同相供電鐵路系統電磁騷擾測試及特性研究*

王雅婷，余 俊，王延哲，周 毅，蘇發明

（1 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；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；3 動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室，北京 100081）

我國現有的接觸網單邊供電方式、牽引變電所連接形式以及換接相序使得牽引供電系統存在電分相環節、諧波以及負序等問題［1］。文獻［2］提出解決這些問題的方法之一是建設同相供電系統，同相供電系統為軌道交通機車車輛提供相同相位電壓［3］。2010年，我國已于成昆鐵路眉山牽引變電所將同相供電裝置投入運用。2018年溫州市域鐵路S1線開通，采用了單向組合式同相供電系統［4］。我國高速鐵路開通前都要進行聯調聯試，其中包括整個軌道系統對外界的電磁發射測試，以評估其系統對環境的電磁影響［5］。文獻［6］測試和分析了城市軌道交通牽引變電所工頻磁場和工頻電場水平，文獻［7］測試和分析了動車組的射頻電磁騷擾，文獻［8］對牽引電流傳導性干擾和瞬態電磁騷擾的影響機理和防護技術開展了研究，但現有文獻都未開展基于同相供電的射頻電磁騷擾測試和相關研究。本研究基于溫州S1線電磁騷擾研究試驗的現場數據，將其與國際國內鐵路系統電磁發射標準進行對比，并橫向對比現有基于AT供電的鐵路系統發射電磁騷擾數據，分析溫州S1線同相供電鐵路系統的電磁騷擾特性。

1 溫州S1線同相供電系統

溫州S1線同相供電系統采用單相組合式同相供電方案，實際上是基于有源對稱補償同相供電系統的一種優化［9］，如圖1所示，由同相補償裝置CPD和牽引變壓器TT組成，其中同相補償裝置由高壓匹配變壓器HMT、交直交變流器ADA和牽引匹配變壓器TMT組成。實際上，牽引變壓器和高壓匹配變壓器并聯構成Scott型式的供電容量及電壓幅值不等但電壓相位垂直的特殊三相—兩相平衡變壓器，牽引變壓器容量為2×（16+5）MVA。

圖1 單相組合式同相供電方案

在同相變電所投入運用時，單相組合式供電方案有2種運行型式，一種是同相供電裝置全天候運行，另外一種是當牽引復合功率接近負序功率允許值時投入補償。從系統結構可以看出，同相供電裝置包括交直交變換裝置，IGBT元器件的開關伴隨著電壓電流的瞬時突變會向外部空間產生電磁騷擾，這便是它與現有鐵路牽引變電所直接變壓器變換電能之間在電磁發射方面的差異。

2 整個同相供電鐵路系統電磁騷擾機理

同相供電鐵路整個系統不僅包括同相供電牽引變電所，還包括在線運行的動車組以及牽引供電線路等裝置。整個同相供電鐵路系統的電磁騷擾主要分為3個部分，如圖2所示。

圖2 同相供電鐵路系統射頻電磁騷擾發射機理示意圖

（1）動車組對外部環境的電磁騷擾：動車組高速運行時，其內部參與驅動的牽引電機、牽引變流器、牽引變壓器都是電磁騷擾的發射源，并且車內空調、照明燈輔助設施供電的輔助變流器也是電磁發射源。

（2）牽引變電所對外部環境的電磁騷擾：牽引變電所內部的牽引變壓器以及同相補償裝置在工作中涉及電功率和電流的變化，會產生電磁騷擾。

（3）接觸網產生的電磁騷擾：動車組牽引和電制過程中產生的諧波電流會作用在接觸網中，通過電磁感應對模擬通信線路產生電磁騷擾。

3 鐵路系統電磁發射測試

針對整個軌道系統的電磁發射標準，歐洲采用文獻［10］開展測試，我國則采用《GB/T 24338.2-2018軌道交通 電磁兼容 第2部分：整個軌道系統對外界的發射》［11］。

3.1 機車車輛運行時系統發射

測量頻率為9 kHz~1 GHz，其中9 kHz~150 kHz，由于無線電極少工作在此頻段一般不對該頻率范圍進行評價。根據GB/T 6113.101的規定，9 kHz~150 kHz的測量帶寬采用200 Hz帶寬，150 kHz~30 MHz采用9 kHz帶寬，30 MHz~1 GHz采用120 kHz帶寬。不同頻率選擇不同天線，環形天線用于采集9 kHz~30 MHz的磁場，雙錐偶極子天線用于測量30 MHz~300 MHz的電場，對數周期天線采集300 MHz~1 GHz電場。天線距離軌道中心10 m，如果試驗現場無法滿足10 m的要求。可通過式（1）進行換算。

式中：E10為等效10 m法的測量結果；Ex為D（天線距列車的投影距離，m）處的測量值，單位為分貝微伏每米（dBμV/m）；n為系數值，其中0.15 MHz~0.4 MHz，n取 值1.8；0.4 MHz~1.6 MHz，n取 值1.65；1.6 MHz~110 MHz，n取值1.2；110 MHz~1 000 MHz，n取值1。

天氣條件以干燥天氣為宜，24 h內降水不大于0.1 mm，溫度不小于5℃，風速小于10 m/s。

對于機車車輛的運行條件，包括2種：機車車輛運行在90%的最大速度且功率為當前速度下的最大功率以及特定速度下的最大額定功率。

3.2 牽引變電所的射頻發射

牽引變電所的重要特征是負載在短時間內發生大幅度變化，而發射與負載的大小相關，因此測量時應記錄牽引變電所的實際負載。

在牽引變電所柵欄（圍墻）10 m外布置測點。由于被測牽引變電所柵欄（圍墻）距離軌道中心在30 m之內，本次測試僅針對除了面向軌道側之外的其他3邊柵欄（圍墻）進行。

使用環形天線測量9 kHz~30 MHz的發射，天線的方向為最大發射值方向，牽引變電所的負載不小于額定負載的30%；使用雙錐天線測量30 MHz~300 MHz的發射最大值，變電所的負載不小于額定負載的15%；使用對數周期天線測量300 MHz~1 GHz的發射，天線的方向為最大發射值方向，牽引變電所的負載不小于額定負載的15%。試驗現場如圖3所示，溫州S1線同相供電變電所如圖4所示，牽引變電所的發射限值如圖5所示［11］。

圖3 機車車輛運行試驗現場

圖5 牽引變電所的發射限值

4 數據分析

4.1 機車車輛運行時系統發射對比

文獻［12］記錄了哈大線聯調聯試，機車車輛運行時，按照標準方法只測試了1 MHz和150 MHz的無線電干擾數據，試驗干擾場強隨速度變化曲線如圖6、圖7所示。1 MHz場強均值為95 dBμV/m，150 MHz場強均值為62 dBμV/m。

圖6 1 MHz輻射場強隨速度變化曲線

圖7 150 MHz輻射場強隨速度變化曲線

在基于同相供電系統的溫州S1線，實測1 MHz場強均值為87 dBμV/m，150 MHz場強均值為55 dBμV/m，如圖8所示。根據文獻［11］限值要求，1 MHz為110 dBμV/m，150 MHz限值為88 dBμV/m。2種供電方式的鐵路系統發射都在限值以內，并且，市域動車組在溫州S1線同相供電系統運行時比動車組在AT供電的鐵路上運行時在1 MHz和150 MHz特征頻率的場強值小7~8 dBμV/m。

圖8 2種供電方式特征頻點場強對比

4.2 牽引變電所發射分析

在滿足試驗天氣條件的情況下，試驗在溫州S1線同相供電變電所外取測點，應用準峰值模式測試了9 kHz~1 GHz全頻段變電所電磁發射場強。

背景噪聲的取值是在變電所空載運行，即線路上動車組靜置且斷電降弓的條件下進行。測試曲線如圖9~圖11所示，超限的頻點如100.3 MHz、88.8 MHz、800 MHz~1 GHz等尖峰頻點或頻段，均為無線電廣播頻點、電視伴音信號或手機信號波段［13］，非被試變電所主動發射的無線電騷擾。

圖9 9 k Hz~30 MHz頻段變電所對外射頻騷擾

圖10 30 MHz~200 MHz頻段變電所對外射頻騷擾

圖11 200 MHz~1 GHz頻段變電所對外射頻騷擾

試驗結果表明，有車運行時和變電所空載運行的電磁騷擾差異表現在2個方面：

（1）除72 MHz~90 MHz頻段，有車運行時，變電所電磁騷擾比變電所空載時電磁騷擾大1~3 dB之外（整體都在限值范圍內）。

（2）在14 MHz、130 MHz、150 MHz、230 MHz、320 MHz和340 MHz等頻點由于時變環境噪聲影響，變電所空載時電磁騷擾比有車運行時電磁騷擾反而大3~5 dB。

其余變電所有車和無車運行時對外部空間的射頻騷擾曲線基本重合。

5 結語

同相供電鐵路系統的電磁騷擾測試有據可依，但由于系統建設頻度較小，針對該系統的電磁騷擾研究并不多見。文中分析了溫州S1線基于組合式同相供電牽引供電系統的組成結構，介紹了國內外對整個鐵路系統電磁發射測試的方法，在溫州S1線開展鐵路系統電磁發射測試，將實測數據與哈大線鐵路系統特征頻點發射值進行對比，分析了牽引變電所帶載和空載時的9 kHz~1 GHz全頻段電磁發射數據，結果表明，該同相供電系統電磁發射值低于國內外標準限值要求，并對無線電干擾風險較低。