沙特輕軌列車諧波電流EMC問題影響分析

趙強(qiáng)，劉亞飛，馬志瑜，李鋒

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)①

伊斯蘭教歷時(shí)十二個(gè)月，以百萬計(jì)的穆斯林前往沙特麥加朝覲，中車長客制造輕軌列車為往返于朝覲地點(diǎn)的穆斯林提供運(yùn)營服務(wù).朝覲運(yùn)營最高峰單向輸送旅客達(dá)72 000 人·次/h，最短追蹤間隔時(shí)間70 s，超強(qiáng)性負(fù)荷快速運(yùn)載對列車運(yùn)營安全性提出了更高要求，任何影響運(yùn)營安全的因素都必須予以高度關(guān)注并在朝覲運(yùn)營前得到根本解決.

朝覲運(yùn)營演練車輛、信號、供電及站臺設(shè)備系統(tǒng)安全問題研討會中，信號系統(tǒng)供應(yīng)商提出車輛運(yùn)營過程中發(fā)現(xiàn)存在軌道電路信號變換延時(shí)、自動(dòng)駕停車車門對位超限問題，認(rèn)為列車牽引系統(tǒng)產(chǎn)生電流諧波分量頻率與地面信號系統(tǒng)的工作頻率處于同一頻率范圍內(nèi)的干擾信號超過信號系統(tǒng)抗干擾限值要求,影響信號系統(tǒng)的正常工作.

為充分保證朝覲期間運(yùn)營安全性，將發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的可能性降低到最小，中車長客根據(jù)沙特業(yè)主要求針對列車與軌道電路信號系統(tǒng)EMC問題開展分析、測試、評估工作確定問題解決方案.

1 牽引系統(tǒng)與軌道電路EMC干擾問題

電磁兼容指目標(biāo)應(yīng)具備的一種能力，即目標(biāo)在既定工作環(huán)境下不因工作電磁環(huán)境發(fā)生不可接受的性能降級或失效，也不會產(chǎn)生不可接受的電磁發(fā)射[1].

沙特輕軌的電磁兼容問題一方面是列車及其牽引系統(tǒng)會產(chǎn)生電磁干擾，一方面是地面信號系統(tǒng)的抗電磁干擾能力薄弱.因此，應(yīng)采取措施降低對外部的電磁干擾，同時(shí)也應(yīng)提高信號系統(tǒng)的抗干擾能力.

1.1 牽引系統(tǒng)諧波電流產(chǎn)生機(jī)理

沙特輕軌牽引采用直-交型傳動(dòng)方式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)在滿足車輛動(dòng)力性能、故障運(yùn)行/救援能力及實(shí)現(xiàn)預(yù)期的行駛速度的前提下，充分考慮參數(shù)匹配、特殊運(yùn)行工況及電磁兼容性要求.

牽引系統(tǒng)中逆變器產(chǎn)生的干擾電流經(jīng)回流線流入鐵軌，影響到軌道電路的正常工作[2].逆變器作為牽引系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一，其主要功能是實(shí)現(xiàn)直流和交流間的電能量轉(zhuǎn)換，整個(gè)控制轉(zhuǎn)換過程通過逆變橋、控制邏輯和濾波電路等核心部件共同作用實(shí)現(xiàn).在牽引高壓直流輸入電通過IC高頻放大推動(dòng)MOS管轉(zhuǎn)換為高頻交流電的過程中，附加產(chǎn)生了交流電工頻諧波分量，其中一些諧波成分落在信號工作頻帶內(nèi)，會通過不平衡電流的方式對軌道電路設(shè)備造成電磁干擾.

牽引諧波電流對信號系統(tǒng)的干擾影響不僅需要考慮產(chǎn)生諧波分量頻率范圍，也要結(jié)合列車在不同的工況下(啟動(dòng)、加速、勻速、減速、制動(dòng))引起的各次諧波分量比例、幅值的變化規(guī)律進(jìn)行全面分析.因此，為確定諧波電流是否會對信號系統(tǒng)產(chǎn)生影響，需要嚴(yán)格把握牽引系統(tǒng)工作時(shí)的各種狀態(tài)，分析各種不同狀態(tài)下逆變器產(chǎn)生的干擾電流.

1.2 軌道電路工作機(jī)理

列車回流線流經(jīng)地面信號系統(tǒng)的干擾電流是否會影響地面信號系統(tǒng)的正常工作，不能只考慮干擾電流的大小，更應(yīng)考慮地面信號系統(tǒng)的抗干擾水平[3].沙特輕軌地面信號系統(tǒng)主要為Thales軌道電路，電路頻率范圍為350～520 Hz，工作電流值范圍為150～200 mA，其原理如圖1所示.

圖1 軌道電路原理圖

軌道電路的發(fā)射機(jī)發(fā)出低頻信號經(jīng)放大器、浪涌保護(hù)器、軌道濾波器、浪涌分流器等傳送至鐵軌后到接收端；接收端連接鐵軌的一端是初級線圈，另一端是浪涌分流器、阻抗諧振器，通過鐵軌流經(jīng)初級線圈的電流會在初級線圈中產(chǎn)生磁場.次級線圈與初級線圈共同包裹在一個(gè)復(fù)合線圈內(nèi)，次級線圈與初級線圈的磁場切割面相同，線圈匝數(shù)不同；次級線圈中的感應(yīng)電流經(jīng)濾波器、放大器到達(dá)軌道電路的繼電器，繼電器由于受到電流的作用會產(chǎn)生“上拉”和“下拉”動(dòng)作.當(dāng)繼電器接收到了所發(fā)送的信號時(shí)，說明該段軌道上沒有列車經(jīng)過，信號順利經(jīng)鐵軌抵達(dá)接收端，繼電器顯示為“下拉”狀態(tài)；當(dāng)繼電器沒有收到所發(fā)送的信號時(shí)，則發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號沒有順利通過軌道，說明該段軌道上有列車經(jīng)過，列車與鐵軌的回路將所發(fā)送信號短路，此時(shí)繼電器顯示為“上拉”狀態(tài).

基于這樣的原理，實(shí)際的軌道電路中就存在著兩種可能出現(xiàn)的問題.第一種情況是正面失誤，即該段軌道上無列車通過，但繼電器仍沒有正常接收到信號，錯(cuò)誤的顯示為“上拉”狀態(tài)，在實(shí)際軌道上無車的情況下，軌道電路顯示有車的狀態(tài).雖然正面失誤會造成軌道電路的誤判操作，但是這種情況并不會造成嚴(yán)重的后果；第二種情況則需要特別的注意，稱為負(fù)面失誤，即該段軌道上有列車通過，發(fā)射機(jī)所發(fā)出的信號被列車短路應(yīng)不會被繼電器接收到，但由于干擾電流的存在或其他方面原因，致使繼電器被錯(cuò)誤地“下拉”或不能被“抬高”，錯(cuò)誤地顯示該段軌道上沒有列車經(jīng)過.此時(shí)就面臨著十分危險(xiǎn)的情況，極容易造成兩車的相撞，故負(fù)面失誤問題是軌道電路極力規(guī)避的錯(cuò)誤.

2 問題解決方法及測試方案

根據(jù)牽引諧波電流產(chǎn)生原因和軌道電路工作機(jī)理的分析可知，牽引系統(tǒng)可能是主要電磁干擾源，其工作時(shí)附加產(chǎn)生的高次諧波分量如果與軌道電路的工作頻率處于同一頻率范圍內(nèi)，會通過回流線和軌道對軌道電路造成干擾.軌道電路接收端濾波器的頻率帶寬響應(yīng)非常窄，缺點(diǎn)是只需要較小與其工作頻率相同的干擾電流就有可能錯(cuò)誤地啟動(dòng)接收器，從而引發(fā)負(fù)面失誤，干擾使軌道繼電器不能正常拉低或者在有車被占用時(shí)處于抬高狀態(tài)，這樣導(dǎo)致軌道電路在被占用時(shí)卻顯示空車狀態(tài).

從解決沙特輕軌電磁兼容問題角度而言，確定問題解決方法及具體實(shí)施方案需要明確三個(gè)主要問題：

(1)列車回流線產(chǎn)生的干擾電流A究竟是多少？

(2)回流線上的干擾電流如何流至地面信號系統(tǒng)的接收端，接收端的干擾電流B是多少？

(3)軌道電路信號系統(tǒng)的傳導(dǎo)抗擾度C是多少？

剖析以上三個(gè)問題發(fā)現(xiàn)，問題(1)的干擾電流A是應(yīng)該大于問題(2)中的干擾電流B，因?yàn)閱栴}(1)中的干擾電流A是問題(2)中干擾電流B的來源.同時(shí)，問題(3)中的抗擾度值C需要大于問題(2)中的干擾電流B，才能使軌道客車處于正常工作狀態(tài).另外，問題(3)中的抗擾度值C與問題(2)中的干擾電流B之差，正是沙特業(yè)主十分關(guān)注的地面信號系統(tǒng)的安全裕度.

因此，為了明確上述3個(gè)問題，相應(yīng)地提出了問題解決測試方案：

問題(1)列車(AW3)回流線的傳導(dǎo)發(fā)射測試；

問題(2)列車(AW3)對軌道電路干擾電流測試；

問題(3)軌道電路信號系統(tǒng)的電磁抗擾度測試.

其中，AW3指的是每平方米有9個(gè)人的負(fù)載，列車處于AW3狀態(tài)時(shí)已處于超載和狀態(tài)，相比AW0AW1AW2載荷狀態(tài)，列車運(yùn)行時(shí)會需要更大的牽引或制動(dòng)能量，說明列車的運(yùn)行已進(jìn)入相對惡劣情況，對此時(shí)條件下的列車進(jìn)行電磁傳導(dǎo)發(fā)射和傳導(dǎo)抗擾度測試，相對而言可以獲得更可靠的測試結(jié)果.

3 電磁兼容問題影響分析

在充分明確電磁兼容問題解決方法和測試方案的基礎(chǔ)上，為了全面深入地進(jìn)行問題影響分析評估，需要分別從列車諧波干擾電流、軌道電路接收端內(nèi)干擾電流及軌道電路電磁抗擾度三方面進(jìn)行了仿真分析及試驗(yàn)測試，以期通過數(shù)據(jù)分析確定軌道電路在牽引諧波存在條件下工作敏感性結(jié)論.

3.1 列車產(chǎn)生諧波干擾電流

為了確定最壞條件下列車在軌道上的干擾電流限值，首先對其牽引系統(tǒng)(包括逆變器VVVF和輔助逆變器SIV)在軌道電路工作頻率上進(jìn)行了異步模式和單脈沖模式仿真預(yù)測.仿真計(jì)算得出整車的干擾回流值不超過車輛設(shè)計(jì)對牽引系統(tǒng)所提的技術(shù)限值1.8 A，這在理論層面上說明諧波電流不會對信號系統(tǒng)產(chǎn)生干擾.為進(jìn)一步對比仿真數(shù)據(jù)同時(shí)驗(yàn)證真實(shí)工況下牽引產(chǎn)生諧波干擾電流值,分別獨(dú)立地采用A方式和B方式在軌道電路工作頻率點(diǎn)上進(jìn)行了列車回流線傳導(dǎo)發(fā)射測試，兩者的測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示.

表1 列車回流線傳導(dǎo)發(fā)射測試的測試結(jié)果

從表1可以發(fā)現(xiàn)，二者列車回流線傳導(dǎo)發(fā)射的測試結(jié)果處于同一數(shù)量級，整車回流數(shù)值差在0.057～0.725之間.需要強(qiáng)調(diào)的是：牽引電流的諧波含量十分豐富，頻帶和幅值變化范圍很大.測試結(jié)果不僅與采集信號傳感器精度有關(guān)，同時(shí)與頻譜儀所設(shè)置的分辨率帶寬有一定的關(guān)系，分辨率帶寬越寬，進(jìn)入該頻譜儀中頻濾波器能量越多(包括隨機(jī)噪聲和其他頻率相鄰的信號)測試數(shù)據(jù)的幅值則越高.A方式和B方式采用分辨率帶寬分別為4 Hz和10 Hz，故A方式測試數(shù)據(jù)結(jié)果略高.對于384 Hz頻點(diǎn)上測試結(jié)果的接近性，說明此頻段上采集信號經(jīng)濾波后的有效諧波分量可分辨帶寬集中于4 Hz附近；而387 Hz頻點(diǎn)上數(shù)值達(dá)到0.725的情況則正好相反.

3.2 軌道電路接收端內(nèi)干擾電流

部分軌道電路信號系統(tǒng)工作頻點(diǎn)上諧波電流高于其正常工作電流并不能說明一定會造成干擾，真正會造成干擾的是流經(jīng)軌道電路接收端內(nèi)的干擾電流.該電流不僅與列車的諧波電流有關(guān)，而且與地鐵的軌道實(shí)際情況有關(guān)，電流的大小更取決于后者.因此，有必要對軌道電路接收端內(nèi)的干擾電流進(jìn)行更進(jìn)一步地測試分析.

因此，分別應(yīng)用不同測試方法在列車AW3工況下針對軌道電路接收端干擾電流運(yùn)行了測試.圖2示意了兩種測試方法電流鉗測量干擾電流值所夾位置，并簡明地反映了列車的電流是如何提供和如何返回的.如果兩個(gè)鐵軌上的軌道回流是完全平衡的，在阻抗軌隙連接器處各電流成分會匯聚在一起.實(shí)際上，兩個(gè)鐵軌上的軌道回流是不可能完全平衡的，一部分回流會流入到軌道電路，但是能夠肯定的是，軌道電路上的干擾電流要比列車的傳導(dǎo)發(fā)射電流小得多[4].

圖2 列車干擾電流兩種不同的測試現(xiàn)場

方式2采用半列車進(jìn)行了三次傳導(dǎo)發(fā)射測試，從測試結(jié)果可以看出頻率為375 Hz的干擾電流和列車速度之間關(guān)系，如圖3所示.

(a) 列車加速至72 km/h和減速至44 km/h

從圖3(a)可看出，當(dāng)列車加速至72 km/h并準(zhǔn)備開始減速時(shí)，最大干擾電流值為0.275 A，其他相對較大的干擾電流值分別對應(yīng)的是44 km/h時(shí)的0.250 A，55 km/h時(shí)的0.248 A；從圖3(b)可看出，72 km/h時(shí)，最大干擾電流為0.225 A，另一個(gè)相對較大的干擾電流值是43 km/h時(shí)的150 mA.從圖3(c)可看出，當(dāng)列車加速至85 km/h并準(zhǔn)備開始減速時(shí)，最大干擾電流值為0.275 A，其他相對較大的干擾電流值分別對應(yīng)的是70 km/h時(shí)的0.232 A，45 km/h時(shí)的0.15 A.總的來說，當(dāng)列車開始制動(dòng)或加速到70～80 km/h時(shí)產(chǎn)生最大干擾電流，由于不同的列車加速和測試條件，最大干擾電流值出現(xiàn)在不同的速度.

因?yàn)槭怯冒肓熊囘M(jìn)行測試，因此整車的最大干擾電流計(jì)算公式如下：

此外，方式2選擇分辨率帶寬為1 Hz和4.8 Hz頻率上進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射測試，如圖4所示，不同分辨率帶寬下，出現(xiàn)最大干擾電流時(shí)的列車速度是不同的.鑒于濾波器的帶寬為1 Hz，因此軌道電路傳導(dǎo)發(fā)射電流測試的分辨率帶寬最好也應(yīng)選為1 Hz.

(a) 列車最大加速狀態(tài)

在軌道電路的干擾電流測試過程中，列車運(yùn)行過程大致可分為三個(gè)階段：最大加速，以22 km/h勻速運(yùn)行，制動(dòng)減速.頻譜分析儀設(shè)置為最大保持狀態(tài)，所以當(dāng)列車制動(dòng)減速時(shí)能夠捕獲最大電流.

方式1測試中采用分辨率帶寬為3 Hz時(shí)，初級線圈在374.6 Hz時(shí)最大干擾電流為0.441 A；分辨率帶寬設(shè)置為3 Hz，干擾電流約是分辨率帶寬為1 Hz時(shí)的3倍.對比方式2的測試結(jié)果，分辨率帶寬為1 Hz時(shí)軌道電路的最大電流值(大約為0.441 A的三分之一)要遠(yuǎn)小于分辨率帶寬為1 Hz時(shí)列車的最大電流值0.389 A.

3.3 軌道電路電磁抗擾度

軌道電路敏感與否是通過其內(nèi)部繼電器從初始的“拉高”狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至“拉低”狀態(tài)來判定的.其電磁抗擾度測試通過向電路接收端的初級線圈向軌道電路注入干擾方式進(jìn)行測試.由于軌道電路擁有多個(gè)工作頻率分布在375～506 Hz之間，相鄰導(dǎo)軌的信號如果頻率相同，則可能通過濾波器進(jìn)入繼電器，造成錯(cuò)誤.因此必須使相鄰導(dǎo)軌之間工作頻率錯(cuò)開，同時(shí)由于信號沿鐵軌傳遞衰減，滿足一定距離后，信號單元可采用相同工作頻率而不發(fā)生相互干擾.間隔距離判斷的主要依據(jù)就是軌道電路的靈敏度，此外，信號系統(tǒng)的頻率響應(yīng)也是重點(diǎn)需要考慮的因素[5].

由于電路的頻率響應(yīng)帶寬十分窄(僅1 Hz)，那么就需要在主要工作頻率附近每隔3 Hz進(jìn)行測試，同時(shí)在其他位置選擇多個(gè)頻點(diǎn)測試以確保充分考察軌道電路的抗擾度.假設(shè)濾波器的頻率響應(yīng)曲線都是一致的，故可以選取工作頻率為375 Hz的軌道電路進(jìn)行測試.

通過重復(fù)4次敏感電流值的測試，中心頻率為375 Hz的軌道電路的敏感電流值見表2,其他60～525抽樣頻率上測試得出的敏感電流值均為5 A，平均敏感電流曲線如圖5所示.

表2 重復(fù)測試4次，375 Hz時(shí)的敏感電流值

圖5 軌道電路平均敏感電流曲線

可以看出，在中心頻率375 Hz時(shí)，最小敏感電流值為0.615 A，平均敏感電流值為0.639 A.當(dāng)軌道電路工作在中心頻率時(shí)，初級線圈的干擾電流超過了0.615 A的電流閾值，列車?yán)^電器會錯(cuò)誤地進(jìn)入拉高狀態(tài)，軌道電路會在被占用時(shí)下顯示空車信息.

從軌道電路接收端濾波器頻率響應(yīng)角度考慮，其頻率響應(yīng)的曲線如圖6所示，頻響帶寬非常窄，所以在軌道電路敏感電流曲線中，只在非常窄的帶寬才內(nèi)會發(fā)生敏感現(xiàn)象.

圖6 濾波器頻率響應(yīng)

3.4 數(shù)據(jù)綜合對比分析

綜合牽引諧波干擾電流、軌道內(nèi)干擾電流及軌道抗干擾電流測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：①牽引諧波電流設(shè)計(jì)上滿足軌道電路軌道限值要求，軌道電路可能受影響最為嚴(yán)重的工作頻率在375 Hz附近；②軌道電路接收器初級線圈的最大干擾電流應(yīng)小于列車的最大傳導(dǎo)電流，最大干擾電流在列車加速或減速至70～80 km/h附近時(shí)測得，分辨率帶寬為1 Hz時(shí)軌道電路的最大電流值0.147 A,要遠(yuǎn)小于列車受流器上的最大傳導(dǎo)電流值0.389 A;③軌道電路抗擾度在頻率為375 Hz時(shí)的最小敏感電流值為0.615 A，當(dāng)初級線圈的干擾電流超過了0.615 A的電流閾值，列車?yán)^電器會錯(cuò)誤的進(jìn)入拉低狀態(tài)，軌道電路會在被占用時(shí)顯示空車信息；④在確定的測試環(huán)境和測試條件下，最大傳導(dǎo)電流值0.要比375 Hz的最小敏感電流0.615 A小得多.

綜上可知，沙特輕軌軌道電路在列車牽引諧波存在條件下不會產(chǎn)生電磁兼容敏感.

4 結(jié)論

列車牽引系統(tǒng)諧波電流與地面信號系統(tǒng)電磁兼容問題一直是影響列車運(yùn)營安全的關(guān)鍵性問題，車輛系統(tǒng)制造商不僅要在車輛集成設(shè)計(jì)階段對牽引系統(tǒng)在軌道電路工作頻率內(nèi)的干擾電流提出限值要求，同時(shí)還要在車輛交付試驗(yàn)階段與地面信號系統(tǒng)供應(yīng)商共同進(jìn)行實(shí)地測試、數(shù)據(jù)采集、進(jìn)行全面深入分析以驗(yàn)證車輛與軌道電路兼容性滿足車輛運(yùn)營安全性要求.

本文以沙特輕軌列車諧波電流對軌道電路信號系統(tǒng)的EMC影響問題為實(shí)際應(yīng)用案例，從諧波干擾電流仿真和測試、軌道電路接收端干擾電流及軌道電路電磁抗擾度三個(gè)角度進(jìn)行分析，考慮不同的速度和列車的運(yùn)行狀態(tài)的影響，綜合不同測試方法形成的數(shù)據(jù)結(jié)果形成了一個(gè)全面完整的分析結(jié)論，對車輛建造項(xiàng)目交付過程進(jìn)行列車與軌道電路兼容性驗(yàn)證具有一定實(shí)踐應(yīng)用參考意義.