機車車輛噪聲計電流標準及實車測試分析*

余 俊，蘇發(fā)明，黃 金，陳煥玉，李 強

（1 動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室，北京100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094；3 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

鐵道機車車輛在線受流發(fā)生能量轉(zhuǎn)換以多種方式對外部空間發(fā)出電磁騷擾［1］。電氣化鐵路系統(tǒng)的牽引諧波電流可通過電磁感應對模擬通信線路產(chǎn)生噪聲影響［2］。通信系統(tǒng)工作功率一般在毫瓦級，相比功率為兆瓦級的機車車輛，相差懸殊。人耳音頻感受頻率20 Hz～20 kHz，機車車輛以50 Hz為基頻，主要分布在5 kHz 以內(nèi)的諧波正好覆蓋人耳最敏感的音頻頻率范圍，標準文獻［3］和［4］分別用等效干擾電流或噪聲計電流量化諧波干擾對通信線路的影響。瑞典國家鐵路公司Svensson 在Moholm 至Skovde 的線路上測試了基于晶閘管電力機車噪聲計電流，評估其對通信系統(tǒng)的影響［5］。中國電力科學研究院崔鼎新針對我國在上世紀80 年代無等效干擾電流測試方法的問題，參考國際電報電話咨詢委員會的導則提出基于RC 網(wǎng)絡(luò)和電流互感器的測試方法［6］。中國鐵道科學研究院吳德范首次引入了牽引網(wǎng)等效干擾電流的概念，并通過1986—1988 年的電力機車諧波試驗以及電算程序分析1 臺或2 臺機車在同一供電臂運行時等效干擾電流的分布規(guī)律［7］。株洲電力機車研究所周書芹針對串聯(lián)兩段橋加功率因數(shù)補償裝置的相控機車進行諧波仿真，得出等效干擾電流的分布值［8］。

隨著我國軌道交通裝備的發(fā)展，動車組、城軌和地鐵列車相繼上線，諧波研究多集中在機車車輛設(shè)備以及牽引供電所繼電裝置誤動作、電力電子裝置產(chǎn)生諧波原理及抑制等方面，對等效干擾電流的分布特性并未過多關(guān)注，這與我國無線通信技術(shù)彎道超車，銅制電話電纜的鋪設(shè)已逐漸退出歷史舞臺，我國境內(nèi)發(fā)生機車車輛干擾電話線事件報告寥寥無幾的客觀事實相符合。但是應當注意到，歐洲國家的有線電話普及率相對較高，在我國動車組“走出去”戰(zhàn)略實施的當下，噪聲計電流或等效干擾電流分布特性研究還需引起一定的重視。

另外，國際電報電話咨詢委員會（CCITT）更名為國際電信聯(lián)盟（ITU）后，標準文獻對雜音系數(shù)的修訂對等效干擾電流計算結(jié)果的影響也需要量化分析。

1 噪聲計電流及等效干擾電流

噪聲計電流（Psophometric Current）即等效干擾電流（Equivalent Disturbance Current），反映電源電路中電流頻譜對電話線的有效騷擾［2］，計算公式為式（1）：

式中：Ipso為噪聲計電流，A；If為接觸網(wǎng)電流在頻率f時對應的電流分量，A；Pf為噪聲計加權(quán)系數(shù)，P800為接觸網(wǎng)電流在800 Hz 時對應的加權(quán)系數(shù)。國內(nèi)動車組、電力機車的諧波測試屬于型式試驗項目［9］，其中就包括等效干擾電流測試。計算公式［10］為式（2）：

式中：Sn為雜音評價系數(shù)（CCITT 國際電報電信咨詢委員會提供）；In為基波、諧波電流（n=1，2，3，4，……，100，即基波、2～100 次諧波），電流畸變率諧波次數(shù)計算到100 次，等效干擾電流計算到61次。In基波的計算公式為式（3）：

φn為式（4），an、bn為傅里葉系數(shù)，分別為式（5）、式（6）

2 評價標準分析

目前，等效干擾電流試驗是動車組、電力機車型式試驗項點，而城軌及地鐵列車的噪聲計電流試驗一般在技術(shù)條件中做出規(guī)定，根據(jù)地鐵運用部分的需求開展測試，二者在物理意義上趨同，但在評價標準、方法、試驗設(shè)備、限值和評價系數(shù)上有響應區(qū)別。

逐一對噪聲計電流和等效干擾電流的標準內(nèi)容進行對比分析，評價標準分析見表1。

表1 評價標準分析表

2.1 噪聲權(quán)系數(shù)對比分析

關(guān)于針對動車組和電力機車的等效干擾電流評價標準，2018 年以前，國內(nèi)開展動車組、電力機車型式試驗的檢測機構(gòu)一般按照《TB/T 2517—1995 電力機車功率因數(shù)和諧波測試方法》推薦方法進行等效干擾電流測試和計算，2018 年，《TB/T 3523.2—2018 交流傳動電力機車試驗方法第2 部分：輸入特性試驗》由國家鐵路局發(fā)布，TB/T 2517—1995 隨即廢止，2 個標準的差別是Sn雜音評價系數(shù)系數(shù)，前者只給出了1～61 次諧波中奇數(shù)次的雜音評價系數(shù)，后者給出了1～60 次奇數(shù)和偶數(shù)次諧波對應的雜音評價系數(shù)。

關(guān)于針對城軌車輛及地鐵列車噪聲計電流評價標準，國內(nèi)外有資質(zhì)的檢測機構(gòu)一般采用《ITUT O.41-1994：使用的電話型電路—規(guī)格為測量設(shè)備—設(shè)備的計量模擬參數(shù)》推薦的Pf噪聲加權(quán)系數(shù)以及《EN 50121-3-1：軌道交通 電磁兼容—第3-1 部分：機車車輛 列車和整車》推薦的測試方法，Pf噪聲加權(quán)系數(shù)曲線如圖1 所示。

圖1 Pf 噪聲加權(quán)系數(shù)曲線

由于Pf是對數(shù)取值，而Sn是十進制取值，文獻［3］取800 Hz 為參考頻率點（人耳對800～1 200 Hz音頻最為敏感），對應功率為0 dBm（1 miliwatt）。便于對比分析，根據(jù)式（7）［12］，將對數(shù)形式的Pf加權(quán)系數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制。

將Pf和Sn以十進制形式繪制在一張圖中對比可知，如圖2 所示，在人耳最敏感的800～1 200 Hz區(qū)間，Pf系數(shù)大于Sn系數(shù)，在3 000 Hz 內(nèi)的其他頻率區(qū)間，Sn系數(shù)則大于Pf系數(shù)。

圖2 Pf 和Sn 噪聲加權(quán)系數(shù)曲線對比圖

雖然噪聲計電流和等效干擾電流的計算公式相同，但由于噪聲權(quán)系數(shù)的不同，即使測點位置和試驗對象一致，兩者計算結(jié)果勢必產(chǎn)生差異。

2.2 試驗設(shè)備和測點分析

動車組和地鐵列車包含多牽引單元，在整個列車分布安裝電流傳感器可行但工作效率并非最高。對于四象限變流器以交錯方式工作的機車車輛，由于不同動力單元產(chǎn)生的諧波相互抵消，總的噪聲計電流可能低于每個牽引單元噪聲計電流之和。

針對動車組和機車的等效干擾電流測試，目前普遍采用的方法是將被試車在中國鐵道科學研究院東郊分院環(huán)行線路上按照牽引、電制等工況運行，同一供電臂下只運行被試列車，變電所采集的電流測試結(jié)果即為總Ipso。而地鐵列車的噪聲計電流傳感器一般安裝在列車上的1 個電源接口。例如，1 500 V 供電的地鐵列車有2 臺受電弓，在1根受電弓下的供電電纜安裝柔性電流線圈測試1個動力單元的Ipso，總的噪聲計電流可根據(jù)公式（8）進行換算［3］。

式中：Ipso_total為總噪聲計電流；Ipso_one為1 個單元噪聲計電流［3］。

另外，頻率響應已不再制約本項測試，目前在市場上頻率響應在10 kHz 以上電流傳感器或電流鉗相比上世紀七八十年代更加普及。

3 不同列車等效干擾電流測試分析

分 別 對160、250、350 km/h 等8 編 組 動 力 分 散型動車組以及某型速度160 km/h 的8 軸電力機車等效干擾電流測試數(shù)據(jù)進行分析，繪制不同功率等級下的Jp值曲線，如圖3～圖5 所示，可以看出：

圖3 不同功率下電力機車正常運行及降級工況Jp 值

圖4 不同速度等級動車組在不同功率下的Jp 值

圖5 速度250 km/h 動車組在不同功率下的Jp 值

（1）在控制方式不變的情況下，機車單節(jié)運行的Jp值小于A、B 節(jié)同時運行的整車工況下的Jp值。

（2）針對不同速度等級的動車組，Jp值并不與速度等級或功率成明顯正相關(guān)性。

（3）速度250 km/h 動車組的整車網(wǎng)側(cè)諧波畸變率與功率呈反比，但Jp值與諧波畸變率也不呈明顯相關(guān)性。

可見，對機車車輛Jp值的優(yōu)化并不是簡單地抑制整車諧波分量，而是應當關(guān)注較大的雜音權(quán)系數(shù)所對應的諧波頻率，如800～1 200 Hz 的諧波分量。

4 地鐵列車的Jp 值和Ipso 值分析

利用萊姆公司LT 型電流傳感器采集某些地鐵列車高壓輸入側(cè)電流，測試精度為0.5%。第1步根據(jù)式（2）中的諧波公式計算各次諧波分量。然后，根據(jù)Pf及Sn的系數(shù)設(shè)計在線濾波器，集成于測試軟件中［13］，可在線計算干擾電流瞬時值。

本研究為對比分析同一地鐵列車的等效干擾電流值和噪聲計電流值，利用MATLAB 軟件集成噪聲計濾波器，并結(jié)合實車速度和功率數(shù)據(jù)，離線計算車輛輸入電流，得出相應Jp值和Ipso值瞬時曲線，計算方法如圖6 所示。

圖6 MATLAB 數(shù)據(jù)處理流程圖

數(shù)據(jù)原始波形如圖7 所示，描述地鐵列車靜置加速到最高速的過程，該列車最高速度100 km/h，電機額定功率190 kW，由4 節(jié)動車2 節(jié)拖車組成，供電制式為DC 1 500 V。

圖7 地鐵列車加速曲線

Jp值和Ipso值瞬時曲線如圖8 所示。Jp值分布于1.1～8.7 A 之 間，而Ipso值 分 布 于0.6～6.5 A 之 間，二者變化趨勢基本一致。

圖8 Jp 和Ipso 曲 線

5 結(jié) 語

文中分析了等效干擾電流和噪聲計電流的參考標準，對試驗設(shè)備、測點以及噪聲加權(quán)系數(shù)分布進行對比，然后將160、250、350 km/h 以及某型速度160 km/h 的8 軸電力機車等效干擾電流測試數(shù)據(jù)進行分析，繪制不同功率等級下的Jp值曲線，最后針對同一列地鐵列車的加速運行數(shù)據(jù)分別計算Jp和Ipso值，數(shù)據(jù)分析表明Jp值大于Ipso值，變化趨勢一致。