CRH2列控車載測速測距設備EMC實驗及防護方法

楊 劍

（北京全路通信信號研究設計院，北京 100073）

1 概述

眾所周知，高速動車組在運行過程中，會在車體內部及列車周圍空間產生較強的電磁干擾，安裝于列車上的各種電子設備會處于一個相對復雜的電磁環境中。在列車運行過程中，裝備于CRH2-300T型動車組上的車載ATP測速測距設備，曾發生一些電磁兼容（EMC）問題，如偶發的速度傳感器損壞，以及在列車經過供電分相區時，偶發的ATP系統測速測距功能故障。經過對車載測速測距設備所處的電磁兼容環境進行反復實驗研究，并采取了針對性的防護和改進，逐步解決了上述存在問題。本文擬結合該實驗研究的過程和成果，對CRH2型動車組車載測速測距設備EMC問題的相關研究進行介紹和總結。

2 CRH2-300T型動車組電氣接地系統特點

電磁兼容分析通常將理論與實驗分析緊密結合，為找到并了解引起上述EMC問題的根源，需首先對動車組本身的電氣接地系統進行詳細了解。

CRH2-300T型動車組為8節車編組，動力編制方式為6動2拖。圖1是CRH2-300T動車組動力編制方式示意圖。車載ATP安裝于兩端的拖車上。動車組第4和第6節車廂上安裝有受電弓，相對應的在受電弓所在的車廂下，安裝有主變壓器，用以將接觸網上的高壓交流電轉換為列車驅動使用的低壓交流電和車載電器設備使用的直流電。

不同于歐系動車組（CRH1、CRH3）的設備浮地方式，CRH2型動車組采用了日系新干線動車組的電氣接地系統特點，車體地與信號設備地等勢，即信號電氣設備地線直接連接在動車組車體之上，所有低壓電氣設備的地線均回流經過車體。此種設計方式對電氣設備帶來了更多的干擾問題。

圖2是CRH2-300T動車組接地系統示意圖。受電弓通過接觸網取得27.5 kV 50 Hz交流電，經過主斷路器后，進入主變壓器初級線圈。主變壓器初級線圈負極通過接地碳刷（電阻很小）連接到列車驅動軸上，經過輪對及鋼軌與大地形成回流。因輪對及轉向架直接與金屬接觸，此電勢被稱為轉向架地。變壓器副端產生低壓交流電用于驅動牽引電機，并經過變壓整流產生100 V直流電源，為列車上的控制設備供電。100 V直流電源的負極直接連接在列車車體上，車載ATP設備的地線也直接連接到車體上，通過車體形成回流。列車車廂之間通過接地電纜連接。在動車車廂下，列車車體通過小阻值的接地電阻與列車輪軸接地。因接地電阻的存在，動車車體與轉向架在電氣上并不等勢，而拖車車體與拖車轉向架兩者之間則相對絕緣，經接地電纜、接地電阻和鋼軌回路間接相連。由于輪對與鋼軌接觸電阻的不確定性，以及不同軌面接地條件的復雜性，該輪對-軌面-輪對回路可等效為騷擾信號源。經分析整理簡化后，動車組接地等效電路如圖3所示。

圖3中，VCB為主斷路器，C1是牽引電流回路與車體間的寄生電容，L1為主變壓器原端等效電感，L2為車體與牽引電流回路的寄生電感，R1為動車車體與轉向架間的接地電阻，R2為動車與拖車車體地間的接地電阻，TCB GND為動車車體地，NTCB GND為拖車車體地，NTB GND為拖車轉向架地，TB GND為動車轉向架地，Tachometer為車載計軸速度傳感器。

基于CRH2型動車組特殊的電氣接地方式，當VCB的連接狀態發生變化瞬間，在L1的強感性作用下，在牽引回路上產生瞬間的高電壓和浪涌電流，在L2上會感生瞬時的高幅值騷擾，形成動車車地體上的騷擾信號源；受電弓離開和靠近接觸網時，在空氣間隙內也會發生瞬時的高壓擊穿放電現象，在C1和L2上會感應產生瞬時的高幅值電壓騷擾，形成車地體上的騷擾信號源。動車車體與轉向架之間由于接地電阻的存在，產生的擾動電壓會被限制在一定范圍內；而拖車車體與轉向架間因相對絕緣，在極端情況下，會產生峰值為上千伏的電壓擾動。此擾動對跨接安裝于拖車車體與轉向架間的車載測速測距設備產生較大的電氣沖擊，對正常信號傳輸產生很大騷擾。

3 車載計軸測速傳感器的安裝方式分析

齒輪霍爾轉速傳感器，利用霍爾效應原理，將因鋼制齒盤轉動產生的感應磁力線變化，轉化為與輪齒對應的脈沖電信號，具有非接觸測量、工作穩定性好、壽命長的優點。若將霍爾速度傳感器安裝于動車組軸旁，與軸端測速齒盤配合使用，通過測量動車組輪對的轉速，即可實現動車組速度、移動距離和運行方向的實時測量。

如圖2所示，車載ATP設備安裝于動車組兩端的拖車上，測速傳感器則安裝于該車輛第二輪對和第三輪對所在的轉向架上，兩者之間通過多芯屏蔽電纜相連接。

圖4是車載計軸速度傳感器電氣連接示意圖。從圖4中看出，速度傳感器外殼使用金屬安裝板固定于轉向架上，傳感器探頭則與測速齒盤之間需保持一定的空氣間隙。傳感器外殼與內部電路采用絕緣設計，絕緣強度一般在500～1 500 V之間，符合EN 50121-2-3：2000規范標準。速度傳感器使用多芯屏蔽電纜，穿過列車車體機艙，至ATP機柜內部，與SDU模塊相連接。SDU模塊內部傳感器接口電路采用光電隔離設計，絕緣強度在2 000 V以上。電纜屏蔽層一端與SDU模塊外殼相接，經過機柜接地線與車體共地，另一端則通過接插件與速度傳感器尾纜的屏蔽層相連。

這樣的電氣連接方式，使拖車車體與轉向架之間在瞬時產生的幾千伏峰值浪涌脈沖群，直接加載于車載ATP測速測距設備上。由此可能產生的電磁兼容問題：在高電壓大電流沖擊下，計軸速度傳感器損壞，瞬時電流沖擊所產生的測速測距信號騷擾，這恰恰對應了現場實驗所發現的問題。

4 電磁兼容定量測量及分析

為驗證上述分析結果，需進行一系列的定量測量。結合現場實際條件，對信號騷擾強度所選定的測量方法為：在車廂內ATP機柜旁，使用帶記錄功能的高性能多通道示波器，在騷擾產生時刻，對速度傳感器信號電纜的內部信號線及屏蔽層的騷擾信號進行定量測量和記錄。

測試儀表使用Tektronix的DPO7354四通道數字熒光示波器，儀表的有效測試帶寬為3.5 GHz，最高采樣率為40 GS/s，記錄深度為400 MB。

示波器四通道的布置如表1所示。

表1 示波器四通道布置表

CH1為觸發通道，觸發條件設置為小于50 us的Glitch（毛刺）觸發、觸發電平為1/2電源電壓（9 V）。

測量時間點取為動車組與接觸網接觸關系發生變化時，包括動車組升降弓瞬間、開關主斷路器瞬間，以及列車經過分相區時的受電弓離網和入網瞬間。

測試結果分析表明，列車降弓瞬間，騷擾信號幅值明顯大于其他幾種情況，騷擾信號呈浪涌脈沖特征，騷擾信號群產生頻率為100 Hz，且幅值逐漸放大，表現為明顯的離網放電特征，持續時間約幾十毫秒。動車組進入分相區時，騷擾信號同樣表現為離網放電特征，但幅值稍小，持續時間較短。升受電弓和動車組離開分相區瞬間，騷擾信號則表現為一系列典型的電浪涌脈沖群特性。該測量結果可定性說明，信號騷擾是由于列車受電弓與接觸網連接關系變化引起的。

進一步，需要對列車升降弓時拖車車體與轉向架之間產生的瞬時騷擾電壓進行定量測量。測量結果顯示在列車升降弓瞬時，騷擾電壓峰值可超過2 kV，超出了霍爾速度傳感器的單獨耐壓能力。

在分析速度傳感器損壞原因時發現，如圖4所示，某型號霍爾速度傳感器在其內部將尾纜屏蔽層與傳感器金屬外殼使用一個小封裝的4.7 pF電容相連，該電容標稱耐壓能力為2 000 Vrms。這種交流雙端接地的設計方式在速度傳感器電纜兩端共地的歐系車型上可以有效減低電磁輻射對內部信號的干擾，但應用于CRH2型車上，則會將車體與轉向架間瞬時幾千伏高壓加載到該電容上。估算得到，對于1MHz騷擾信號，其等效容抗約為：

對于2 kV峰值的騷擾電壓，產生的峰值電流約為

瞬時峰值功率約為120 W，遠超出了其封裝所能承受的額定功率。當高頻高壓的浪涌騷擾信號加載到該電容上時，很容易引起該電容損壞，實際拆解損壞的傳感器時，均發現該電容存在過熱燒蝕的現象。該電容損壞后，則將高壓直接加載到速度傳感器內部霍爾器件兩端，引起速度傳感器損壞。

同時，因雙端接地在車體與轉向架間形成的交流通路，在電壓擾動瞬間有較大的電流通過，進而通過電纜芯線與屏蔽層之間的分布電容耦合到芯線內，對電纜內傳輸的速度脈沖信號形成較大幅值的瞬間擾動。

進一步對比實驗也證明了這一結論：將速度傳感器的金屬安裝板替換為非金屬絕緣板，斷開交流接地通路，測得的平均信號騷擾幅值明顯減小，騷擾信號持續時間也大大縮短。

5 車載計軸速度傳感器電磁兼容防護方法探討

利用上述測量和分析的結論，對裝備于CRH2-300T型車上的車載測速測距設備進行電磁兼容改裝和防護。

對一般電磁兼容問題，可采用“疏”和“堵”的解決方法。“疏”即為騷擾和浪涌信號提供泄放通道，保護有效信號和設備；“堵”則是增加設備和有效信號本身的耐壓和抗干擾能力。由于電磁兼容問題的解決具有系統性和復雜性的特點，為避免改變動車組的電氣接地結構而引發其他電磁兼容問題，需盡可能避免為騷擾信號提供泄放通道，在解決測速測距電磁兼容問題時，宜盡量加強設備本身對共模擾動的抑制能力。

基于對測速測距電氣系統的整體了解，并結合具體的問題現象分析，目前采用的EMC改進措施：包括更換具有更高耐壓能力的速度傳感器以及安裝絕緣安裝板和耐壓隔離盒等輔助耐壓隔離裝置。這些措施在初步實驗和實際運營中取得了明顯的效果，解決了傳感器損壞問題。此外，為解決速度信號騷擾問題，采取一系列綜合措施：在信號通道中切除騷擾信號耦合途徑，在差分信號線間為高壓騷擾信號布置泄放通道，以及采集信號后提高信號處理設備的軟硬件濾波能力等。經反復實驗和實際運營證明，以上措施配合使用，大大減低了騷擾對有效速度信號的影響。

6 結論

本文圍繞CRH2型動車組車載ATP測速測距設備的電磁兼容問題進行研究，介紹CRH2-300T型動車組的特殊電氣接地方式，測速測距設備的電氣連接結構，以及為解決EMC問題進行一系列的實驗分析，并針對存在問題提出解決方案，進一步總結出解決電磁兼容問題的經驗和方法。

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