巴西里約地鐵牽引系統(tǒng)回流與軌道電路信號(hào)系統(tǒng)電磁兼容性測(cè)試

趙 強(qiáng)，王金田，楊晨輝，段洪亮，王海瑞

（長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林長(zhǎng)春130062）

巴西里約地鐵牽引系統(tǒng)回流與軌道電路信號(hào)系統(tǒng)電磁兼容性測(cè)試

趙 強(qiáng)，王金田，楊晨輝，段洪亮，王海瑞

（長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林長(zhǎng)春130062）

在對(duì)巴西里約地鐵1A線牽引系統(tǒng)及地面信號(hào)系統(tǒng)工作原理進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，確定了牽引系統(tǒng)回流與信號(hào)系統(tǒng)電磁兼容性影響的測(cè)試方法，并且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)及試驗(yàn)室靜態(tài)測(cè)試驗(yàn)證了巴西地鐵交流牽引不平衡電流在單列車運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的諧波成分對(duì)地面信號(hào)系統(tǒng)的影響在允許范圍內(nèi)。

牽引回流；電磁兼容性（EMC）；軌道電路

列車牽引系統(tǒng)回流與軌道電路信號(hào)系統(tǒng)的電磁兼容性問(wèn)題一直是車輛制造商及運(yùn)營(yíng)商極為關(guān)注的問(wèn)題，各個(gè)國(guó)家的信號(hào)系統(tǒng)、列車無(wú)線及其他鐵路系統(tǒng)（輪軸計(jì)數(shù)器、軌道電路、列車控制系統(tǒng)等）在工作頻率和波形上各有不同［1］，針對(duì)不同國(guó)家及地區(qū)應(yīng)用的不同制式的信號(hào)系統(tǒng)，臨界頻率和最高電平應(yīng)在用戶及制造商協(xié)議中加以規(guī)定［2］，同時(shí)在進(jìn)行理論分析證明的同時(shí)必須通過(guò)有效的、切實(shí)可行的EMC測(cè)試加以數(shù)據(jù)分析予以驗(yàn)證確認(rèn)。

1 問(wèn)題說(shuō)明

巴西里約地鐵現(xiàn)在的信號(hào)系統(tǒng)由兩種軌道電路組成，一個(gè)是阿爾斯通公司的音頻無(wú)絕緣軌道電路（CVCM），另一個(gè)是英國(guó)通用電氣公司生產(chǎn)的繼電器觸發(fā)閉路式軌道電路（REED）。REED信號(hào)系統(tǒng)和CVCM信號(hào)系統(tǒng)的工作原理基本相同，但工作頻率和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有所不同。REED的工作頻率范圍在350～520 Hz之間，其工作頻率分別為：375，378，381，384，387，500，503，506 Hz，其工作電流為150～200 m A；CVCM的工作頻率范圍在8.2～12.3 k Hz，其工作頻率分別為：8.2，8.6，9.2，10.0，10.6，11.0，12.3 k Hz，其工作電流約為50 m A。

長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司制造地鐵牽引系統(tǒng)采用三相交流逆變器控制的交流電機(jī)，牽引變流器使用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)達(dá)到要求的波形，PWM模式由微處理器或者可編程邏輯予以在線生成，其切換頻率范圍是300～600 Hz，牽引變流器配備的內(nèi)部時(shí)基允許其在非常高的功率水平下在零和數(shù)百赫茲之間生成任何頻率處于保持狀態(tài)的線電流（即牽引回流），經(jīng)仿真分析確定結(jié)果高達(dá)1.8 A，單機(jī)測(cè)試結(jié)果在375 Hz這個(gè)頻段上高達(dá)895 m A。由于牽引回流經(jīng)回流線連至列車的輪軸至鋼軌，而信號(hào)系統(tǒng)的系統(tǒng)信號(hào)傳輸是以鋼軌傳輸介質(zhì)進(jìn)行傳輸?shù)模襌EED信號(hào)系統(tǒng)的工作電流也僅有150～200 m A，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于895 m A，由此判斷牽引系統(tǒng)回流與信號(hào)系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生電磁兼容性影響。

2 實(shí)施測(cè)試

解決電磁兼容問(wèn)題的關(guān)鍵就是測(cè)試，只有通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試才能驗(yàn)證是否會(huì)造成電磁兼容性影響［3］。結(jié)合巴西地鐵項(xiàng)目電磁兼容性問(wèn)題關(guān)鍵3要素，干擾源——牽引系統(tǒng)回流、耦合途徑——軌道電路，敏感設(shè)備——信號(hào)系統(tǒng)，以信號(hào)系統(tǒng)為核心接口確定了牽引系統(tǒng)對(duì)REED系統(tǒng)的干擾電流測(cè)試及REED軌道電路的電磁抗擾度測(cè)試方法，相關(guān)試驗(yàn)同時(shí)在試驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)同時(shí)使用了長(zhǎng)、短軌道電路，并進(jìn)行了運(yùn)營(yíng)中軌道電路電流門(mén)限值的模擬和檢測(cè)。在試驗(yàn)室的試驗(yàn)中，運(yùn)用了REED的發(fā)射和接收電路，模擬現(xiàn)場(chǎng)的一些條件和表現(xiàn)。

2.1 測(cè)試配置

根據(jù)巴西地鐵信號(hào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及REED電路具體特點(diǎn)，頻譜分析儀選擇安捷倫N9020A型，其頻率覆蓋范圍從20 Hz到13.6 GHz，同時(shí)具有最大保持工作模式以保證能夠?qū)崟r(shí)采集到最大工作電流，配備標(biāo)準(zhǔn)的20 dB衰減器接頭。具體測(cè)試配置見(jiàn)圖1。

圖1 牽引系統(tǒng)對(duì)REED系統(tǒng)的干擾電流測(cè)試配置圖

信號(hào)系統(tǒng)的抗干擾電流測(cè)試，需要模擬REED信號(hào)系統(tǒng)信號(hào)，因此選用了Solar 8850－2型DC－15 MHz的函數(shù)發(fā)生器，同時(shí)考慮到需要利用磁場(chǎng)耦合效應(yīng)將干擾電流耦合到信號(hào)系統(tǒng)的初級(jí)線圈接收端，因此采用了Solar 6220－1A型50 A的耦合變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。此外，測(cè)試針對(duì)的是電流，選用Solar 7144－1.0/10.0型1.0/10Ω，80 W的精密電阻串聯(lián)于信號(hào)系統(tǒng)輸入端的初級(jí)線圈中，并采用Tektronix TDS3032B型示波器監(jiān)控其兩端電壓。具體測(cè)試配置連接見(jiàn)圖2。

圖2 REED信號(hào)系統(tǒng)的電磁抗擾度測(cè)試配置圖

2.2 測(cè)試方法說(shuō)明

（1）牽引系統(tǒng)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)干擾電流的測(cè)試

為確保牽引系統(tǒng)回流在信號(hào)系統(tǒng)工作頻率上達(dá)到最大值時(shí)予以測(cè)試，此時(shí)列車需要達(dá)到AW3的載荷狀態(tài)，經(jīng)由第3軌供電列車應(yīng)保持最大輔助載荷；更為重要的是在測(cè)試中需考慮到列車的不同工作條件，列車需要如圖3所示進(jìn)行兩種模式測(cè)試：一種是現(xiàn)有列車以最大加速度加速穿過(guò)B區(qū)域然后保持勻速（22 km/h）直到整個(gè)列車離開(kāi)B區(qū)域，最后在整個(gè)列車駛出B區(qū)域減速制動(dòng)并停止；另一種是現(xiàn)有列車在駛?cè)隑區(qū)域前加速至22 km/h，然后保持該速度一段時(shí)間，最后減速靜車在B區(qū)域，通過(guò)以上2種運(yùn)行方式以保證對(duì)信號(hào)系統(tǒng)接收端及發(fā)送端的干擾都予以充分考慮。

圖3 牽引系統(tǒng)對(duì)軌道電路的干擾電流測(cè)試列車運(yùn)行狀態(tài)圖

測(cè)試針對(duì)使用的頻譜分析儀需要定義頻率寬度（FRBW）、掃描時(shí)間（ST）以及檢測(cè)模式。在這項(xiàng)測(cè)試中，定義了牽引系統(tǒng)在信號(hào)系統(tǒng)工作頻率375 Hz仿真及單機(jī)測(cè)試最大的頻率為測(cè)試頻率，最小的ST由FRBW確定。峰值檢測(cè)模式和“最大保持”功能進(jìn)行了施加，這項(xiàng)功能使我們可以選擇在確定的時(shí)間間隔內(nèi)每個(gè)頻率測(cè)試的最大等級(jí)。在“最大保持”功能下，光譜每2 s存儲(chǔ)一次。400～600 MHz，10 min收集的范圍，并且電壓為DC 1 500 V。按照上述說(shuō)明進(jìn)行測(cè)試，使用兩個(gè)頻譜分析儀以相同的100 k Hz FRBW通過(guò)電流鉗連接至信號(hào)系統(tǒng)輸入端的初級(jí)耦合線纜上，見(jiàn)圖4。

圖4 干擾電流測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備布置圖

（2）REED信號(hào)系統(tǒng)的抗干擾電流的測(cè)試

REED信號(hào)系統(tǒng)的抗干擾電流測(cè)試在里約地鐵總部的REED試驗(yàn)室中進(jìn)行。試驗(yàn)室中REED軌道電路初級(jí)線圈和次級(jí)線圈均在混合線圈中，模擬REED信號(hào)系統(tǒng)實(shí)際工作情況。REED信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備和模塊組成如圖5所示。

圖5 REED信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備及模塊組成實(shí)物圖

REED試驗(yàn)室的軌道電路接收器由軌道濾波器，接收放大器，REED濾波器和繼電器組成。REED濾波器的頻率帶寬響應(yīng)非常窄，帶寬為1 Hz。假設(shè)每個(gè)REED軌道電路對(duì)濾波器的頻率響應(yīng)都是一致的，僅中心頻率時(shí)是不同的。該測(cè)試選擇375 Hz的REED軌道電路。

測(cè)試執(zhí)行中，首先斷開(kāi)發(fā)射機(jī)，將繼電器設(shè)置為“拉低”狀態(tài)，使其處于占用狀態(tài)，音頻信號(hào)源調(diào)至中心頻率375 Hz，增加施加的信號(hào)功率直到REED在該頻點(diǎn)上出現(xiàn)敏感現(xiàn)象，觀察該敏感現(xiàn)象，若繼電器被“抬高”，則軌道電路會(huì)在占用狀態(tài)下顯示清零，則視為敏感，從示波器記錄敏感電流值，并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)分析及討論

通過(guò)牽引系統(tǒng)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)干擾電流的測(cè)試，測(cè)試環(huán)境是387 Hz的REED軌道電路，非常靠近于Colegio（車站名）和Iraja（車站名）之間的阻抗軌隙連接器。測(cè)試條件包括：列車需要具備AW3的載荷狀態(tài)；列車保持最大輔助負(fù)載（HVAC、照明等）；列車需按如圖3所示進(jìn)行兩種運(yùn)行模式測(cè)試。

測(cè)試時(shí)，司機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中很難將速度維持在一個(gè)定值，列車的速度近似等于22 km/h。可以確定的是測(cè)試過(guò)程中，列車加速行駛階段保持最大加速度。

圖6和圖7為兩種運(yùn)行模式下的測(cè)試結(jié)果。在運(yùn)行模式1中，在374.76 Hz時(shí)，最大干擾電流為30.9 d BμA。在運(yùn)行模式2中，在377.7 Hz時(shí)，最大干擾電流為22.609 dBμA。

圖6 牽引系統(tǒng)對(duì)REED系統(tǒng)的干擾電流在運(yùn)行模式1條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)

從頻譜儀測(cè)得是經(jīng)衰減器衰減和電流探頭阻抗變換后的電壓值，故低壓回流線電流ILac（dBμA）為

動(dòng)車高壓回流線電流IHac（d BμA）為

本測(cè)試采用的衰減器衰減系數(shù)為S＝60 d B，d BμA變換為m A：

列車為6小節(jié)車廂，每節(jié)車廂有2個(gè)低壓回流線和2個(gè)高壓回流線，所以，列車分別有12個(gè)低壓和高壓回流線。列車產(chǎn)生的總干擾電流可以粗略地用式（4）表示：

根據(jù)上式，測(cè)試結(jié)果在分辨率帶寬選擇為10 Hz條件下，375 Hz頻點(diǎn)的干擾電流為最大干擾電流1 380.8 m A。

圖7 牽引系統(tǒng)對(duì)REED系統(tǒng)的干擾電流在運(yùn)行模式2條件下的測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語(yǔ)

為了確認(rèn)牽引系統(tǒng)回流對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的電磁兼容性影響程度，對(duì)牽引系統(tǒng)回流對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的干擾電流和REEDREED信號(hào)系統(tǒng)的抗干擾電流的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。REED接收器初級(jí)線圈的最大干擾電流應(yīng)小于列車的最大傳導(dǎo)電流，最大干擾電流可在列車制動(dòng)減速或已加速至70～80 km/h時(shí)測(cè)得。分辨率帶寬為1 Hz時(shí)軌道電路的最大電流值（大約為441 m A的三分之一）要遠(yuǎn)小于分辨率帶寬為1 Hz時(shí)列車受流器上的最大傳導(dǎo)電流值389 m A。在REED試驗(yàn)室中，頻率為375 Hz的最小敏感電流值為615 m A。當(dāng)初級(jí)線圈的干擾電流超過(guò)615m A的電流閾值時(shí)，列車?yán)^電器會(huì)錯(cuò)誤的進(jìn)入拉高狀態(tài)，軌道電路會(huì)在被占用時(shí)顯示空車信息。在1 k Hz到20 k Hz頻率范圍內(nèi)，CVCM軌道電路的最大干擾電流為2.2 m A，比要求的50 m A的傳導(dǎo)限值要小很多，并且CVCM軌道電路在100 m A的干擾電流下不會(huì)發(fā)生敏感。

［1］ EN 50121－3－1.鐵路應(yīng)用－電磁兼容性－第3－1部分：鐵路車輛－列車和整車［S］.2006.

［2］ IEC 61133.Electric traction－rolling stock－Test Method for electric and thermal/electric rolling stock on completion of construction and before entry into service，MOD［S］.1992.

［3］ V.Deniau，N.Ben Slimen，S.Baranowski，H.Ouaddi，J.Rioult和N.Dubalen，“影響鐵路通訊系統(tǒng)安全的EM干擾”［C］.電磁系統(tǒng)可靠性討論會(huì)，法國(guó)巴黎.2007，05.

EMC Measurements in Brazil for Traction Return Current between Track Circuit Signal Systems

ZHAO Qiang，WANG Jintian，YANG Chenhui，DUAN Hongliang，WANG Hairui
（Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China）

On the basis of detailed analysis of the working principle of traction system and the ground signal system in Rio Brazil Metro Line 1A，this paper illustrated the EMC measurement method of traction system between signal systems.Through static test in laboratory and dynamic test at spot verified that the Brazil train＇s ac traction system unbalanced harmonic current are within the permissible range when a single train operated and can＇t influenced the signal system on the ground.

traction return current；EMC；track circuit

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.12

1008－7842（2014）01－0059－04

?）男，高級(jí)工程師（

2013－08－29）