弓網離線電弧對CRH380BL型動車組速度傳感器的電磁干擾機理及抑制

朱　峰, 唐毓濤, 高晨軒

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都　610031)

復雜的電磁環境使得要保證高速動車組正常、安全的運營變得更加困難[1]。 CRH380BL型動車組因為其速度傳感器受到弓網離線電弧的電磁干擾，在運營過程中發生故障，具體表現為：當動車組到站后降下受電弓時，車門有時會自動關閉，無法正常開啟。這一故障給動車正常、安全運營造成嚴重影響。對于該故障，按照通常的解決方案是增加保護接地以降低車體阻抗，達到抑制降弓時離線電弧所產生的電磁干擾的目的[2]。這種增加保護接地的措施，是基于等效電路模型、將電磁干擾在傳導途經中進行抑制的方法。由于增加的保護接地與原有的保護接地會形成車體與鋼軌的多點連接，當列車行駛在鐵路絕緣節處或當鋼軌接縫連接不可靠、鋼軌表面銹蝕時，鋼軌阻抗變大，導致牽引電流通過車體回流，長期下來存在使軸承燒蝕的隱患。從物理層面上來講，干擾的源頭是離線電弧產生了電磁輻射，其電場分量會在傳感器電纜的表面和芯線上產生感應電場。對此，可利用磁環對電磁輻射的吸收與屏蔽功能，將電磁干擾抑制在輻射途經中。

目前針對磁環抑制電磁干擾有許多研究[3-5]，但是絕大多數僅限于模擬試驗和建立仿真計算模型。而將磁環運用到電氣化鐵路中，解決弓網離線電弧對動車組的電磁干擾問題，卻很少有研究。

為了抑制弓網離線電弧的輻射干擾，本文在CRH380BL型動車組受電弓所在的2車和7車的速度傳感器上分別嵌套磁環，并通過對比研究測試，磁環抑制電磁干擾的方法在電氣化鐵路實際工程運用中的有效性，以避免增加保護接地抑制電磁干擾存在的弊端。

1　速度傳感器對門控信號控制系統的影響

CRH380BL型動車組裝有2種型號的速度傳感器，分別為LG型速度傳感器和BCU型速度傳感器，傳感器的安裝位置如圖1所示。圖中：大圓圈表示的均為LG型速度傳感器、小圓圈表示的均為BCU型速度傳感器。其中，LG型速度傳感器的信號直接送入牽引控制單元(TCU)，BCU型速度傳感器的信號分別送入每節車的制動控制單元(BCU)，TCU及BCU與整車的列車控制和管理系統(TCMS)相連。

圖1　傳感器安裝位置示意圖

CRH380BL型動車組門控信號控制系統工作原理如圖2所示。

圖2　CRH380BL型動車組門控信號控制系統工作原理圖

由圖2可見：能影響車門開關的只有兩路信號，一路是TCMS信號，門的正常控制就是通過TCMS信號得到的開關門命令，同時TCMS也傳遞整車的速度信號。另一路就是硬線信號，這路信號是通過速度傳感器控制繼電器實現的，一旦速度傳感器中檢測到速度信號，即硬線速度信號，就會使相應的繼電器加電，門控器(DCU)會把從TCMS得到的速度信號與硬線速度信號做比較，如果出現不一致，則處于開門狀態的車門將自動關閉，且當任何一路速度信號大于5 km·h-1時都將啟動車門關閉。因此，CRH380BL型動車組在降弓時車門自動關閉，肯定有一路速度信號大于5 km·h-1。實際上，在動車組停止運行時才會降弓，所以速度傳感器在正常情況下應該沒有信號輸出。可見，降弓時速度傳感器受到了較大電磁干擾，因此需要對其進行電磁干擾測試。

2　測試內容及結果

2.1　測試內容

為了對速度傳感器受到的電磁干擾進行測試，采用了頻譜分析儀和EMC綜合測試儀電流檢測探頭，其中頻譜分析儀主要用于射頻和微波信號的頻域分析；電流檢測探頭采用裂開式夾子設計，能夠方便地測量導線和電纜上的電磁干擾。測試儀器及其技術指標見表1。

表1　測試儀器及其技術指標

現場測試受電弓所在2車和7車的速度傳感器受到的電磁干擾，首先將電流檢測探頭分別卡在2車和7車2種速度傳感器的外電纜上，然后分別測試其電場的背景值以及降弓時速度傳感器受到的電磁干擾值，進行對比分析。

為了便于對比分析，將頻譜分析儀現場測試所得電磁干擾的功率轉化為端口輸入電平，則

UdB=107+PdB

(1)

式中：UdB為頻譜分析儀的端口輸入電平，dBμV；PdB為頻譜分析儀的端口功率，dBm。

2.2　測試結果

2車和7車的背景測試結果及LG和BCU型速度傳感器受干擾后的測試結果分別如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可見：降弓時，2車和7車上的速度傳感器均會受到不同程度的電磁干擾，該電磁干擾主要集中在10 MHz以內，且弓網離線電弧的輻射能量具有隨機性，具體表現為：頻率在10 MHz以下時，其在速度傳感器上隨機造成的電磁干擾輻射能量較多；頻率在10～30 MHz時，高頻能量集中，電磁輻射表現為窄帶尖峰，且輻射窄帶尖峰出現的頻率點也不固定。

3　電磁干擾的機理及抑制

通過現場多次近距離的測試研究，發現在弓網離線電弧發出的脈沖波中存在高頻分量，該高頻分量會引起速度傳感器電纜上的電磁干擾。

圖3　2車的速度傳感器測試波形圖

圖4　7車的速度傳感器測試波形圖

速度傳感器電纜為編織型同軸電纜，如圖5(a)所示，其剖面圖如圖5(b)所示。

圖5　編織型同軸電纜示意圖

由圖5可見：速度傳感器電纜屏蔽層上的外導體是由金屬絲編織而成，存在許多細小的孔洞，所以并非完全屏蔽,弓網離線電弧發出的脈沖波所形成的電磁干擾會在速度傳感器電纜的編制層表面形成感應電場E，其中有一部分電磁干擾透過編織層的孔洞耦合到電纜內部，在芯線上形成感應電場E′。由于E>E′,因此會在編織層與芯線之間形成電位差U。電磁干擾形成的感應電場從根本上體現為電纜表面所感應的共模電流IC，且電磁干擾的大小可通過U的大小表示[6]，為

U=IcZtLm

(2)

式中：Zt為每米電纜的轉移阻抗；Lm為電纜的有效長度。

電纜的轉移阻抗Zt與電纜編織層的參數有關[7]，為

Zt=Zd+jω(Mh±Mb)

(3)

b=π(d0+2d+h)cosα-nd

式中：Zd為散射阻抗；j為虛數；ω為角頻率；Mh為小孔電感；Mb為編織電感；d為每根編織線的直徑；δ為集膚深度；n為編織束內的導線數；C為編織層的編束數；α為編織角度；h為相交叉編織帶間距；f為頻率；μ為導線材料的磁導率；σ為導線材料的電導率；μ0為真空中的磁導率；d0為絕緣層的直徑；b為相鄰編織帶間距；p為編織節距。

CRH380BL型動車組速度傳感器使用的電纜參數：d=0.12 mm，C=24個，n=6個，d0=5.54 mm，p=45 mm，電纜的導電材料為銅，所以σ=5.8×107S·m-1,μ=μ0=4π×10-7H·m-1。因α<π/4，則編織層上IC產生的電場與流過電纜的電流所產生的電場方向相反，所以Mb取負號。

經過現場測試：弓網離線電弧的電磁輻射在傳感器電纜上產生的共模電流的最大值為95 mA，在2車上LG和BCU型速度傳感器電纜裸露在外面(其余部分在金屬殼內不會受到干擾)的有效長度分別為1和2 m；在7車上LG和BCU型速度傳感器電纜裸露在外面的有效長度均為1 m左右。

由圖3可以看出，2車速度傳感器受到的電磁干擾主要集中在5～10 MHz范圍內，當頻率f為5～10 MHz時，由式(3)可以計算出2車速度傳感器電纜的轉移阻抗Zt為150～250 Ω·m-1。由于離線電弧的電磁干擾具有隨機性，無法確定會在具體哪個頻點上產生，所以取轉移阻抗的平均值200 Ω·m-1進行計算，則由式(2)可以計算出2車上干擾導致不同型號速度傳感器的電位差分別為ULG(2)≈19 mV，UBCU(2)≈38 mV。根據圖3所示的測試結果，2車LG和BCU型速度傳感器最大干擾分別為80和90 dBμV左右，換算成電壓分別為10和32 mV，與理論分析計算結果基本一致。

同理，由圖4可以看出，7車速度傳感器受到的電磁干擾主要集中在5 MHz附近，由式(2)和式(3)可以計算出干擾導致不同型號速度傳感器的電位差為ULG(7)≈UBCU(7)≈14 mV。根據圖4所示的測試結果，7車的LG和BCU型速度傳感器最大干擾均在80 dBμV左右，換算成電壓值均為10 mV，與理論分析計算結果基本一致。

以上電壓的計算都是針對單頻點展開的，實際干擾電壓由于功率能量譜的疊加會達到上千伏，具體計算方式和結果將在另文給出。正是因為瞬間高電壓的干擾，導致了動車組門控系統的故障。

目前，針對電氣化鐵路弓網離線電弧電磁干擾的研究很多，Tellini和Macucci M等人利用模擬實驗裝置測試并研究了受電弓升降時瞬變電磁干擾的差異[8]，Klapas 通過高速列車的電弧功率采集分析了影響電弧放電的各種因素[9]。但是，關于解決弓網離線電弧對電氣化鐵路運營安全的影響問題卻很少有人進行研究。鎳鋅鐵氧體磁環的使用頻率為102～105kHz，其材料的磁導率較低，電阻率很高，往往被用于1 MHz以上高頻段電磁干擾的抑制[10]，因此，選擇在CRH380BL型動車組的速度傳感器電纜屏蔽層上嵌套鎳鋅鐵氧體磁環的方式抑制弓網離線電弧產生的電磁干擾。

(4)

因為0

4　干擾抑制的測試結果

在動車組受電弓所在的2車與7車的速度傳感器電纜屏蔽層上嵌套磁環后，分別對其進行降弓時的干擾測試，結果如圖6和圖7所示。

圖6　2車速度傳感器加磁環抑制干擾波形圖

圖7　7車速度傳感器加磁環抑制干擾波形圖

對比測試和理論分析結果可以看出：當磁環和電纜固定不變時，磁環降低電纜轉移阻抗x的取值與電纜的有效長度以及抑制頻率有關。CRH380BL型動車組2種速度傳感器所使用的電纜相同，2車抑制的干擾頻率在5～10 MHz范圍內，LG型速度傳感器電纜有效長度為1 m，xLG(2)=0.6，相當于磁環降低40%轉移阻抗；BCU型速度傳感器電纜的有效長度為2 m，xBCU(2)≈0.3，相當于磁環降低70%左右的轉移阻抗。7車抑制的干擾頻率在5 MHz附近，且LG和BCU型速度傳感器電纜的有效長度均為1 m，xLG(7)=xBCU(7)=0.4，相當于磁環降低了60%的轉移阻抗。

5　結　語

CRH380BL型動車組的速度傳感器(LG型和BCU型)在降弓時確實會受到弓網離線電弧所造成的電磁輻射干擾，從而導致動車組車門非正常閉鎖。離線電弧的電磁干擾頻率主要集中在10 MHz以內，而當干擾頻率在10～30 MHz時，高頻能量集中，電磁干擾表現為非固定頻點上的輻射窄帶尖峰。在動車組速度傳感器的電纜屏蔽層上嵌套磁環之后，對電磁干擾有良好的抑制作用：當干擾頻率在10 MHz以下時，最高抑制達10dB；在10～30 MHz時，電磁干擾抑制效果明顯，輻射窄帶尖峰基本消失。

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