李智宇

（1．北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050043）

1 概述

我國動車組主要由牽引供電系統(tǒng)、通信信號系統(tǒng)和動車組組成，電氣化牽引、數(shù)字化基礎(chǔ)裝備、計(jì)算機(jī)化運(yùn)算控制是高鐵的3 個特點(diǎn)。這也意味著它是一個復(fù)雜電磁系統(tǒng)，強(qiáng)弱電交叉、高低壓耦合、動靜態(tài)并存，車地間、線路間、輪軌間、弓網(wǎng)間相互作用復(fù)雜，電磁能量對動車組通信造成干擾，危害列車安全運(yùn)行。其中弓網(wǎng)放電、牽引動力電源諧波等已成為重要的干擾源，對車地通信帶來嚴(yán)重影響[1-3]。

應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)（BTM）以安全點(diǎn)式信息傳輸方式實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備向車載設(shè)備傳輸信息。在我國列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的CTCS-2、CTCS-3 級得到廣泛應(yīng)用[4-8]。

隨著車輛運(yùn)行速度提升以及發(fā)車密度增加，在分相區(qū)發(fā)生應(yīng)答器信息丟失、全零應(yīng)答器、幽靈應(yīng)答器的故障也越來越多，大部分應(yīng)答器信號丟失未影響動車組正常運(yùn)行，其中部分應(yīng)答器故障造成列車輸出緊急制動停車。對此相關(guān)單位開展了故障排查工作，排除應(yīng)答器本身硬件故障原因外，發(fā)現(xiàn)主要原因是BTM 在分相區(qū)受到弓網(wǎng)放電產(chǎn)生的電磁干擾[9-16]。

動車組過分相時，弓網(wǎng)離線電磁干擾可通過輻射和傳導(dǎo)兩種路徑耦合到BTM 系統(tǒng)[17]，本文重點(diǎn)研究輻射電磁干擾對應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)的影響及防護(hù)技術(shù)。基于電磁場理論，開展分相區(qū)弓網(wǎng)放電理論分析與現(xiàn)場試驗(yàn)研究，掌握干擾源電磁特性，通過仿真研究分析能量耦合通路，明確應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)電磁干擾成因，針對電磁干擾特點(diǎn)結(jié)合BTM 系統(tǒng)自身特點(diǎn)提出整改防護(hù)措施，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證防護(hù)技術(shù)的有效性，為BTM 電磁防護(hù)提供技術(shù)支持。

2 分相區(qū)弓網(wǎng)放電研究

為保證人員和設(shè)備的安全在分相區(qū)列車真空斷路器（VCB）處于斷開狀態(tài)。主回路示意如圖1所示。

圖1 主回路示意Fig.1 Schematic diagram of main current loop

在分相區(qū)即使VCB 處于斷開狀態(tài)，當(dāng)列車由有電區(qū)運(yùn)行到無電區(qū)以及再到有電區(qū)時，受電弓與接觸網(wǎng)位置處發(fā)生高壓放電現(xiàn)象。這是因?yàn)槭茈姽?、高壓電纜、車體、鋼軌、大地之間存在分布電容，根據(jù)高壓放電理論和基爾霍夫電流定理，當(dāng)列車由有電區(qū)運(yùn)行到無電區(qū)瞬間將發(fā)生高壓拉弧放電，當(dāng)列車由無電區(qū)運(yùn)行到有電區(qū)瞬間將發(fā)生高壓空氣擊穿放電，電流回路為接觸網(wǎng)-受電弓-高壓電纜-車體-輪轂-鋼軌-變電站及大地。

放電發(fā)生時，弓網(wǎng)之間的阻抗發(fā)生了突變，即|dZ/dt|較大，由i=U/Z可知|di/dt|較大，電流隨時間變化不為零時必然伴隨寬頻帶、高能量的電磁輻射產(chǎn)生。在某分相區(qū)垂直距離為10 m 位置處測試列車經(jīng)過弓網(wǎng)放電產(chǎn)生的輻射發(fā)射如圖2 所示。

從圖2 測試結(jié)果可以看出，列車經(jīng)過分相區(qū)發(fā)生了弓網(wǎng)放電，在BTM 通信頻帶3.9 ～4.5 MHz 存在較強(qiáng)的電磁干擾，BTM 通信中心頻率4.23 MHz 輻射強(qiáng)度為55 dBV/m。通帶內(nèi)頻率3.9 MHz 處的輻射強(qiáng)度為82 dBV/m。當(dāng)輻射能量通過空間傳播到車底的BTM 車載天線位置處時，將被天線接收，從而對應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生同頻帶內(nèi)騷擾，該電磁能量很難抑制干擾源，也很難通過敏感設(shè)備BTM 濾波器進(jìn)行濾波。

圖2 分相區(qū)弓網(wǎng)離線放電輻射發(fā)射BTM帶內(nèi)頻譜Fig.2 BTM band spectrum during discharge radiation emission of pantograph-catenary disconnection in neutral section

3 分相區(qū)弓網(wǎng)放電電磁輻射發(fā)射與CAU能量耦合仿真

按照列車實(shí)際尺寸構(gòu)建列車三維物理模型，如圖3 所示。其中接觸網(wǎng)與x軸平行，設(shè)接觸網(wǎng)長300 m，距地6 m。鋁合金車體長26 m，高3 m，寬3 m，鋁合金厚度d=5×10-3m，電導(dǎo)率σ=3.54×107S/m，車體內(nèi)部為自由空間。接觸網(wǎng)選擇截面積為120mm2的銅錫合金導(dǎo)線(等效半徑6.18×10-3m)，電導(dǎo)率σ=4.17×107S/m，相對介電常數(shù)εr=0。

圖3 列車與接觸網(wǎng)三維模型Fig.3 3D model of train and catenary

激勵源處于接觸網(wǎng)中間位置，坐標(biāo)為(0,0,6)，頻率進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，重點(diǎn)關(guān)注BTM 通信中心頻率附近的最大輻射頻率3.9 MHz，激勵源幅值為實(shí)際弓網(wǎng)交流電壓27.5 kV。經(jīng)過仿真得到空間電場分布情況如圖4 所示。

圖4 分相區(qū)弓網(wǎng)放電電場輻射分布仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of the distribution of electric field radiation of pantograph-catenary discharge in neutral section

在垂直列車距離10 m 位置處頻率3.9 MHz 輻射仿真結(jié)果為50 dBμV/m，通過與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)比對驗(yàn)證了仿真結(jié)果的有效性。通過分析可以得到弓網(wǎng)接觸位置處場強(qiáng)最大，為67 dBμV/m，車廂內(nèi)部場強(qiáng)最小，接近0，其中CAU 位置處的強(qiáng)場為51.7 dBμV/m。對CAU 進(jìn)行建模，如圖5 所示。

圖5 CAU三維建模Fig.5 3D CAU model

經(jīng)過仿真計(jì)算得到耦合到CAU 天線輸出端口的功率為-50 dBm。根據(jù)《應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》（Q/CR 716-2019），BTM 在2.5 ～6 MHz 頻段內(nèi)應(yīng)承受峰值不超過-60 dBm 的環(huán)境噪聲，從而可以斷定分相區(qū)弓網(wǎng)放電產(chǎn)生的電磁輻射對BTM系統(tǒng)產(chǎn)生了干擾。

4 BTM電磁干擾防護(hù)及驗(yàn)證

基于現(xiàn)場測試及仿真研究，可以看出分相區(qū)弓網(wǎng)放電通過空間輻射將干擾能量耦合到BTM 系統(tǒng)，產(chǎn)生同頻干擾。通過對干擾源電磁能量抑制和敏感設(shè)備濾波器很難達(dá)到好的效果，因此阻斷電磁能量耦合通道成為降低電磁干擾的首選方案，對此提出在CAU 上部增加天線定向約束屏蔽裝置。其結(jié)構(gòu)示意如圖6 所示。

圖6 CAU天線定向約束屏蔽裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.6 The structure of directional shield of CAU antenna

裝置材料為鐵，長為847 mm，寬為741 mm，高為98 mm，厚度為3 mm，如圖7 所示。

圖7 裝置尺寸Fig.7 Size of the shield

在實(shí)驗(yàn)室對CAU 天線定向約束屏蔽裝置電磁屏蔽效能進(jìn)行測試，測試示意如圖8 所示。

圖8 裝置屏蔽效能測試示意Fig.8 Schematic diagram of the shielding effect testing of the protective device

將信號源與環(huán)天線連接，環(huán)天線放置在BTM天線不同位置，天線通過D 電纜與頻譜儀直連，測試加上天線罩前、后BTM 天線接收到的能量。

信號源以一定功率輸出頻率為3.9 MHz 的信號，分別在CAU 前、后和左、右4 個位置處施加干擾，通過頻譜儀測試天線罩的屏蔽效果，現(xiàn)場測試布置如圖9 所示。

圖9 防護(hù)裝置屏蔽效能測試布置Fig.9 The arrangement for testing the shielding effect of the protective device

屏蔽效能測試結(jié)果，如表1 所示。

表1數(shù)據(jù)顯示，在加上金屬罩之后，可以有效降低周圍空間給BTM 天線造成的帶內(nèi)騷擾，其中在右側(cè)測試點(diǎn)金屬板屏蔽效能最大可達(dá)23 dB。

表1 防護(hù)裝置屏蔽效能測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data on the shielding eff ect of the protective device

對防護(hù)裝置在某列車進(jìn)行了現(xiàn)場有效性驗(yàn)證，如圖10 所示。

圖10 防護(hù)裝置電磁屏蔽效能現(xiàn)場驗(yàn)證Fig.10 Testing of the shielding effect of the protective device in the field

增加防護(hù)裝置后，通過對BTM 系統(tǒng)的D 電纜差模信號進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖11 所示。

圖11 防護(hù)裝置對D電纜差模干擾信號屏蔽效能測試結(jié)果Fig.11 Test result of the shielding effect of the device against differential-mode interference signals of Cable D

測試結(jié)果表明，動態(tài)運(yùn)行中BTM 工作頻帶內(nèi)的差模騷擾降低效果較為明顯，其中3 ～3.5 MHz處較初始狀態(tài)降低幅度高達(dá)20 dB 左右，報(bào)文質(zhì)量由0.83 提高到0.91，說明CAU 天線定向約束屏蔽裝置在能夠有效提高CAU 天線抗干擾性能的同時，也不會影響B(tài)TM 的正常傳輸。

由于各車型車底布局的差異性，本文所提屏蔽裝置較易在地鐵、磁浮車輛上實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，擬在高鐵車輛上應(yīng)用時仍需進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

針對分相區(qū)弓網(wǎng)放電產(chǎn)生的電磁輻射對BTM系統(tǒng)產(chǎn)生帶內(nèi)干擾，從而導(dǎo)致應(yīng)答器信號丟失、全零、幽靈應(yīng)答器等故障，本文開展了放電特性研究。通過仿真分析BTM 通信頻帶內(nèi)電磁耦合規(guī)律，提出了一種屏蔽防護(hù)措施，通過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場測試，可使干擾信號幅度降低20 dB，從而驗(yàn)證了該方案的有效性和可行性。該方案能提高BTM 系統(tǒng)過分相時的抗干擾性，降低應(yīng)答器故障率，具有較高的推廣應(yīng)用價值。