車載應(yīng)答器傳輸模塊電磁干擾研究

楊天礬，劉松林，支永健，閔建軍

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

車載應(yīng)答器傳輸模塊（balise transmission module, BTM）是列車控制車載設(shè)備的核心部件之一，其利用電磁感應(yīng)原理激活地面應(yīng)答器接收報文，為列車控制主機提供所需線路和位置信息。由于列車在實際運行過程中所處的環(huán)境極其復(fù)雜，BTM 受到電磁干擾可能會導(dǎo)致列車自動防護(hù)（automatic train protection, ATP）裝置誤動作而引起車輛牽引封鎖，直接影響行車效率與旅客乘車安全[1]。對此，本文基于BTM 的工作原理，對列車運行過程中BTM 的敏感源、干擾源以及耦合路徑進(jìn)行了分析，并結(jié)合實際案例進(jìn)行驗證，最后給出BTM電磁干擾抑制措施。

1 車載BTM 電磁干擾分析

應(yīng)答器系統(tǒng)主要由車載設(shè)備和地面設(shè)備兩大部分組成（圖1）[2]，其中車載設(shè)備部分包括BTM、BTM 天線及其連接電纜，地面設(shè)備包括有源應(yīng)答器和無源應(yīng)答器。BTM 天線被安裝于列車底部，通過同軸電纜與BTM 相連，BTM 天線通過電磁感應(yīng)實現(xiàn)與地面應(yīng)答器天線之間的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 應(yīng)答器系統(tǒng)組成Fig. 1 Structure of onboard BTM system

地面無源應(yīng)答器一般被安裝于列車運行線路上，不需要外加電源，其工作原理（圖2）如下：車載BTM發(fā)送功率波（頻率為27.095 MHz），當(dāng)列車通過無源應(yīng)答器上方時，此功率波激活無源應(yīng)答器，使之開始工作；無源應(yīng)答器讀取存儲區(qū)內(nèi)的信息（如地理位置、路線信息及列車固定限速信息等），該信息被編碼后經(jīng)移頻鍵控（frequency shift keying，F(xiàn)SK）調(diào)制（中心頻率為4.234 MHz，調(diào)制偏移頻率為±282 kHz）并以564 kb/s 的速率通過應(yīng)答器的4.234 MHz 天線發(fā)送；BTM 天線接收到此信息，先濾波并放大有用信號，再經(jīng)解調(diào)解碼后將信息傳送給ATP 主機。

圖2 車載BTM 工作原理Fig. 2 Operating principle of onboard BTM equipment

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ERTMS/ETCS FFFIS for Eurobalise：Subset-036 要求，BTM 信號傳輸誤碼率應(yīng)小于10-6；基于FSK 工作原理，信噪比要求大于13 dBm。由于不同廠家BTM 信號翻轉(zhuǎn)門檻電平差異較大，要求也各不相同，因此一般在2～6 MHz 頻段內(nèi)的BTM 信號干擾門檻值被要求在-60～-40 dBm 范圍內(nèi)。下面就電磁兼容三要素包括敏感源、干擾源和耦合路徑對車載BTM 干擾途徑進(jìn)行分析。

1.1 敏感源

BTM 系統(tǒng)中的主要敏感設(shè)備為主機箱。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24338-2018《軌道交通 電磁兼容》要求與標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.2-2018《電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗》中的實施細(xì)則[3]，包括BTM 天線在內(nèi)的主機機箱端口需要接受1 kHz 的正弦調(diào)幅信號，不同電場強度的抗擾度測試信號類型見表1；電源端口和信號端口需要接受抗擾度測試的騷擾信號基本相同，主要是快速電脈沖群、浪涌電壓與傳導(dǎo)騷擾（表2）。

由表1 和表2 可知，針對車載BTM，天線輻射抗擾度測試的干擾信號頻率在80 MHz 以上；而車載BTM 天線的發(fā)射和接收信號的頻率分別為4.234 MHz和27.095 MHz，處于免測頻段，BTM 天線對該頻段內(nèi)信號的抗干擾能力較差。另外，BTM 天線電纜與電源線雖然需通過信號傳輸頻段內(nèi)的傳導(dǎo)抗擾度測試，但由于BTM 天線電纜一般較長，其車底布線路徑上存在各種強電電纜與大功率變頻設(shè)備，同樣存在一定被干擾的風(fēng)險。國內(nèi)外文獻(xiàn)針對BTM 天線的抗干擾防護(hù)能力進(jìn)行了很多研究。文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一種金屬屏蔽罩來提升BTM 天線的抗干擾能力，但金屬環(huán)境會影響B(tài)TM 天線的傳輸性能。文獻(xiàn)[5]通過在BTM 天線端口接收電路上設(shè)置Chebyshev 二階帶通濾波器來提升4.234 MHz 頻段帶外的抗干擾能力，但并未提及帶內(nèi)干擾信號的防護(hù)措施。文獻(xiàn)[6]提出了一種用兩副天線串聯(lián)的方式來實現(xiàn)干擾對消，但并沒有給出實際應(yīng)用效果。目前BTM天線的抗干擾能力依然薄弱，現(xiàn)場大多數(shù)BTM 故障都是由于BTM 天線受擾而導(dǎo)致。根據(jù)實際現(xiàn)場故障解決經(jīng)驗，一般認(rèn)為BTM 干擾中主敏感源為BTM 天線，次敏感源為BTM 天線電纜與BTM 電源線。

表 1 主機機箱端口抗擾度測試信號類型表Tab. 1 Immunity test signals of enclosure port

表 2 電源端口與信號線端口抗擾度測試信號類型表Tab. 2 Immunity test signals of power input port and signal/communication port

1.2 干擾源

軌道車輛作為一個強電系統(tǒng)，其電磁環(huán)境非常復(fù)雜，同時具有高電壓與大電流的特點，在接觸網(wǎng)與鋼軌之間存在著高電壓；而作為非線性負(fù)載，軌道車輛將接觸網(wǎng)與鋼軌連接起來構(gòu)成電力牽引回路。為了使電力系統(tǒng)中三相負(fù)載平衡，電氣化鐵路采取分段方式為列車進(jìn)行長距離供電，2 個供電區(qū)間用分相區(qū)隔開。在列車行駛過程中，能對BTM 產(chǎn)生電磁干擾的潛在外部干擾源一般有以下幾類：

（1） 分相區(qū)脈沖群

在分段供電的鐵路上，列車從一個供電區(qū)進(jìn)入另一個供電區(qū)要經(jīng)過分相區(qū)。分相區(qū)是接觸網(wǎng)的無電區(qū)域，當(dāng)列車過分相與出分相的時候，在主斷路器開合的瞬間會產(chǎn)生大量的脈沖群。這些干擾通過空間輻射，易對車底通信造成影響。

（2） 弓網(wǎng)離線的高頻振蕩脈沖

列車行駛過程中存在接觸硬點、吊弦間接觸線懸掛不平順、接觸線因內(nèi)部材質(zhì)顆粒不均而導(dǎo)致剛度分布不均等問題，會使得受電弓與接觸網(wǎng)脫離；而瞬間的離線現(xiàn)象產(chǎn)生的大量電弧火花會引發(fā)時間短、頻譜較寬的高頻振蕩脈沖，其通過空間輻射易對車底通信造成影響。

（3） 牽引的瞬態(tài)電流諧波

當(dāng)列車處于靜止或者是出入庫運行工況時存在的升弓、降弓、合主斷及斷主斷等操作，會引發(fā)瞬態(tài)牽引電流的產(chǎn)生，該電流含有大量諧波，易對車底通信造成影響。

此外，對BTM 產(chǎn)生電磁干擾的因素還包括內(nèi)部干擾源，即列車大功率變頻設(shè)備開關(guān)瞬間產(chǎn)生的高du/dt和di/dt。一般情況下，車載BTM 天線、BTM 天線電纜、電源線都被安裝在列車頭車與尾車的車底，而列車頭車與尾車車底設(shè)備的布局及布線相比其他車廂的復(fù)雜（輔助電源裝置、換氣逆變裝置、司機室空調(diào)電源及充電機等變頻設(shè)備大多都集中都在頭車與尾車車底，在有些特殊情況下，牽引變流器與牽引電機也會被布置在頭車與尾車）。由于車底空間有限，各種變頻設(shè)備與BTM 天線距離很近，近場耦合不可避免；并且由于強電電纜與BTM 線纜之間間距不夠或者直接捆綁平行走線，這也會對BTM 設(shè)備造成干擾。

1.3 耦合路徑

外部干擾（弓網(wǎng)離線的高頻振蕩脈沖、過分相脈沖等）進(jìn)入BTM 內(nèi)部的途徑主要有3 種：BTM 天線的直接耦合、通過車門窗耦合形成次級干擾源后的二次輻射、受電弓-變壓器-電源線的傳導(dǎo)耦合。內(nèi)部干擾即大功率變頻設(shè)備干擾進(jìn)入BTM 內(nèi)部的途徑也主要有3 種：對BTM 天線的直接耦合、線間串?dāng)_形成次級干擾源后的二次輻射、電源線的傳導(dǎo)耦合。BTM 電磁干擾拓?fù)淙鐖D3 所示，干擾途徑包括干擾源、耦合路徑（其中虛線表示場耦合路徑，實線表示路耦合路徑）和敏感源3部分，干擾耦合方式具體說明如表3 所示。

圖3 電磁干擾拓?fù)銯ig. 3 Electromagnetic interference topological graph

表 3 干擾耦合方式Tab. 3 Electromagnetic interference coupling mode

以BTM 受內(nèi)部干擾為例，將內(nèi)部干擾源（輔助逆變電源、換氣裝置逆變電源、充電機、空調(diào)電源等）定義為拓?fù)鋱D的起點，將BTM 內(nèi)部電路定義為拓?fù)鋱D的終點。通過分析，可以得到圖4 所示的BTM 內(nèi)部干擾耦合路徑。

圖4 BTM 內(nèi)部干擾耦合路徑Fig. 4 Internal interference coupling path of BTM

2 車載BTM 電磁干擾分析驗證

本文以某地鐵為例對車載BTM 干擾進(jìn)行分析驗證。該線列車1#車廂在線上運行途中ATP 系統(tǒng)多次報BTM 數(shù)據(jù)異常，其引發(fā)ATP 故障，導(dǎo)致列車緊急停車。初步懷疑這是BTM 受電磁干擾導(dǎo)致。在庫內(nèi)靜態(tài)環(huán)境下對1002 車BTM 進(jìn)行故障排查，并給出相應(yīng)干擾抑制措施。

2.1 電磁干擾故障分析

本文主要從干擾源和干擾耦合路徑兩方面對BTM所受電磁干擾進(jìn)行分析。

2.1.1 干擾源

1#車在庫內(nèi)靜態(tài)條件下升弓上電，將頻譜儀連接至BTM 主機接收板信號測試點以測量BTM 主機接收端干擾信號頻譜（圖5）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，1#車BTM 主機接收端的干擾信號相較其他無故障車輛的高14 dB 左右（圖6）。由于測試是在庫內(nèi)靜態(tài)條件下進(jìn)行的，因此在排除BTM自身故障影響因素的同時，主要考慮BTM 遭受內(nèi)部干擾。通過逐一投切車底大功率變頻設(shè)備（如牽引逆變器、輔助逆變器、充電機、空調(diào)電源等）進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)只有斷開輔助逆變器時，干擾信號才會降低至無故障車輛正常水平，因此將BTM 干擾源定位為輔助逆變器。

圖5 BTM 干擾測試設(shè)備連接圖Fig. 5 Connection diagram of BTM interference test equipments

圖6 故障端與非故障端測試波形Fig. 6 Test data from fault port and normal port

2.1.2 干擾耦合路徑

通過查看車底輔助逆變器的布線情況來定位輔助逆變器到BTM 的干擾耦合路徑。其中輔助逆變器采用冗余雙負(fù)線直接接輪對的回流方式，負(fù)線1 接1#車1#轉(zhuǎn)向架輪對，負(fù)線2 接2#車1#轉(zhuǎn)向架輪對，負(fù)線1 從BTM 天線上方線槽內(nèi)穿過并在線槽外與BTM 天線信號線平行捆綁走線（圖7）。

斷開輔助逆變器負(fù)線1，BTM 主機接收端干擾信號相較圖6（a） 中測試結(jié)果降低了13 dB 左右，因此判斷干擾耦合路徑可能有兩種：一是輔助逆變器負(fù)線1 與BTM 天線電纜之間存在線間串?dāng)_，之后通過傳導(dǎo)進(jìn)入BTM 主機，造成BTM 主機接收端干擾信號偏大，引發(fā)BTM 數(shù)據(jù)異常；二是輔助逆變器負(fù)線1 與BTM 天線之間存在近場耦合，在BTM 天線端口產(chǎn)生感應(yīng)干擾電壓，之后由天線電纜傳導(dǎo)進(jìn)入BTM 主機。

圖7 某地鐵BTM 與輔助逆變器車底走線示意Fig. 7 Vehicle bottom wiring diagram (BTM and auxillary convertor)

為確定干擾耦合的具體路徑，增大線槽外輔助逆變器負(fù)線1 與BTM 天線電纜之間的距離，將原先的平行捆綁走線更改為0.5 m 間距走線。測試結(jié)果顯示，BTM主機接收端干擾信號強度基本不變（圖8）。

圖8 調(diào)整線纜間距前后測試數(shù)據(jù)Fig. 8 Test data by adjusting the cable space

將輔助逆變器負(fù)線1 由之前從BTM 天線上方線槽內(nèi)走線改為從車體外部走線，遠(yuǎn)離BTM 天線（圖9）。測試結(jié)果顯示，BTM 主機接收端干擾信號（圖10）相較圖8 的下降約10 dB?？梢耘袛郆TM 主機接收端干擾信號來自輔助逆變器負(fù)線1 與BTM 天線的直接近場耦合。

2.2 干擾抑制措施

圖 9 負(fù)線1 通過車體外部走線Fig. 9 Negative wire 1 passing through the outside of the vehicle

圖 10 負(fù)線1 通過車體外部走線測試數(shù)據(jù)Fig. 10 Test data by negative wire 1 passing through the outside of the vehicle

由之前排查情況可知，BTM 主機接收端干擾信號由輔助逆變器負(fù)線1 與BTM 天線直接近場耦合產(chǎn)生，可以采取以下兩種干擾抑制方案：

（1）改變干擾耦合路徑。將輔助逆變器負(fù)線1 由原先的1#車1#轉(zhuǎn)向架（靠近BTM 天線端）輪對接地改為1#車2#轉(zhuǎn)向架輪對就近接地（如圖11 中紅線所示）或者跨車接地，遠(yuǎn)離BTM天線，從而降低近場耦合強度。由于1 車輪對已無多余接地點（被車體保護(hù)接地和速度傳感器占用），而跨車接地需安裝跨車連接器，存在費用高且耗時長的問題，因此該方案被用戶否決。

圖 11 改變輔助逆變器負(fù)線1 接地點Fig. 11 Changing the negative wire 1 connection position of the auxillary convertor

（2）抑制干擾源。BTM 主機端干擾信號實際上是由輔助逆變器負(fù)線1 上的共模干擾在BTM 天線端口轉(zhuǎn)換為差模干擾被BTM 主機端接收而形成的，基于文獻(xiàn)[7]理論，可以采用在輔助逆變器負(fù)線端增加Y 電容器的方式來改變負(fù)線上共模電流回流路徑，進(jìn)而減小負(fù)線對外共模干擾（圖12）。測試結(jié)果表明，輔助逆變器負(fù)線端加裝0.47 μF 規(guī)格Y 電容器后，BTM 主機接收端干擾信號強度約降低10 dB（圖13），與其他無故障車輛的測試結(jié)果基本一致。車輛上線運行后，不再顯示BTM 數(shù)據(jù)異常故障。

圖12 Y 電容改變共模電流回流路徑Fig. 12 CM current loop with Y capacitor

圖13 加裝Y 電容后測試數(shù)據(jù)Fig. 13 Test data of CM current loop with Y capacitor

3 結(jié)語

本文分析了車載BTM 電磁干擾的敏感源、干擾源以及耦合路徑，結(jié)合實際BTM 干擾案例進(jìn)行了驗證及BTM 干擾故障排查，并且從抑制干擾源角度與切斷耦合路徑角度給出了BTM 干擾抑制方案。測試結(jié)果顯示，所提方案能很好地抑制干擾，消除BTM 數(shù)據(jù)異常故障。后續(xù)將根據(jù)本文研究結(jié)果開展軌道交通車輛整車布局布線的量化研究，進(jìn)一步完善整車電磁兼容設(shè)計體系。