工頻諧波對機車信號干擾問題的分析與處置

邵嘉聲

(中國鐵建電氣化局集團有限公司 北京 100043)

1 引言

我國交-直-交電力機車采用多重化單相PWM整流器，大大降低了電力機車發出的諧波電流總含量，但增加了整流器開關頻率及倍頻的高次諧波成分[1-3]。通過運用雙邊傅里葉級數(DFS)對交流機車的PWM整流器交流側電壓進行展開，詳細推導網側諧波電流解析式，探究得出諧波特性[4-6]。從牽引網自身抑制諧波諧振的角度，找出了通過改變牽引網供電臂長度來改變牽引網自身諧振點的方法[7]。采用車網系統阻抗頻域模型的方式，研究了車網電氣耦合系統的阻抗頻率特性，從穩定性角度分析了牽引網參數及機車控制參數對高次諧波諧振的影響[8]。針對電力機車車載諧波治理裝置的車載無源濾波器和有源濾波裝置性能進行比較，根據不同濾波器的特點研制了車載混合濾波裝置[9]。上述研究針對工頻諧波產生的原理和諧波特性，針對諧波抑制采取了相應的措施。通過剖析軌道電路工頻干擾問題，從干擾源、干擾途徑、干擾形成原因進行測試分析，系統闡述了牽引工頻電流諧波對軌道電路的影響[10]。針對接觸網施工管理，基于BIM管理系統實現預配數據的集成，實現了接觸網“一桿一檔”資料管理和運營維護管理，從施工和維護方面改善了牽引網的諧波產生[11-12]。隨著鐵路的不斷發展，50 Hz交流信號對軌道電路信號的干擾導致機車信號錯誤顯示的問題越發復雜，給行車安全造成了極大的隱患。因此，分析工頻諧波干擾產生的原因和尋找解決方案亟待進行。

2 故障現象描述

某高鐵站連續發生多次列控車載ATP設備接收到干擾信號并解出低頻信息的問題。為查找干擾信號來源，對地面以及列車進行排查測試。

3 故障測試與分析

3.1 自身干擾源排查

對地面軌道電路進行排查測試。在無車條件下軌面未測試到干擾信號，排除了軌道電路的自身干擾。

3.2 機載設備收碼測試與分析

為進一步查找問題原因，對列車＋地面進行測試。本軌道列車保持靜止不動，站場其他股道列車正常運行。監測對象包括車頭TCR接收器電壓、站臺電力電纜中牽引電流和軌旁發送端扼流變壓器鋼軌引接線中牽引電流，測試位置見圖1。

圖1 測試位置示意

在測試過程中，列車共收碼24次，其中包含L2碼9次、LU碼5次、L碼4次、L3碼2次、U碼2次、LU2碼1次、U2碼1次，具體收碼情況見表1。

表1 收碼類型和時間統計

通過分析以上24次收碼時刻的車載TCR接收電壓、站臺牽引電纜電流、軌面電壓等數據，并與無碼時刻的數據進行對比，選擇三個持續時間最長的收碼時刻為例，其TCR接收電壓頻譜分布如下所示:

(1)列車未收碼時的車載TCR頻譜分析圖見圖2，此時無明顯軌道電路信號。

圖2 無碼車載TCR接收電壓頻譜分析

(2)列車收碼類型為L碼時，車載TCR頻譜分析見圖3、圖4，此時低頻分量分別為4 mV(見圖3)和7 mV(見圖4)，分別是1 750 Hz諧波107 mV的3.7%(見圖3)和6.4%(見圖4)。

圖3 接收L碼時車載TCR接收電壓頻譜分析(左起三個峰值分別是1 650、1 700、1 750 Hz)

圖4 接收L碼時車載TCR接收電壓頻譜分析(左起三個峰值分別是1 650、1 700、1 750 Hz)

(3)列車收碼類型為L2碼時，車載TCR頻譜分析圖見圖5，此時低頻分量僅5 mV，是1 750 Hz諧波107 mV的4.7%。

圖5 接收L2碼時TCR接收電壓頻譜分析(左起三個峰值分別是1 650、1 700、1 750 Hz)

站臺電纜電流、軌面電壓、TCR接收電壓的諧波分量數據匯總見表2。

表2 測試數據匯總

由表2可得，在收碼時刻，測試到站臺電力電纜存在工頻牽引諧波，站臺牽引電纜的電流、1 G軌面電壓及TCR接收電壓的工頻牽引諧波分量(1 650、1 700、1 750 Hz)會大幅升高。從以上頻譜數據分析可知軌道電路低頻信號遠遠低于工頻牽引諧波分量信號。

綜合以上測試分析，判斷故障原因是由于列車收到工頻諧波干擾信號時車載出現解碼。干擾來源于站臺下方的電力電纜，因工頻諧波耦合到鋼軌形成環流被機感線圈接收。

3.3 供電電纜測試

通過以上測試，判斷干擾信號與牽引供電電纜產生的工頻諧波相關聯。為了查找并確定產生諧波干擾的具體線纜類型，分別對只有正饋線工作、只有PW線工作和正饋線以及PW線均不工作三種情形進行測試。在站臺設置鐵路干擾監測儀，采集站臺下不同類型電纜的波形；同樣在動車內部設置監測儀，采集TCR天線的感應波形。

(1)只有PW線投入工作

只有PW線投入工作時，PW線中諧波電流較小，同時TCR天線未感應到諧波干擾信號，如表3所示，說明PW線不是造成工頻諧波干擾的主要線纜。

(2)只有正饋線投入工作

車載收到串碼干擾時，正饋線電流中存在較大的諧波含量，開關控制線和斷電狀態下的PW線的諧波含量很小，只有毫安級，如表3所示，說明正饋線是造成工頻諧波干擾的主要線纜。

表3 各線纜諧波含量

(3)正饋線和PW線均不投入工作

在測試過程中，正饋線與PW線均不工作，開關控制線諧波含量為零，列車全程未錯誤解碼。同時TCR也未感應到干擾信號，見表3，可排除開關控制線電纜對車載接收的影響。

綜上所述，造成工頻諧波干擾故障的具體線纜為正饋線電纜。雖此次測試PW線纜未監測到諧波分量，但由于PW線中有電流，在某些場景下仍有可能成為干擾源。

4 解決方法

(1)結合現有條件聯合電力部門對電力電纜進行局部外移處理，對不具備移設條件的，需對電力電纜實施電纜磁屏蔽或移除處理。

(2)優化車載解碼邏輯。降低對工頻諧波干擾信號的識別靈敏度或對工頻諧波干擾信號進行邏輯處理，減小干擾信號對機車的影響。

(3)提高對低頻信號的識別能力，對非低頻信號不予處理。

5 總結

通過對軌道電路自身干擾、站臺電力電纜及產生諧波干擾的具體線纜類型進行測試分析，找出正饋線是產生工頻干擾的主要原因，并提出相應的解決措施。ZPW-2000A軌道電路經常受到的工頻干擾多數是牽引電流流經其信號通道時產生的，然而ZPW-2000A區段工頻干擾具有復雜多變性，如相鄰線路干擾、相鄰區段干擾等，碰到具體問題時，還需進行深入的理論分析和調查研究，找準問題癥結，方可徹底整治。