分相區應答器傳輸系統電磁干擾分析及防護技術研究

李智宇

（1．北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；2．石家莊鐵道大學，石家莊 050043）

1 概述

我國動車組主要由牽引供電系統、通信信號系統和動車組組成，電氣化牽引、數字化基礎裝備、計算機化運算控制是高鐵的3 個特點。這也意味著它是一個復雜電磁系統，強弱電交叉、高低壓耦合、動靜態并存，車地間、線路間、輪軌間、弓網間相互作用復雜，電磁能量對動車組通信造成干擾，危害列車安全運行。其中弓網放電、牽引動力電源諧波等已成為重要的干擾源，對車地通信帶來嚴重影響[1-3]。

應答器傳輸系統（BTM）以安全點式信息傳輸方式實現地面設備向車載設備傳輸信息。在我國列車運行控制系統的CTCS-2、CTCS-3 級得到廣泛應用[4-8]。

隨著車輛運行速度提升以及發車密度增加，在分相區發生應答器信息丟失、全零應答器、幽靈應答器的故障也越來越多，大部分應答器信號丟失未影響動車組正常運行，其中部分應答器故障造成列車輸出緊急制動停車。對此相關單位開展了故障排查工作，排除應答器本身硬件故障原因外，發現主要原因是BTM 在分相區受到弓網放電產生的電磁干擾[9-16]。

動車組過分相時，弓網離線電磁干擾可通過輻射和傳導兩種路徑耦合到BTM 系統[17]，本文重點研究輻射電磁干擾對應答器傳輸系統的影響及防護技術。基于電磁場理論，開展分相區弓網放電理論分析與現場試驗研究，掌握干擾源電磁特性，通過仿真研究分析能量耦合通路，明確應答器傳輸系統電磁干擾成因，針對電磁干擾特點結合BTM 系統自身特點提出整改防護措施，并通過試驗驗證防護技術的有效性，為BTM 電磁防護提供技術支持。

2 分相區弓網放電研究

為保證人員和設備的安全在分相區列車真空斷路器（VCB）處于斷開狀態。主回路示意如圖1所示。

圖1 主回路示意Fig.1 Schematic diagram of main current loop

在分相區即使VCB 處于斷開狀態，當列車由有電區運行到無電區以及再到有電區時，受電弓與接觸網位置處發生高壓放電現象。這是因為受電弓、高壓電纜、車體、鋼軌、大地之間存在分布電容，根據高壓放電理論和基爾霍夫電流定理，當列車由有電區運行到無電區瞬間將發生高壓拉弧放電，當列車由無電區運行到有電區瞬間將發生高壓空氣擊穿放電，電流回路為接觸網-受電弓-高壓電纜-車體-輪轂-鋼軌-變電站及大地。

放電發生時，弓網之間的阻抗發生了突變，即|dZ/dt|較大，由i=U/Z可知|di/dt|較大，電流隨時間變化不為零時必然伴隨寬頻帶、高能量的電磁輻射產生。在某分相區垂直距離為10 m 位置處測試列車經過弓網放電產生的輻射發射如圖2 所示。

從圖2 測試結果可以看出，列車經過分相區發生了弓網放電，在BTM 通信頻帶3.9 ～4.5 MHz 存在較強的電磁干擾，BTM 通信中心頻率4.23 MHz 輻射強度為55 dBV/m。通帶內頻率3.9 MHz 處的輻射強度為82 dBV/m。當輻射能量通過空間傳播到車底的BTM 車載天線位置處時，將被天線接收，從而對應答器傳輸系統產生同頻帶內騷擾，該電磁能量很難抑制干擾源，也很難通過敏感設備BTM 濾波器進行濾波。

圖2 分相區弓網離線放電輻射發射BTM帶內頻譜Fig.2 BTM band spectrum during discharge radiation emission of pantograph-catenary disconnection in neutral section

3 分相區弓網放電電磁輻射發射與CAU能量耦合仿真

按照列車實際尺寸構建列車三維物理模型，如圖3 所示。其中接觸網與x軸平行，設接觸網長300 m，距地6 m。鋁合金車體長26 m，高3 m，寬3 m，鋁合金厚度d=5×10-3m，電導率σ=3.54×107S/m，車體內部為自由空間。接觸網選擇截面積為120mm2的銅錫合金導線(等效半徑6.18×10-3m)，電導率σ=4.17×107S/m，相對介電常數εr=0。

圖3 列車與接觸網三維模型Fig.3 3D model of train and catenary

激勵源處于接觸網中間位置，坐標為(0,0,6)，頻率進行參數化設置，重點關注BTM 通信中心頻率附近的最大輻射頻率3.9 MHz，激勵源幅值為實際弓網交流電壓27.5 kV。經過仿真得到空間電場分布情況如圖4 所示。

圖4 分相區弓網放電電場輻射分布仿真結果Fig.4 Simulation result of the distribution of electric field radiation of pantograph-catenary discharge in neutral section

在垂直列車距離10 m 位置處頻率3.9 MHz 輻射仿真結果為50 dBμV/m，通過與現場實測數據比對驗證了仿真結果的有效性。通過分析可以得到弓網接觸位置處場強最大，為67 dBμV/m，車廂內部場強最小，接近0，其中CAU 位置處的強場為51.7 dBμV/m。對CAU 進行建模，如圖5 所示。

圖5 CAU三維建模Fig.5 3D CAU model

經過仿真計算得到耦合到CAU 天線輸出端口的功率為-50 dBm。根據《應答器傳輸系統技術規范》（Q/CR 716-2019），BTM 在2.5 ～6 MHz 頻段內應承受峰值不超過-60 dBm 的環境噪聲，從而可以斷定分相區弓網放電產生的電磁輻射對BTM系統產生了干擾。

4 BTM電磁干擾防護及驗證

基于現場測試及仿真研究，可以看出分相區弓網放電通過空間輻射將干擾能量耦合到BTM 系統，產生同頻干擾。通過對干擾源電磁能量抑制和敏感設備濾波器很難達到好的效果，因此阻斷電磁能量耦合通道成為降低電磁干擾的首選方案，對此提出在CAU 上部增加天線定向約束屏蔽裝置。其結構示意如圖6 所示。

圖6 CAU天線定向約束屏蔽裝置結構示意Fig.6 The structure of directional shield of CAU antenna

裝置材料為鐵，長為847 mm，寬為741 mm，高為98 mm，厚度為3 mm，如圖7 所示。

圖7 裝置尺寸Fig.7 Size of the shield

在實驗室對CAU 天線定向約束屏蔽裝置電磁屏蔽效能進行測試，測試示意如圖8 所示。

圖8 裝置屏蔽效能測試示意Fig.8 Schematic diagram of the shielding effect testing of the protective device

將信號源與環天線連接，環天線放置在BTM天線不同位置，天線通過D 電纜與頻譜儀直連，測試加上天線罩前、后BTM 天線接收到的能量。

信號源以一定功率輸出頻率為3.9 MHz 的信號，分別在CAU 前、后和左、右4 個位置處施加干擾，通過頻譜儀測試天線罩的屏蔽效果，現場測試布置如圖9 所示。

圖9 防護裝置屏蔽效能測試布置Fig.9 The arrangement for testing the shielding effect of the protective device

屏蔽效能測試結果，如表1 所示。

表1數據顯示，在加上金屬罩之后，可以有效降低周圍空間給BTM 天線造成的帶內騷擾，其中在右側測試點金屬板屏蔽效能最大可達23 dB。

表1 防護裝置屏蔽效能測試數據Tab.1 Test data on the shielding eff ect of the protective device

對防護裝置在某列車進行了現場有效性驗證，如圖10 所示。

圖10 防護裝置電磁屏蔽效能現場驗證Fig.10 Testing of the shielding effect of the protective device in the field

增加防護裝置后，通過對BTM 系統的D 電纜差模信號進行測試，測試結果如圖11 所示。

圖11 防護裝置對D電纜差模干擾信號屏蔽效能測試結果Fig.11 Test result of the shielding effect of the device against differential-mode interference signals of Cable D

測試結果表明，動態運行中BTM 工作頻帶內的差模騷擾降低效果較為明顯，其中3 ～3.5 MHz處較初始狀態降低幅度高達20 dB 左右，報文質量由0.83 提高到0.91，說明CAU 天線定向約束屏蔽裝置在能夠有效提高CAU 天線抗干擾性能的同時，也不會影響BTM 的正常傳輸。

由于各車型車底布局的差異性，本文所提屏蔽裝置較易在地鐵、磁浮車輛上實現工程應用，擬在高鐵車輛上應用時仍需進一步優化結構。

5 結論

針對分相區弓網放電產生的電磁輻射對BTM系統產生帶內干擾，從而導致應答器信號丟失、全零、幽靈應答器等故障，本文開展了放電特性研究。通過仿真分析BTM 通信頻帶內電磁耦合規律，提出了一種屏蔽防護措施，通過實驗室和現場測試，可使干擾信號幅度降低20 dB，從而驗證了該方案的有效性和可行性。該方案能提高BTM 系統過分相時的抗干擾性，降低應答器故障率，具有較高的推廣應用價值。