陳煥玉， 余 俊， 王 志， 張世聰， 王延哲

(1 北京縱橫機電技術開發(fā)公司， 北京 100081；2 中國鐵路總公司 機輛部， 北京 100844；3 中國鐵道科學研究院集團有限公司 研究生部， 北京100081；4 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081)

動車組、電力機車、城軌列車上不僅安裝牽引變壓器、牽引變流器等高壓設備，也有中央控制單元、牽引控制單元等低壓設備。系統(tǒng)內，設計人員需考慮到電氣設備能夠正常運轉；系統(tǒng)外，列車傳導至鋼軌的電流不應對軌道電路產生干擾。

由射頻場感應的傳導騷擾作為一種有害能量可在電源線、信號線上傳播，干擾到電氣設備的正常運轉。如文獻[1]中論述的，電纜間距、電纜離地高度、屏蔽層接地方式等因素都會影響到線纜的耦合，耦合原理極其復雜，在動車組這樣的電氣系統(tǒng)中體現(xiàn)得更加明顯。GB/T 17626.6-2008《射頻場感應的傳導騷擾抗擾度》和IEC 61000-4-6：2013《Immunity to conducted disturbances, induced by radio-frequency fields》是關于電氣和電子設備對來自射頻發(fā)射機射頻場感應的傳導騷擾抗擾度的要求[2-3]，通過建立一個標準的測試體系，可準確地評估設備對于上述騷擾的抗干擾水平。

列車從接觸網(wǎng)接收高壓電后，通過接地回流的方式將電流輸送至鋼軌，若此電流的諧波含量不符合標準，就有可能對軌道電路產生干擾，導致軌道區(qū)間列車占用等情況產生誤判，危及行車安全。GB/T 28807-2012《軌道交通 機車車輛與列車檢測系統(tǒng)的兼容性 第2部分：與軌道電路的兼容性》規(guī)定了接地回流電流的測試方法及干擾限值。

1 干擾原理

如今電氣產品幾乎全部暴露于外界環(huán)境的射頻場中，如AM基站、FM基站這類遠場，或手機、對講機這類近場，其輻射的電磁場能量耦合到設備中就會產生干擾。

式(1)為距發(fā)射源d處的電磁場功率密度P的計算公式[4]，式中：P為電磁場功率密度;E為電場強度;H為磁場強度;W為發(fā)射功率;x為天線增益系數(shù);S為距發(fā)射源d處自由空間球體的表面積。

(1)

由式(1)可知，當射頻場的功率足夠大，對自由空間一定范圍內的設備均存在電磁場能量的輻射。為此，GB/T 17626.6-2008與IEC 61000-4-6：2013中用射頻發(fā)射機模擬外界射頻場，輸入到系統(tǒng)中的頻率范圍為0.15～80 MHz，根據(jù)波長計算公式可知，列車所用線纜的長度可達電磁波的數(shù)個波長，設備電纜在此起到了天線的作用，故被測設備通過電源線、信號線等線纜與射頻場耦合。耦合進入列車的電磁波將對內部設備產生干擾。

眾所周知，傳導干擾主要的耦合方式為直接耦合、寄生電容耦合、分布電感耦合。根據(jù)回路的不同，可將傳導干擾分為共模干擾和差模干擾，在變流器中，共模干擾由三相電源線和寄生電容形成回路，差模干擾在兩相間形成回路。傳導干擾產生后，會反作用于列車的高壓系統(tǒng)。

以各種方式耦合到牽引變流器或其自身產生的傳導干擾是影響接地回流諧波含量的重大因素之一，即標準中提到的“熱通道”會影響到“冷通道”的電流質量。故文中研究的標準對電力列車傳導干擾測試十分必要。

2 傳導騷擾抗擾度

2.1 試驗配置

此項試驗的設備包括射頻信號發(fā)生器、功率放大器、低通及高通濾波器、固定衰減器、耦合和去耦裝置。

根據(jù)選用耦合方式的不同，試驗配置也有所不同。

標準第六章對耦合和去耦裝置進行如下劃分：

表1 耦合和去耦裝置劃分

耦合和去耦合裝置用于將干擾信號耦合到被測設備(EUT)中，包括CDNs、鉗注入裝置、直接注入裝置。去耦合網(wǎng)絡對輔助設備起到去耦合作用，防止輔助設備的阻抗影響到EUT，以及避免受到干擾信號的影響。筆者對常用的CDNs及鉗注入裝置的配置進行詳細介紹。

2.1.1CDNs

標準的附錄D提供了CDN的資料，包括數(shù)種CDN拓撲結構的簡要電路圖，適用位置各不相同，分別為用于屏蔽電纜的CDN-S1、用于非屏蔽電源線的CDN-M1/M2/M3、用于非屏蔽不平衡線的CDN-AF2、用于非屏蔽平衡線對的CDN-T2/T4/T8。

設備的輸入和輸出端口的共模阻抗均要求為150 Ω。輸入端口的150 Ω共模阻抗由內阻為50 Ω的信號源和等效阻抗為100 Ω的CDN構成(如圖1所示)，輸出端口連接的去耦網(wǎng)絡需端接50 Ω負載阻抗。

圖1 共模阻抗結構

標準對0.15～80 MHz內共模耦合阻抗Zce的規(guī)定如表2所示，僅規(guī)定其模值，且未要求9～150 kHz頻段范圍內Zce的大小。

表2 共模耦合阻抗模值

使用CDN進行測試的配置如圖2示，其中，CDN共有信號源、受試設備和輔助設備3個端口。

圖2 使用CDN的測試配置

T2為6 dB功率衰減器，其阻抗為50 Ω，可以穩(wěn)定信號源中的寬帶功率放大器等造成的阻抗失衡現(xiàn)象，保證共模阻抗的要求。

通信設備等輔助設備與被測設備間應連接去耦網(wǎng)絡。

被測設備的其他接地端子也應通過附加的CDN與參考地相連，以保證測試結果的準確性。

2.1.2鉗注入裝置

動車組、電力機車、城軌列車這類電力列車系統(tǒng)的功率高，電源電纜的結構復雜，無疑更適合選擇鉗注入裝置進行測試。

圖3為使用注入鉗的測試配置。

圖3 使用注入鉗的測試配置

電流鉗或電磁鉗僅實現(xiàn)了耦合功能，需端接CDN來實現(xiàn)去耦合，圖3中的輔助設備2便屬于去耦合裝置的一部分。

射頻信號源通過功率衰減器T2，將射頻信號傳遞給鉗注入裝置，被測設備的接地端子連接至去耦合裝置CDN后，再與參考地相連。

2.2 列車測點建議

GB/T 24338.4-2009《軌道交通 電磁兼容 第3-2部分：機車車輛 設備》是關于機車車輛中電氣電子設備電磁兼容性的發(fā)射與抗擾度的標準[5]，將射頻場感應的傳導騷擾試驗的測點分為兩類：蓄電池參考端口(除能源輸出端外)、交流輔助電源輸入端口(額定電壓有效值不大于400 V)和信號、通信、過程測量、控制端口?？筛鶕?jù)動車組、電力機車和城軌列車的特點，選擇關鍵位置進行測試。

列車的控制是由網(wǎng)絡系統(tǒng)完成的，以動車組為例，其通信采用兩級總線，列車級總線為WTB總線，車輛級總線為MVB總線，所以應在每兩節(jié)車廂跨接的控制及通信電纜處進行測試，以保證網(wǎng)絡電纜的屏蔽線的有效性，測試時需觀察各個子系統(tǒng)的運行狀況，且觀察HMI故障記錄中是否有故障報出。

動態(tài)時應對車外的速度傳感器的線纜進行測試，觀察列車的速度控制是否正常，各軸的牽引力、電制動力發(fā)揮是否正常。

2.3 試驗程序

將設備按照標準要求安裝無誤后，可按下述要求進行試驗：

(1)不要求測試射頻信號源產生的9～150 kHz范圍內的抗擾度；

(2)射頻信號頻率范圍為0.15～80 MHz，1 kHz正弦波調幅信號，調制度為80%；

(3)調頻步長不得超過前一頻率值的1%；

(4)每個頻率下幅度調制載波的駐留時間不低于設備的響應時間，且至少大于0.5 s。

表3列出了輸入到被測設備的電平水平。

表3 試驗電平水平

參考GB/T 24338.4-2009的規(guī)定，CCU、TCU、BCU等控制系統(tǒng)選用3級，蓄電池、輔助電源輸入端口也應使用3級。

2.4 結果評估

GB/T 17626系列的抗擾度標準，對被測設備均有一定的破壞性，若其性能良好，則不會受到任何不良影響，但如果性能較差，被測設備會出現(xiàn)黑屏、自動關機、無法正常啟動等現(xiàn)象，標準對可能出現(xiàn)的現(xiàn)象有以下歸類。

(A)由生產商、需求方或買方規(guī)定的限制中的正常性能；

(B)干擾終止后暫時的性能降級和功能喪失，不需人為干預可恢復正常性能；

(C)暫時的性能降級，需人為干預；

(D)無法恢復的性能降級或功能損失。

依照GB/T 24338.4-2009標準，2.2寫到的測點均采用A類判據(jù)。

3 傳導騷擾測量

3.1 共模干擾及差模干擾

敏感設備(EUT)的電源線、接地點形成的回流構成了共模干擾，系統(tǒng)正常情況下不存在接地回流，但由于IGBT等電力電子器件的存在，與機殼間產生了寄生電容，設備通過寄生電容與電源線形成了共模干擾通路。EUT通常包括四象限、逆變器和電機。

共模電流的形成與各寄生電容密切相關，IGBT等干擾源通過寄生電容與機殼連接，為共模電流的接地回流提供了通路。IGBT開通關斷的瞬間，集射極存在較大的電壓變化率dv/dt，會不斷地對寄生電容充放電，牽引變流器連接變壓器及牽引電機，由于輸入端變壓器接地且牽引電機機殼對地也存在寄生電容，因此形成了共模電流。綜合考慮所有的共模電流的流通路線，將共模電流耦合途徑繪于圖4。

圖4 共模電流耦合途徑

由圖4可見，共模干擾電流流經(jīng)三相輸入電源線、四象限、寄生電容、中間電容、逆變器和三相輸出電源線，通過電機機殼接地端流向大地。圖4為所有共模電流的流向，就某一瞬間來說，四象限整流時只有兩相輸入，即只有一對二極管同時導通；逆變器輸出三相電，均存在共模干擾。

差模干擾主要是由于IGBT開通、關斷過程中存在大的di/dt，流通途徑與正常工作電流相同，很難消除，只能通過各種手段減弱干擾。圖5為差模電流耦合途徑。

圖5 差模電流耦合途徑

差模電流耦合途徑與正常工作電流相同，兩相交流輸入作為回流，流經(jīng)四象限、中間電容和逆變器。

就共模干擾及差模干擾的測試而言，由于型式試驗未對傳導干擾進行要求，可作為研究性試驗進行。

在動車組、電力機車和城軌列車牽引變流器的輸入端及電機輸入端套入電流傳感器，并測得電機接地點處的電流后，即可分別測得共模電流和差模電流，對電流進行傅里葉變換，分析諧波含量。交流或直流輔助電源端口、蓄電池參考端口、信號和通信、過程測量和控制端口傳導干擾限值[5]如下：

150～500 kHz限值為99 dBμV準峰值；

500 kHz～30 MHz限值為99 dBμV準峰值。

3.2 列車與軌道電路的兼容性

在普速鐵路、城市軌道交通中，軌道電路的應用極其廣泛，它以鋼軌作為電流傳輸路徑，所以通常用于檢測區(qū)間內的鐵路占用情況以及鐵路的完成性。

我國的普速鐵路一般采用ZPW-2000系列軌道電路，上行線為偶數(shù)載頻：2 000 Hz,2 600 Hz，下行線為奇數(shù)載頻：1 700 Hz,2 300 Hz，軌道電路的原理是用發(fā)送到軌道上的窄帶信號來檢測列車占用情況，所以僅工作頻率一定范圍內的干擾才會對軌道電路產生影響。

圖6為列車接地回流檢測示意圖[6]，如圖6所示，在列車牽引變壓器的接地回流處接上電流傳感器，來檢測列車流入鋼軌的電流的諧波含量是否符合標準要求。熱通道指列車的供電系統(tǒng)，包含電氣系統(tǒng)中所有的帶電部件。冷通道指鋼軌這一回流通道。

圖6 列車接地回流檢測

設備安裝完畢后，需保證試驗過程覆蓋以下惡劣的工況：

(1)通過供電系統(tǒng)的無電區(qū)；

(2)用100%和50%的最大牽引力或最大功率進行加速和減速；

(3)靜止或運行過程中操作牽引力和制動力進行突變；

(4)在低黏著情況下進行滿級牽引和滿級制動操作。

重復多次后，再根據(jù)標準要求判斷諧波是否超過軌道電路的限制。

對于ZPW-2000無絕緣軌道電路及UM71無絕緣軌道電路，標準規(guī)定：

接地回流在軌道電路工作中心頻率f0的諧波的均方根值I0RMS不得大于0.3 A，移頻鍵控帶寬Δf=90 Hz；

1 500～3 000 Hz范圍內，非工作頻段的諧波均方根值不得大于3 A。

表4為標準對ZPW2000及UM71型軌道電路網(wǎng)流諧波均方根值的規(guī)定。

表4 ZPW2000、UM71諧波限值

4 結束語

動車組、電力機車、城軌列車傳導干擾的測試是保證列車功能發(fā)揮正常、環(huán)境友好性的一系列重要試驗，這些試驗幫助整車設計人員和鐵路運營人員檢驗了列車設備間的抗傳導干擾能力和網(wǎng)流諧波成分，對于列車的批量生產具有指導意義。