夠在感應(yīng)面前方形成一個(gè)高頻交變電磁場(chǎng)。當(dāng)列車清洗機(jī)的端刷上升時(shí)，其根部的金屬片也隨之進(jìn)入接近開關(guān)的磁場(chǎng)感應(yīng)區(qū)。此時(shí)金屬片內(nèi)部可等效視作無數(shù)個(gè)圓圈型閉合回路，由于交變磁場(chǎng)在此閉合回路中的磁通量是不斷變化的，所以在金屬片內(nèi)部就產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)電流，這種現(xiàn)象也被稱作渦流效應(yīng)。

渦流直接導(dǎo)致振蕩電路的負(fù)載變大，使振蕩能力衰弱甚至停止振蕩[6]。振蕩電路的這一變化被后置檢測(cè)電路識(shí)別后，常開觸點(diǎn)閉合，經(jīng)過放大輸出電路將開關(guān)信號(hào)輸入PLC。至此端刷接近開關(guān)便完成了將端刷上升到位的位置信息轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌虮籔LC所識(shí)別的電信號(hào)的任務(wù)。

2 電磁干擾源分析

2.1 高壓電網(wǎng)干擾源分析

公共高壓電網(wǎng)存在著各種形態(tài)且不易被察覺的干擾,干擾的形態(tài)可分為低頻干擾和高頻干擾兩類。低頻干擾的表現(xiàn)形式有欠壓、過壓、間斷、斷電、浪涌和頻率漂移等。用電設(shè)備的啟停引起電網(wǎng)負(fù)載的劇烈變化就會(huì)產(chǎn)生低頻干擾信號(hào)。高頻干擾的表現(xiàn)形式有毛刺、尖峰和高頻諧波等。導(dǎo)致高頻干擾信號(hào)產(chǎn)生的原因較多，比如用電設(shè)備啟停的瞬間沖擊、電網(wǎng)供電的非線性負(fù)載、高頻用電設(shè)備的反向輻射、自然界中的雷電沖擊等。

5號(hào)線采用DC 1 500 V架空接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)為列車提供運(yùn)行動(dòng)力，也屬于高電壓強(qiáng)電流等級(jí)范圍。在列車清洗機(jī)主庫內(nèi)，列車同樣采用此供電方式。接觸網(wǎng)帶電導(dǎo)線包括接觸線、承力索、回流線和正饋線等，當(dāng)強(qiáng)電流通過接觸網(wǎng)帶電導(dǎo)線時(shí)，電能不斷地向列車和空氣中傳播，造成帶電導(dǎo)線內(nèi)部電流處于不平衡狀態(tài)，接觸線與大地之間產(chǎn)生一個(gè)等同于操作電壓的電位差，于是在接觸網(wǎng)的周圍便產(chǎn)生了電磁場(chǎng)[7]。周圍電氣設(shè)備在此電磁場(chǎng)中遭受不同程度的電磁干擾。磁場(chǎng)強(qiáng)度與到接觸線的距離成反比，距離越遠(yuǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度越小。列車清洗機(jī)端刷升降下限位接近開關(guān)距離接觸線較遠(yuǎn)，此處磁場(chǎng)強(qiáng)度較??；端刷升降上限位接近開關(guān)距離接觸線較近，此處磁場(chǎng)強(qiáng)度較大。

2.2 伺服驅(qū)動(dòng)器輸出電壓干擾源分析

列車清洗機(jī)端刷的升降和行走動(dòng)作都是依靠伺服系統(tǒng)來進(jìn)行定位控制的。伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)是伺服系統(tǒng)的重要組成部分。伺服驅(qū)動(dòng)器安裝在輔庫電氣柜內(nèi)，而伺服電機(jī)同接近開關(guān)一樣，直接安裝在端刷龍門架內(nèi)。伺服驅(qū)動(dòng)器的通信接口連接PLC的輸出端，通過接收PLC發(fā)出脈沖的頻率和數(shù)量來控制伺服電機(jī)運(yùn)行的距離和速度。伺服驅(qū)動(dòng)器并非直接將來自PLC的脈沖信號(hào)方波簡(jiǎn)單放大，而是通過脈沖寬度調(diào)制的方式模擬輸出正弦波。伺服電機(jī)中的轉(zhuǎn)子受電壓信號(hào)控制得以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。當(dāng)端刷接近開關(guān)觸發(fā)時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)電壓變?yōu)榱悖欧姍C(jī)停止旋轉(zhuǎn)，端刷到位停止。在日常端洗作業(yè)中，伺服驅(qū)動(dòng)器需要不斷調(diào)整輸出電壓以完成端刷的各項(xiàng)動(dòng)作，保證前后端洗能夠正常進(jìn)行。因此在伺服電機(jī)頻繁啟停與正反轉(zhuǎn)的過程中，伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓也在不斷變化，導(dǎo)致在伺服電機(jī)周圍的導(dǎo)體中容易產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)端刷接近開關(guān)造成了一定的電磁干擾。

2.3 地鐵迷流干擾源分析

地鐵迷流是列車運(yùn)行時(shí)泄露到道床與周圍大地土壤介質(zhì)中的雜散電流，產(chǎn)生于列車接觸網(wǎng)直流牽引供電回路的回流。5號(hào)線列車就采用直流電力牽引方式，將受電弓作為正極連接接觸網(wǎng)，輪下走行軌道作為負(fù)極回流導(dǎo)線。由于走行軌存在較大電阻，導(dǎo)致牽引電流在回流時(shí)容易產(chǎn)生壓降，同時(shí)走行軌與大地間也存在著電位差，為地鐵迷流的產(chǎn)生創(chuàng)造了必要條件。不過在正常軌道段落，走行軌與道床之間的絕緣程度其實(shí)非常高，能夠有效減少流入土壤介質(zhì)中的迷流。然而，每次洗車作業(yè)結(jié)束后，主庫內(nèi)都非常潮濕，軌道附近也會(huì)殘留積水，不可避免地會(huì)造成走行軌與道床之間的絕緣性能逐漸降低，洗車作業(yè)時(shí)流入土壤介質(zhì)中的迷流也逐漸增多。雜亂無序的迷流從道床向四周擴(kuò)散，其中一部分流入了地下埋設(shè)的金屬管道和沿軌道鋪設(shè)的金屬結(jié)構(gòu)中。迷流在金屬導(dǎo)體周圍形成紊亂復(fù)雜且不停變化的電磁場(chǎng)，嚴(yán)重干擾端刷接近開關(guān)對(duì)金屬物體的識(shí)別。迷流甚至?xí)鬟M(jìn)電氣設(shè)備的接地端，引起局部接地電位過高，從而影響電氣設(shè)備正常工作。此外，地鐵迷流還會(huì)對(duì)金屬管線、金屬構(gòu)件和道床內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋等導(dǎo)體造成電化學(xué)腐蝕，嚴(yán)重?fù)p害設(shè)備的使用壽命，存在一定程度的安全隱患。

3 抑制電磁干擾措施

3.1 增加中間繼電器

為了減少各因素對(duì)接近開關(guān)輸出信號(hào)的干擾，采取在控制回路中增加中間繼電器的措施，將中間繼電器的常開觸點(diǎn)兩端分別連接電源線和PLC輸入端，將中間繼電器的線圈兩端分別連接電源線和接近開關(guān)輸出信號(hào)線(見圖1)。當(dāng)端刷擺出至接近開關(guān)觸發(fā)時(shí)，接近開關(guān)的輸出信號(hào)使中間繼電器的線圈得電，常開觸點(diǎn)吸合，于是PLC輸入端得電，輸

圖1 增加中間繼電器后的接近開關(guān)控制電路

出脈沖信號(hào)通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制伺服電機(jī)到位停止。如此原本一個(gè)控制回路被中間繼電器分隔為兩個(gè)控制回路，使電磁干擾僅存在于線圈側(cè)回路中，而不會(huì)對(duì)觸點(diǎn)側(cè)的PLC輸入信號(hào)產(chǎn)生影響，在不改變接近開關(guān)功能的情況下可有效阻隔電磁干擾。同時(shí)，中間繼電器的線圈是有電阻的，用接近開關(guān)輸出信號(hào)線連接中間繼電器線圈相當(dāng)于串聯(lián)一個(gè)小型電阻，同樣可以減小接近開關(guān)受到電磁干擾的影響。

3.2 增加隔離變壓器和電源濾波器

在電氣柜控制電路中增加隔離變壓器和電源濾波器。將隔離變壓器和電源濾波器連接在控制回路電源與斷路器KM118的常開觸點(diǎn)之間，如圖2所示。

圖2 增加隔離變壓器和電源濾波器后的電氣柜控制電路圖Fig.2 Circuit diagram of the electrical cabinet after adding an isolation transformer and a mains filter

隔離變壓器的輸入線圈繞組與輸出線圈繞組在電氣上彼此完全隔離，僅通過電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)在輸出線圈繞組兩端產(chǎn)生電壓，其電壓變比為1∶1，不會(huì)改變后級(jí)電路的電壓大小。隔離變壓器線圈繞組中的鐵芯具有高頻損耗大的特點(diǎn)，對(duì)輸入端起到了良好的過濾作用，即抑制高頻諧波從主電源傳入控制回路，降低電源電網(wǎng)對(duì)控制回路的干擾。與此相對(duì)應(yīng)，控制回路中用電設(shè)備產(chǎn)生的干擾也不會(huì)傳入主電源電路。

電源濾波器通過對(duì)其輸入、輸出端的阻抗和電源及負(fù)載的阻抗進(jìn)行適配，濾除電源線中某些不需要的特定頻率的諧波。將隔離變壓器和電源濾波器組合使用，前者隔離掉電源線中的高頻諧波，后者再對(duì)其他頻率的諧波進(jìn)行濾除，如此可大幅衰減控制回路中來自主電源的電磁干擾，從而使接近開關(guān)得到穩(wěn)定的正弦波電源信號(hào)。

4 結(jié)語

接近開關(guān)雖然只是列車清洗機(jī)中一個(gè)極小的組成部分，但是卻直接影響著整個(gè)列車清洗機(jī)能否正常運(yùn)行。前后端洗是洗車作業(yè)中最重要的兩項(xiàng)工序，如果端刷接近開關(guān)出現(xiàn)故障失效，不僅洗車作業(yè)必須被迫終止，甚至可能會(huì)導(dǎo)致端刷失控，對(duì)電客車造成傷害。蘇州軌道交通5號(hào)線列車清洗機(jī)在采取了增加中間繼電器、增加隔離變壓器和電源濾波器等措施后，端刷接近開關(guān)干擾問題得到了有效地解決，未再出現(xiàn)端刷上升超出上限位的故障，其他動(dòng)作機(jī)構(gòu)的接近開關(guān)也維持在正常工作狀態(tài)，無任何異常。

由此可見，只有采取有效的抑制干擾措施，切實(shí)防范高壓電網(wǎng)、伺服驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓和地鐵迷流等電磁干擾，才能讓接近開關(guān)穩(wěn)定正常地工作，保證洗車作業(yè)安全、有序和高效地進(jìn)行。