于曉丹 沙 斐

[摘 要]電磁干擾以多種形式存在于高速動(dòng)車組的內(nèi)部和外部空間,使得高速動(dòng)車組的電磁環(huán)境日趨復(fù)雜。本文主要分析了高速動(dòng)車組的電磁干擾源及其形成原因和抑制措施。

[關(guān)鍵詞]高速動(dòng)車組電磁干擾不平衡電流受電弓接觸網(wǎng)

[中圖分類號(hào)]U270.383 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A [文章編號(hào)]1007-9416(2009)11-0094-02

1 引言

高速列車內(nèi)部集中了多種電子電氣設(shè)備和電纜線束,使得強(qiáng)電和弱電信號(hào)相互交織。由于高速列車電磁環(huán)境的復(fù)雜,高速動(dòng)車組電磁兼容性問(wèn)題日益顯著。因此,高速列車電磁干擾源的研究變得越來(lái)越重要。

2 電磁干擾源的基本概念

2.1 電磁干擾的定義及三要素

電磁騷擾是任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或?qū)τ猩驘o(wú)生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。電磁干擾是電磁騷擾引起的設(shè)備、轉(zhuǎn)輸通道或系統(tǒng)性能的下降?？梢?jiàn),電磁騷擾僅僅是客觀存在的一種電磁現(xiàn)象,它可能引起降級(jí)或損害。而只有在影響敏感設(shè)備正常工作時(shí)才構(gòu)成“電磁干擾”。任何電磁干擾的形成都要具備三個(gè)基本要素:電磁干擾源,耦合途徑和敏感設(shè)備,如圖1所示。

2.2 電磁干擾源的分類

電磁干擾源的種類繁多,通常電磁干擾源可分為自然干擾源與和人為干擾源。如雷電和靜電放電(ESD)是自然干擾源。任何電氣電子設(shè)備都有可能成為電磁干擾源。

另外,從電磁干擾屬性來(lái)分,可分為功能性干擾源和非功能性干擾源。功能干擾源是指設(shè)備實(shí)現(xiàn)功能過(guò)程中造成對(duì)其他設(shè)備的直接干擾;非功能性干擾源是指用電裝置在實(shí)現(xiàn)自身功能的同時(shí)伴隨產(chǎn)生的副作用,如開(kāi)關(guān)通斷產(chǎn)生的電弧放電。從電磁干擾信號(hào)頻譜寬度,可分為寬帶干擾源和窄帶干擾源。從電磁干擾的傳輸方式,可分為傳導(dǎo)干擾源和空間干擾源。

3 基于高速動(dòng)車組的電磁干擾源分析

在高速動(dòng)車組復(fù)雜的電磁環(huán)境中,動(dòng)車組不僅是潛在的被干擾對(duì)象同時(shí)也是干擾源。動(dòng)車組作為干擾源會(huì)對(duì)鐵路信號(hào)系統(tǒng)、無(wú)線電廣播等數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生影響;同時(shí)動(dòng)車組也會(huì)受列車系統(tǒng)外部干擾源與機(jī)車內(nèi)部設(shè)備間相互干擾的影響。

3.1 基于高速動(dòng)車組的電磁干擾源

高速動(dòng)車組運(yùn)行中,很容易受到列車系統(tǒng)以外的其他設(shè)備、系統(tǒng)或自然現(xiàn)象的干擾,高速動(dòng)車組系統(tǒng)外部的電磁干擾源包括:

(1)自然干擾源:如雷電能夠造成電氣化設(shè)備發(fā)生短時(shí)間停電甚至列車斷電。

(2)空間電磁波的輻射干擾:例如,列車運(yùn)行時(shí)易受到附近大功率廣播發(fā)射機(jī)帶來(lái)的強(qiáng)電磁波的輻射干擾。

(3)列車不平衡牽引電流造成的諧波干擾。

(4)列車受電弓滑過(guò)接觸網(wǎng)時(shí)由于跳動(dòng)或接觸不良火花放電產(chǎn)生的脈沖干擾。

同時(shí),高速動(dòng)車組也會(huì)受到機(jī)車內(nèi)部電磁干擾的影響,內(nèi)部電磁干擾是指機(jī)車內(nèi)部各設(shè)備、元件之間的互相干擾,包括:

(1)工作電源通過(guò)線路的分布電容和絕緣電阻產(chǎn)生漏電以及造成的干擾。

(2)信號(hào)通過(guò)地線、電源和傳輸導(dǎo)線的阻抗互相耦合造成的干擾。

(3)開(kāi)關(guān)的通斷操作引起的瞬變、高頻干擾,直接向空間輻射干擾其他敏感設(shè)備。

本文主要介紹了兩種典型電磁干擾源的形成原因和抑制措施,即弓網(wǎng)離線造成的脈沖干擾和不平衡牽引電流帶來(lái)的諧波干擾。

3.2 弓網(wǎng)離線造成的脈沖干擾

在電氣化鐵路系統(tǒng)中,弓網(wǎng)“離線”造成的電弧放電是一種普遍現(xiàn)象,尤其在高速、重載的情況下更為突出。而電弧放電造成的電磁干擾,既可以是傳導(dǎo)干擾也可能是輻射干擾,特別是設(shè)備直接由火車的電源上直接供電時(shí),發(fā)生傳導(dǎo)干擾的可能性更大。如果是傳導(dǎo)干擾可以用電源濾波器隔離設(shè)備和火車的電源。如果是輻射干擾可以就屏蔽敏感設(shè)備。

可見(jiàn),弓網(wǎng)離線造成的電弧放電火花是一種重要的電磁干擾源,降低弓網(wǎng)的離線率能夠有效地抑制電弧的產(chǎn)生。

3.2.1 弓網(wǎng)離線的形成原因

(1)受電弓-接觸網(wǎng)系統(tǒng)振動(dòng)不匹配引起弓網(wǎng)離線

在列車的高速運(yùn)行中,接觸網(wǎng)和受電弓是一對(duì)動(dòng)態(tài)振動(dòng)系統(tǒng),且各自有自己的固有振動(dòng)參數(shù)。當(dāng)弓網(wǎng)振動(dòng)不匹配時(shí),可能造成受電弓滑板與接觸導(dǎo)線發(fā)生機(jī)械脫離,即弓網(wǎng)“離線”現(xiàn)象,并伴電弧放電。

(2)導(dǎo)線不平順引起弓網(wǎng)連續(xù)離線

受電弓受到導(dǎo)線不平順擾動(dòng)后,弓網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng),造成弓網(wǎng)的連續(xù)離線。弓網(wǎng)的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)離線會(huì)加速離線火花和電弧的產(chǎn)生,并引起強(qiáng)烈傳導(dǎo)干擾和輻射干擾。通常,導(dǎo)線的不平順是由于接觸線施工放線操作不當(dāng)造成的。

3.2.2 弓網(wǎng)離線的抑制措施

對(duì)于受電弓—接觸網(wǎng)系統(tǒng)振動(dòng)不匹配帶來(lái)的弓網(wǎng)“離線”現(xiàn)象,可以通過(guò)提高接觸導(dǎo)線的波動(dòng)傳播速度、改善接觸網(wǎng)的定位點(diǎn)結(jié)構(gòu)、改善受電弓的隨動(dòng)性等方法加以改善,盡量使受電弓與接觸網(wǎng)系統(tǒng)達(dá)到匹配振動(dòng)。

在接觸網(wǎng)的放線過(guò)程中,應(yīng)盡量防止導(dǎo)線扭曲或折彎,特別是要注意由于施工人員的踩踏而造成接觸網(wǎng)導(dǎo)線的扭曲或折彎。從而消除導(dǎo)線不平順引起的弓網(wǎng)“離線”現(xiàn)象。

3.3 不平衡牽引電流造成的諧波干擾

隨著列車運(yùn)行速度的提高,牽引電流也隨之加大,伴隨著不平衡電流的加劇。可見(jiàn),不平衡牽引電流造成的諧波干擾是軌道電路接收設(shè)備的直接干擾源。

3.3.1 不平衡牽引電流的形成機(jī)理

牽引電流總要經(jīng)過(guò)扼流變壓器、鋼軌及大地流回變電所,且與信號(hào)電流共用一段鐵軌返回變電所的。理論上,由于扼流變壓器的兩個(gè)線圈匝數(shù)相等(阻抗相等),兩根鋼軌的長(zhǎng)度相等(鋼軌阻抗相等),所以兩根鋼軌上通過(guò)的牽引電流應(yīng)是相等的。在實(shí)際中,由于鋼軌接續(xù)線接觸不良,就會(huì)形成不平衡電流,在變壓器次級(jí)產(chǎn)生感應(yīng)電壓,牽引電流不平衡造成的這個(gè)感應(yīng)電壓,會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)方式直接侵入軌道電路的回路并干擾其敏感設(shè)備。

3.3.2 不平衡牽引電流的抑制措施

不平衡牽引電流中所含有的高次諧波成分,通過(guò)各種耦合方式,既可能是共地線耦合、線間串?dāng)_等方式,也有可能是空間輻射被天線或電纜接收而竄入機(jī)車內(nèi)部設(shè)備。

對(duì)于諧波干擾的共地線耦合方式,通常采用隔離變壓器、共模扼流圈和光電耦合器來(lái)抑制諧波形成的地環(huán)路干擾。

串?dāng)_是兩條信號(hào)線之間的耦合,可分為電容性耦合和電感耦合兩種方式。

容性耦合就是由于在兩根導(dǎo)線間形成了一個(gè)寄生電容,這個(gè)電容使一根導(dǎo)線的能量能夠耦合到另一根導(dǎo)線上而出現(xiàn)的耦合方式。抑制電容性耦合的方法有:減小線間電容;盡量避免導(dǎo)線平行走線;屏蔽干擾源,且屏蔽體要良好接地。

電感耦合是因?yàn)橐桓鶎?dǎo)線上的電流發(fā)生變化,引起周圍磁場(chǎng)變化,這時(shí)處在該變化磁場(chǎng)中的另一導(dǎo)線上就會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì),從而使一根導(dǎo)線的信號(hào)耦合進(jìn)了另一根導(dǎo)線中的耦合方式。抑制電感性耦合的方法有:減小互感,進(jìn)而減小耦合干擾;對(duì)干擾源進(jìn)行屏蔽。

4 結(jié)語(yǔ)

高速動(dòng)車組電磁環(huán)境的日益復(fù)雜使電磁干擾問(wèn)題凸現(xiàn)重要。只有具體分析干擾源的形成機(jī)理,區(qū)分對(duì)待不同的電磁干擾源,才能最大限度且有效地降低高速動(dòng)車組的電磁干擾。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 沙斐.機(jī)電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù),北京:中國(guó)電力出版社,1999.

[2] 楊君,苑豐彪.高速動(dòng)車組電磁兼容性設(shè)計(jì)研究.機(jī)車電傳動(dòng),2009(2):13-16.

[3] 韓通新.弓網(wǎng)受流中出現(xiàn)連續(xù)火花的原因分析.鐵道機(jī)車車輛,2003(3):58-61.

[4] 陳麗華,駱開(kāi)源,張秀峰.牽引供電系統(tǒng)中的電磁兼容性問(wèn)題,鐵道建筑技術(shù),2006(6):64-66.