CRH2列控车载测速测距设备EMC实验及防护方法

2010-05-08杨剑

铁路通信信号工程技术 2010年5期

杨剑

（北京全路通信信号研究设计院，北京 100073）

1 概述

众所周知，高速动车组在运行过程中，会在车体内部及列车周围空间产生较强的电磁干扰，安装于列车上的各种电子设备会处于一个相对复杂的电磁环境中。在列车运行过程中，装备于CRH2-300T型动车组上的车载ATP测速测距设备，曾发生一些电磁兼容（EMC）问题，如偶发的速度传感器损坏，以及在列车经过供电分相区时，偶发的ATP系统测速测距功能故障。经过对车载测速测距设备所处的电磁兼容环境进行反复实验研究，并采取了针对性的防护和改进，逐步解决了上述存在问题。本文拟结合该实验研究的过程和成果，对CRH2型动车组车载测速测距设备EMC问题的相关研究进行介绍和总结。

2 CRH2-300T型动车组电气接地系统特点

电磁兼容分析通常将理论与实验分析紧密结合，为找到并了解引起上述EMC问题的根源，需首先对动车组本身的电气接地系统进行详细了解。

CRH2-300T型动车组为8节车编组，动力编制方式为6动2拖。图1是CRH2-300T动车组动力编制方式示意图。车载ATP安装于两端的拖车上。动车组第4和第6节车厢上安装有受电弓，相对应的在受电弓所在的车厢下，安装有主变压器，用以将接触网上的高压交流电转换为列车驱动使用的低压交流电和车载电器设备使用的直流电。

不同于欧系动车组（CRH1、CRH3）的设备浮地方式，CRH2型动车组采用了日系新干线动车组的电气接地系统特点，车体地与信号设备地等势，即信号电气设备地线直接连接在动车组车体之上，所有低压电气设备的地线均回流经过车体。此种设计方式对电气设备带来了更多的干扰问题。

图2是CRH2-300T动车组接地系统示意图。受电弓通过接触网取得27.5 kV 50 Hz交流电，经过主断路器后，进入主变压器初级线圈。主变压器初级线圈负极通过接地碳刷（电阻很小）连接到列车驱动轴上，经过轮对及钢轨与大地形成回流。因轮对及转向架直接与金属接触，此电势被称为转向架地。变压器副端产生低压交流电用于驱动牵引电机，并经过变压整流产生100 V直流电源，为列车上的控制设备供电。100 V直流电源的负极直接连接在列车车体上，车载ATP设备的地线也直接连接到车体上，通过车体形成回流。列车车厢之间通过接地电缆连接。在动车车厢下，列车车体通过小阻值的接地电阻与列车轮轴接地。因接地电阻的存在，动车车体与转向架在电气上并不等势，而拖车车体与拖车转向架两者之间则相对绝缘，经接地电缆、接地电阻和钢轨回路间接相连。由于轮对与钢轨接触电阻的不确定性，以及不同轨面接地条件的复杂性，该轮对-轨面-轮对回路可等效为骚扰信号源。经分析整理简化后，动车组接地等效电路如图3所示。

图3中，VCB为主断路器，C1是牵引电流回路与车体间的寄生电容，L1为主变压器原端等效电感，L2为车体与牵引电流回路的寄生电感，R1为动车车体与转向架间的接地电阻，R2为动车与拖车车体地间的接地电阻，TCB GND为动车车体地，NTCB GND为拖车车体地，NTB GND为拖车转向架地，TB GND为动车转向架地，Tachometer为车载计轴速度传感器。

基于CRH2型动车组特殊的电气接地方式，当VCB的连接状态发生变化瞬间，在L1的强感性作用下，在牵引回路上产生瞬间的高电压和浪涌电流，在L2上会感生瞬时的高幅值骚扰，形成动车车地体上的骚扰信号源；受电弓离开和靠近接触网时，在空气间隙内也会发生瞬时的高压击穿放电现象，在C1和L2上会感应产生瞬时的高幅值电压骚扰，形成车地体上的骚扰信号源。动车车体与转向架之间由于接地电阻的存在，产生的扰动电压会被限制在一定范围内；而拖车车体与转向架间因相对绝缘，在极端情况下，会产生峰值为上千伏的电压扰动。此扰动对跨接安装于拖车车体与转向架间的车载测速测距设备产生较大的电气冲击，对正常信号传输产生很大骚扰。

3 车载计轴测速传感器的安装方式分析

齿轮霍尔转速传感器，利用霍尔效应原理，将因钢制齿盘转动产生的感应磁力线变化，转化为与轮齿对应的脉冲电信号，具有非接触测量、工作稳定性好、寿命长的优点。若将霍尔速度传感器安装于动车组轴旁，与轴端测速齿盘配合使用，通过测量动车组轮对的转速，即可实现动车组速度、移动距离和运行方向的实时测量。

如图2所示，车载ATP设备安装于动车组两端的拖车上，测速传感器则安装于该车辆第二轮对和第三轮对所在的转向架上，两者之间通过多芯屏蔽电缆相连接。

图4是车载计轴速度传感器电气连接示意图。从图4中看出，速度传感器外壳使用金属安装板固定于转向架上，传感器探头则与测速齿盘之间需保持一定的空气间隙。传感器外壳与内部电路采用绝缘设计，绝缘强度一般在500～1 500 V之间，符合EN 50121-2-3：2000规范标准。速度传感器使用多芯屏蔽电缆，穿过列车车体机舱，至ATP机柜内部，与SDU模块相连接。SDU模块内部传感器接口电路采用光电隔离设计，绝缘强度在2 000 V以上。电缆屏蔽层一端与SDU模块外壳相接，经过机柜接地线与车体共地，另一端则通过接插件与速度传感器尾缆的屏蔽层相连。

这样的电气连接方式，使拖车车体与转向架之间在瞬时产生的几千伏峰值浪涌脉冲群，直接加载于车载ATP测速测距设备上。由此可能产生的电磁兼容问题：在高电压大电流冲击下，计轴速度传感器损坏，瞬时电流冲击所产生的测速测距信号骚扰，这恰恰对应了现场实验所发现的问题。

4 电磁兼容定量测量及分析

为验证上述分析结果，需进行一系列的定量测量。结合现场实际条件，对信号骚扰强度所选定的测量方法为：在车厢内ATP机柜旁，使用带记录功能的高性能多通道示波器，在骚扰产生时刻，对速度传感器信号电缆的内部信号线及屏蔽层的骚扰信号进行定量测量和记录。

测试仪表使用Tektronix的DPO7354四通道数字荧光示波器，仪表的有效测试带宽为3.5 GHz，最高采样率为40 GS/s，记录深度为400 MB。

示波器四通道的布置如表1所示。

表1 示波器四通道布置表

CH1为触发通道，触发条件设置为小于50 us的Glitch（毛刺）触发、触发电平为1/2电源电压（9 V）。

测量时间点取为动车组与接触网接触关系发生变化时，包括动车组升降弓瞬间、开关主断路器瞬间，以及列车经过分相区时的受电弓离网和入网瞬间。

测试结果分析表明，列车降弓瞬间，骚扰信号幅值明显大于其他几种情况，骚扰信号呈浪涌脉冲特征，骚扰信号群产生频率为100 Hz，且幅值逐渐放大，表现为明显的离网放电特征，持续时间约几十毫秒。动车组进入分相区时，骚扰信号同样表现为离网放电特征，但幅值稍小，持续时间较短。升受电弓和动车组离开分相区瞬间，骚扰信号则表现为一系列典型的电浪涌脉冲群特性。该测量结果可定性说明，信号骚扰是由于列车受电弓与接触网连接关系变化引起的。

进一步，需要对列车升降弓时拖车车体与转向架之间产生的瞬时骚扰电压进行定量测量。测量结果显示在列车升降弓瞬时，骚扰电压峰值可超过2 kV，超出了霍尔速度传感器的单独耐压能力。

在分析速度传感器损坏原因时发现，如图4所示，某型号霍尔速度传感器在其内部将尾缆屏蔽层与传感器金属外壳使用一个小封装的4.7 pF电容相连，该电容标称耐压能力为2 000 Vrms。这种交流双端接地的设计方式在速度传感器电缆两端共地的欧系车型上可以有效减低电磁辐射对内部信号的干扰，但应用于CRH2型车上，则会将车体与转向架间瞬时几千伏高压加载到该电容上。估算得到，对于1MHz骚扰信号，其等效容抗约为：

对于2 kV峰值的骚扰电压，产生的峰值电流约为

瞬时峰值功率约为120 W，远超出了其封装所能承受的额定功率。当高频高压的浪涌骚扰信号加载到该电容上时，很容易引起该电容损坏，实际拆解损坏的传感器时，均发现该电容存在过热烧蚀的现象。该电容损坏后，则将高压直接加载到速度传感器内部霍尔器件两端，引起速度传感器损坏。

同时，因双端接地在车体与转向架间形成的交流通路，在电压扰动瞬间有较大的电流通过，进而通过电缆芯线与屏蔽层之间的分布电容耦合到芯线内，对电缆内传输的速度脉冲信号形成较大幅值的瞬间扰动。

进一步对比实验也证明了这一结论：将速度传感器的金属安装板替换为非金属绝缘板，断开交流接地通路，测得的平均信号骚扰幅值明显减小，骚扰信号持续时间也大大缩短。

5 车载计轴速度传感器电磁兼容防护方法探讨

利用上述测量和分析的结论，对装备于CRH2-300T型车上的车载测速测距设备进行电磁兼容改装和防护。

对一般电磁兼容问题，可采用“疏”和“堵”的解决方法。“疏”即为骚扰和浪涌信号提供泄放通道，保护有效信号和设备；“堵”则是增加设备和有效信号本身的耐压和抗干扰能力。由于电磁兼容问题的解决具有系统性和复杂性的特点，为避免改变动车组的电气接地结构而引发其他电磁兼容问题，需尽可能避免为骚扰信号提供泄放通道，在解决测速测距电磁兼容问题时，宜尽量加强设备本身对共模扰动的抑制能力。

基于对测速测距电气系统的整体了解，并结合具体的问题现象分析，目前采用的EMC改进措施：包括更换具有更高耐压能力的速度传感器以及安装绝缘安装板和耐压隔离盒等辅助耐压隔离装置。这些措施在初步实验和实际运营中取得了明显的效果，解决了传感器损坏问题。此外，为解决速度信号骚扰问题，采取一系列综合措施：在信号通道中切除骚扰信号耦合途径，在差分信号线间为高压骚扰信号布置泄放通道，以及采集信号后提高信号处理设备的软硬件滤波能力等。经反复实验和实际运营证明，以上措施配合使用，大大减低了骚扰对有效速度信号的影响。