工頻諧波對機(jī)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(tuán)有限公司 北京 100043)

1 引言

我國交-直-交電力機(jī)車采用多重化單相PWM整流器，大大降低了電力機(jī)車發(fā)出的諧波電流總含量，但增加了整流器開關(guān)頻率及倍頻的高次諧波成分[1-3]。通過運(yùn)用雙邊傅里葉級數(shù)(DFS)對交流機(jī)車的PWM整流器交流側(cè)電壓進(jìn)行展開，詳細(xì)推導(dǎo)網(wǎng)側(cè)諧波電流解析式，探究得出諧波特性[4-6]。從牽引網(wǎng)自身抑制諧波諧振的角度，找出了通過改變牽引網(wǎng)供電臂長度來改變牽引網(wǎng)自身諧振點(diǎn)的方法[7]。采用車網(wǎng)系統(tǒng)阻抗頻域模型的方式，研究了車網(wǎng)電氣耦合系統(tǒng)的阻抗頻率特性，從穩(wěn)定性角度分析了牽引網(wǎng)參數(shù)及機(jī)車控制參數(shù)對高次諧波諧振的影響[8]。針對電力機(jī)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(jìn)行比較，根據(jù)不同濾波器的特點(diǎn)研制了車載混合濾波裝置[9]。上述研究針對工頻諧波產(chǎn)生的原理和諧波特性，針對諧波抑制采取了相應(yīng)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(jìn)行測試分析，系統(tǒng)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(wǎng)施工管理，基于BIM管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)預(yù)配數(shù)據(jù)的集成，實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)“一桿一檔”資料管理和運(yùn)營維護(hù)管理，從施工和維護(hù)方面改善了牽引網(wǎng)的諧波產(chǎn)生[11-12]。隨著鐵路的不斷發(fā)展，50 Hz交流信號對軌道電路信號的干擾導(dǎo)致機(jī)車信號錯誤顯示的問題越發(fā)復(fù)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(chǎn)生的原因和尋找解決方案亟待進(jìn)行。

2 故障現(xiàn)象描述

某高鐵站連續(xù)發(fā)生多次列控車載ATP設(shè)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(jìn)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(jìn)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(jī)載設(shè)備收碼測試與分析

為進(jìn)一步查找問題原因，對列車＋地面進(jìn)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(yùn)行。監(jiān)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(fā)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(tǒng)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(shù)據(jù)，并與無碼時刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，選擇三個持續(xù)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(shù)據(jù)匯總見表2。

表2 測試數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析可知軌道電路低頻信號遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàn)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(huán)流被機(jī)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(chǎn)生的工頻諧波相關(guān)聯(lián)。為了查找并確定產(chǎn)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(jìn)行測試。在站臺設(shè)置鐵路干擾監(jiān)測儀，采集站臺下不同類型電纜的波形；同樣在動車內(nèi)部設(shè)置監(jiān)測儀，采集TCR天線的感應(yīng)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(yīng)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(guān)控制線和斷電狀態(tài)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(guān)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(yīng)到干擾信號，見表3，可排除開關(guān)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(jiān)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(jié)合現(xiàn)有條件聯(lián)合電力部門對電力電纜進(jìn)行局部外移處理，對不具備移設(shè)條件的，需對電力電纜實(shí)施電纜磁屏蔽或移除處理。

(2)優(yōu)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?qū)ゎl諧波干擾信號進(jìn)行邏輯處理，減小干擾信號對機(jī)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(jié)

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