列車清洗機端刷接近開關電磁干擾原因分析及抑制措施

沈晨琦

(蘇州市軌道交通集團有限公司運營二分公司，215101，蘇州∥助理工程師)

接近開關作為一款不需要與設備動作部件發生直接機械接觸便可觸發其開關動作的高效傳感器，被廣泛運用于工業生產和日常生活中。蘇州軌道交通5號線列車清洗機的端刷洗系統中使用了許多接近開關，用以進行位置檢測與限位保護。端刷洗系統用以刷洗列車首尾兩輛車端面，端刷安裝在兩側龍門結構中，由接近開關限制其擺出、行走和升降的范圍[1]。接近開關可將傳感器與物體間的位置關系信息轉化為能夠被電氣系統識別的電信號[2]。然而，5號線列車清洗機投入使用以來，端刷接近開關頻繁失效，屢次出現端刷上升超出上限位的故障，對日常洗車作業造成了一定影響。排除接近開關本身質量問題后，可斷定造成其失效的原因為某種干擾。由于列車清洗機本身以及周圍環境組成了一個復雜系統，所以導致失效的原因可能是某一種或者幾種干擾源的共同作用。其中地鐵迷流、伺服驅動系統以及高壓接觸網等系統與環境因素所產生的感應電都會對電力線路造成電磁干擾[3-5]。本文在闡明5號線列車清洗機端刷接近開關原理的基礎上，對上述干擾源的作用原理展開分析，并提出了為避免干擾所采取的抑制措施。

1 接近開關的類型及原理

接近開關是一類傳感器的統稱，可細分為電感式、電容式、霍爾式和磁性式接近開關等[2]。不同類型接近開關的工作原理甚至作用對象都截然不同。5號線列車清洗機端刷所使用的接近開關為三線制PNP(由兩塊P型半導體中間夾著一塊N型半導體所組成的三極管)常開型電感式接近開關，具有短路和過載保護、無剩余電流、低電壓降等優點。其感應對象僅限于接近其感應面的金屬物體。將接近開關接入電路時，其中兩根線分別接入直流電源正負極，第三根線用于輸出信號，接入PLC(可編程邏輯控制器)的輸入端。

三線制PNP常開型電感式接近開關主要由振蕩器、檢測電路和放大輸出電路三部分組成。振蕩器由線圈和LC(一個電感和一個電容連接在一起的電路)振蕩電路構成，位于接近開關內部結構的最前端。振蕩器能夠在感應面前方形成一個高頻交變電磁場。當列車清洗機的端刷上升時，其根部的金屬片也隨之進入接近開關的磁場感應區。此時金屬片內部可等效視作無數個圓圈型閉合回路，由于交變磁場在此閉合回路中的磁通量是不斷變化的，所以在金屬片內部就產生了感應電動勢和感應電流，這種現象也被稱作渦流效應。

渦流直接導致振蕩電路的負載變大，使振蕩能力衰弱甚至停止振蕩[6]。振蕩電路的這一變化被后置檢測電路識別后，常開觸點閉合，經過放大輸出電路將開關信號輸入PLC。至此端刷接近開關便完成了將端刷上升到位的位置信息轉變為能夠被PLC所識別的電信號的任務。

2 電磁干擾源分析

2.1 高壓電網干擾源分析

公共高壓電網存在著各種形態且不易被察覺的干擾,干擾的形態可分為低頻干擾和高頻干擾兩類。低頻干擾的表現形式有欠壓、過壓、間斷、斷電、浪涌和頻率漂移等。用電設備的啟停引起電網負載的劇烈變化就會產生低頻干擾信號。高頻干擾的表現形式有毛刺、尖峰和高頻諧波等。導致高頻干擾信號產生的原因較多，比如用電設備啟停的瞬間沖擊、電網供電的非線性負載、高頻用電設備的反向輻射、自然界中的雷電沖擊等。

5號線采用DC 1 500 V架空接觸網供電系統為列車提供運行動力，也屬于高電壓強電流等級范圍。在列車清洗機主庫內，列車同樣采用此供電方式。接觸網帶電導線包括接觸線、承力索、回流線和正饋線等，當強電流通過接觸網帶電導線時，電能不斷地向列車和空氣中傳播，造成帶電導線內部電流處于不平衡狀態，接觸線與大地之間產生一個等同于操作電壓的電位差，于是在接觸網的周圍便產生了電磁場[7]。周圍電氣設備在此電磁場中遭受不同程度的電磁干擾。磁場強度與到接觸線的距離成反比，距離越遠磁場強度越小。列車清洗機端刷升降下限位接近開關距離接觸線較遠，此處磁場強度較小；端刷升降上限位接近開關距離接觸線較近，此處磁場強度較大。

2.2 伺服驅動器輸出電壓干擾源分析

列車清洗機端刷的升降和行走動作都是依靠伺服系統來進行定位控制的。伺服驅動器和伺服電機是伺服系統的重要組成部分。伺服驅動器安裝在輔庫電氣柜內，而伺服電機同接近開關一樣，直接安裝在端刷龍門架內。伺服驅動器的通信接口連接PLC的輸出端，通過接收PLC發出脈沖的頻率和數量來控制伺服電機運行的距離和速度。伺服驅動器并非直接將來自PLC的脈沖信號方波簡單放大，而是通過脈沖寬度調制的方式模擬輸出正弦波。伺服電機中的轉子受電壓信號控制得以實現正反轉。當端刷接近開關觸發時，伺服驅動器輸出信號電壓變為零，伺服電機停止旋轉，端刷到位停止。在日常端洗作業中，伺服驅動器需要不斷調整輸出電壓以完成端刷的各項動作，保證前后端洗能夠正常進行。因此在伺服電機頻繁啟停與正反轉的過程中，伺服驅動器的輸出電壓也在不斷變化，導致在伺服電機周圍的導體中容易產生感應電動勢。此感應電動勢對端刷接近開關造成了一定的電磁干擾。

2.3 地鐵迷流干擾源分析

地鐵迷流是列車運行時泄露到道床與周圍大地土壤介質中的雜散電流，產生于列車接觸網直流牽引供電回路的回流。5號線列車就采用直流電力牽引方式，將受電弓作為正極連接接觸網，輪下走行軌道作為負極回流導線。由于走行軌存在較大電阻，導致牽引電流在回流時容易產生壓降，同時走行軌與大地間也存在著電位差，為地鐵迷流的產生創造了必要條件。不過在正常軌道段落，走行軌與道床之間的絕緣程度其實非常高，能夠有效減少流入土壤介質中的迷流。然而，每次洗車作業結束后，主庫內都非常潮濕，軌道附近也會殘留積水，不可避免地會造成走行軌與道床之間的絕緣性能逐漸降低，洗車作業時流入土壤介質中的迷流也逐漸增多。雜亂無序的迷流從道床向四周擴散，其中一部分流入了地下埋設的金屬管道和沿軌道鋪設的金屬結構中。迷流在金屬導體周圍形成紊亂復雜且不停變化的電磁場，嚴重干擾端刷接近開關對金屬物體的識別。迷流甚至會流進電氣設備的接地端，引起局部接地電位過高，從而影響電氣設備正常工作。此外，地鐵迷流還會對金屬管線、金屬構件和道床內的結構鋼筋等導體造成電化學腐蝕，嚴重損害設備的使用壽命，存在一定程度的安全隱患。

3 抑制電磁干擾措施

3.1 增加中間繼電器

為了減少各因素對接近開關輸出信號的干擾，采取在控制回路中增加中間繼電器的措施，將中間繼電器的常開觸點兩端分別連接電源線和PLC輸入端，將中間繼電器的線圈兩端分別連接電源線和接近開關輸出信號線(見圖1)。當端刷擺出至接近開關觸發時，接近開關的輸出信號使中間繼電器的線圈得電，常開觸點吸合，于是PLC輸入端得電，輸

圖1 增加中間繼電器后的接近開關控制電路

出脈沖信號通過伺服驅動器控制伺服電機到位停止。如此原本一個控制回路被中間繼電器分隔為兩個控制回路，使電磁干擾僅存在于線圈側回路中，而不會對觸點側的PLC輸入信號產生影響，在不改變接近開關功能的情況下可有效阻隔電磁干擾。同時，中間繼電器的線圈是有電阻的，用接近開關輸出信號線連接中間繼電器線圈相當于串聯一個小型電阻，同樣可以減小接近開關受到電磁干擾的影響。

3.2 增加隔離變壓器和電源濾波器

在電氣柜控制電路中增加隔離變壓器和電源濾波器。將隔離變壓器和電源濾波器連接在控制回路電源與斷路器KM118的常開觸點之間，如圖2所示。

圖2 增加隔離變壓器和電源濾波器后的電氣柜控制電路圖Fig.2 Circuit diagram of the electrical cabinet after adding an isolation transformer and a mains filter

隔離變壓器的輸入線圈繞組與輸出線圈繞組在電氣上彼此完全隔離，僅通過電磁感應原理實現在輸出線圈繞組兩端產生電壓，其電壓變比為1∶1，不會改變后級電路的電壓大小。隔離變壓器線圈繞組中的鐵芯具有高頻損耗大的特點，對輸入端起到了良好的過濾作用，即抑制高頻諧波從主電源傳入控制回路，降低電源電網對控制回路的干擾。與此相對應，控制回路中用電設備產生的干擾也不會傳入主電源電路。

電源濾波器通過對其輸入、輸出端的阻抗和電源及負載的阻抗進行適配，濾除電源線中某些不需要的特定頻率的諧波。將隔離變壓器和電源濾波器組合使用，前者隔離掉電源線中的高頻諧波，后者再對其他頻率的諧波進行濾除，如此可大幅衰減控制回路中來自主電源的電磁干擾，從而使接近開關得到穩定的正弦波電源信號。

4 結語

接近開關雖然只是列車清洗機中一個極小的組成部分，但是卻直接影響著整個列車清洗機能否正常運行。前后端洗是洗車作業中最重要的兩項工序，如果端刷接近開關出現故障失效，不僅洗車作業必須被迫終止，甚至可能會導致端刷失控，對電客車造成傷害。蘇州軌道交通5號線列車清洗機在采取了增加中間繼電器、增加隔離變壓器和電源濾波器等措施后，端刷接近開關干擾問題得到了有效地解決，未再出現端刷上升超出上限位的故障，其他動作機構的接近開關也維持在正常工作狀態，無任何異常。

由此可見，只有采取有效的抑制干擾措施，切實防范高壓電網、伺服驅動器的輸出電壓和地鐵迷流等電磁干擾，才能讓接近開關穩定正常地工作，保證洗車作業安全、有序和高效地進行。