弓网离线电弧对CRH380BL型动车组速度传感器的电磁干扰机理及抑制

朱　峰, 唐毓涛, 高晨轩

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都　610031)

复杂的电磁环境使得要保证高速动车组正常、安全的运营变得更加困难[1]。 CRH380BL型动车组因为其速度传感器受到弓网离线电弧的电磁干扰，在运营过程中发生故障，具体表现为：当动车组到站后降下受电弓时，车门有时会自动关闭，无法正常开启。这一故障给动车正常、安全运营造成严重影响。对于该故障，按照通常的解决方案是增加保护接地以降低车体阻抗，达到抑制降弓时离线电弧所产生的电磁干扰的目的[2]。这种增加保护接地的措施，是基于等效电路模型、将电磁干扰在传导途经中进行抑制的方法。由于增加的保护接地与原有的保护接地会形成车体与钢轨的多点连接，当列车行驶在铁路绝缘节处或当钢轨接缝连接不可靠、钢轨表面锈蚀时，钢轨阻抗变大，导致牵引电流通过车体回流，长期下来存在使轴承烧蚀的隐患。从物理层面上来讲，干扰的源头是离线电弧产生了电磁辐射，其电场分量会在传感器电缆的表面和芯线上产生感应电场。对此，可利用磁环对电磁辐射的吸收与屏蔽功能，将电磁干扰抑制在辐射途经中。

目前针对磁环抑制电磁干扰有许多研究[3-5]，但是绝大多数仅限于模拟试验和建立仿真计算模型。而将磁环运用到电气化铁路中，解决弓网离线电弧对动车组的电磁干扰问题，却很少有研究。

为了抑制弓网离线电弧的辐射干扰，本文在CRH380BL型动车组受电弓所在的2车和7车的速度传感器上分别嵌套磁环，并通过对比研究测试，磁环抑制电磁干扰的方法在电气化铁路实际工程运用中的有效性，以避免增加保护接地抑制电磁干扰存在的弊端。

1　速度传感器对门控信号控制系统的影响

CRH380BL型动车组装有2种型号的速度传感器，分别为LG型速度传感器和BCU型速度传感器，传感器的安装位置如图1所示。图中：大圆圈表示的均为LG型速度传感器、小圆圈表示的均为BCU型速度传感器。其中，LG型速度传感器的信号直接送入牵引控制单元(TCU)，BCU型速度传感器的信号分别送入每节车的制动控制单元(BCU)，TCU及BCU与整车的列车控制和管理系统(TCMS)相连。

图1　传感器安装位置示意图

CRH380BL型动车组门控信号控制系统工作原理如图2所示。

图2　CRH380BL型动车组门控信号控制系统工作原理图

由图2可见：能影响车门开关的只有两路信号，一路是TCMS信号，门的正常控制就是通过TCMS信号得到的开关门命令，同时TCMS也传递整车的速度信号。另一路就是硬线信号，这路信号是通过速度传感器控制继电器实现的，一旦速度传感器中检测到速度信号，即硬线速度信号，就会使相应的继电器加电，门控器(DCU)会把从TCMS得到的速度信号与硬线速度信号做比较，如果出现不一致，则处于开门状态的车门将自动关闭，且当任何一路速度信号大于5 km·h-1时都将启动车门关闭。因此，CRH380BL型动车组在降弓时车门自动关闭，肯定有一路速度信号大于5 km·h-1。实际上，在动车组停止运行时才会降弓，所以速度传感器在正常情况下应该没有信号输出。可见，降弓时速度传感器受到了较大电磁干扰，因此需要对其进行电磁干扰测试。

2　测试内容及结果

2.1　测试内容

为了对速度传感器受到的电磁干扰进行测试，采用了频谱分析仪和EMC综合测试仪电流检测探头，其中频谱分析仪主要用于射频和微波信号的频域分析；电流检测探头采用裂开式夹子设计，能够方便地测量导线和电缆上的电磁干扰。测试仪器及其技术指标见表1。

表1　测试仪器及其技术指标

现场测试受电弓所在2车和7车的速度传感器受到的电磁干扰，首先将电流检测探头分别卡在2车和7车2种速度传感器的外电缆上，然后分别测试其电场的背景值以及降弓时速度传感器受到的电磁干扰值，进行对比分析。

为了便于对比分析，将频谱分析仪现场测试所得电磁干扰的功率转化为端口输入电平，则

UdB=107+PdB

(1)

式中：UdB为频谱分析仪的端口输入电平，dBμV；PdB为频谱分析仪的端口功率，dBm。

2.2　测试结果

2车和7车的背景测试结果及LG和BCU型速度传感器受干扰后的测试结果分别如图3和图4所示。由图3和图4可见：降弓时，2车和7车上的速度传感器均会受到不同程度的电磁干扰，该电磁干扰主要集中在10 MHz以内，且弓网离线电弧的辐射能量具有随机性，具体表现为：频率在10 MHz以下时，其在速度传感器上随机造成的电磁干扰辐射能量较多；频率在10～30 MHz时，高频能量集中，电磁辐射表现为窄带尖峰，且辐射窄带尖峰出现的频率点也不固定。

3　电磁干扰的机理及抑制

通过现场多次近距离的测试研究，发现在弓网离线电弧发出的脉冲波中存在高频分量，该高频分量会引起速度传感器电缆上的电磁干扰。

图3　2车的速度传感器测试波形图

图4　7车的速度传感器测试波形图

速度传感器电缆为编织型同轴电缆，如图5(a)所示，其剖面图如图5(b)所示。

图5　编织型同轴电缆示意图

由图5可见：速度传感器电缆屏蔽层上的外导体是由金属丝编织而成，存在许多细小的孔洞，所以并非完全屏蔽,弓网离线电弧发出的脉冲波所形成的电磁干扰会在速度传感器电缆的编制层表面形成感应电场E，其中有一部分电磁干扰透过编织层的孔洞耦合到电缆内部，在芯线上形成感应电场E′。由于E>E′,因此会在编织层与芯线之间形成电位差U。电磁干扰形成的感应电场从根本上体现为电缆表面所感应的共模电流IC，且电磁干扰的大小可通过U的大小表示[6]，为

U=IcZtLm

(2)

式中：Zt为每米电缆的转移阻抗；Lm为电缆的有效长度。

电缆的转移阻抗Zt与电缆编织层的参数有关[7]，为

Zt=Zd+jω(Mh±Mb)

(3)

b=π(d0+2d+h)cosα-nd

式中：Zd为散射阻抗；j为虚数；ω为角频率；Mh为小孔电感；Mb为编织电感；d为每根编织线的直径；δ为集肤深度；n为编织束内的导线数；C为编织层的编束数；α为编织角度；h为相交叉编织带间距；f为频率；μ为导线材料的磁导率；σ为导线材料的电导率；μ0为真空中的磁导率；d0为绝缘层的直径；b为相邻编织带间距；p为编织节距。

CRH380BL型动车组速度传感器使用的电缆参数：d=0.12 mm，C=24个，n=6个，d0=5.54 mm，p=45 mm，电缆的导电材料为铜，所以σ=5.8×107S·m-1,μ=μ0=4π×10-7H·m-1。因α<π/4，则编织层上IC产生的电场与流过电缆的电流所产生的电场方向相反，所以Mb取负号。

经过现场测试：弓网离线电弧的电磁辐射在传感器电缆上产生的共模电流的最大值为95 mA，在2车上LG和BCU型速度传感器电缆裸露在外面(其余部分在金属壳内不会受到干扰)的有效长度分别为1和2 m；在7车上LG和BCU型速度传感器电缆裸露在外面的有效长度均为1 m左右。

由图3可以看出，2车速度传感器受到的电磁干扰主要集中在5～10 MHz范围内，当频率f为5～10 MHz时，由式(3)可以计算出2车速度传感器电缆的转移阻抗Zt为150～250 Ω·m-1。由于离线电弧的电磁干扰具有随机性，无法确定会在具体哪个频点上产生，所以取转移阻抗的平均值200 Ω·m-1进行计算，则由式(2)可以计算出2车上干扰导致不同型号速度传感器的电位差分别为ULG(2)≈19 mV，UBCU(2)≈38 mV。根据图3所示的测试结果，2车LG和BCU型速度传感器最大干扰分别为80和90 dBμV左右，换算成电压分别为10和32 mV，与理论分析计算结果基本一致。

同理，由图4可以看出，7车速度传感器受到的电磁干扰主要集中在5 MHz附近，由式(2)和式(3)可以计算出干扰导致不同型号速度传感器的电位差为ULG(7)≈UBCU(7)≈14 mV。根据图4所示的测试结果，7车的LG和BCU型速度传感器最大干扰均在80 dBμV左右，换算成电压值均为10 mV，与理论分析计算结果基本一致。

以上电压的计算都是针对单频点展开的，实际干扰电压由于功率能量谱的叠加会达到上千伏，具体计算方式和结果将在另文给出。正是因为瞬间高电压的干扰，导致了动车组门控系统的故障。

目前，针对电气化铁路弓网离线电弧电磁干扰的研究很多，Tellini和Macucci M等人利用模拟实验装置测试并研究了受电弓升降时瞬变电磁干扰的差异[8]，Klapas 通过高速列车的电弧功率采集分析了影响电弧放电的各种因素[9]。但是，关于解决弓网离线电弧对电气化铁路运营安全的影响问题却很少有人进行研究。镍锌铁氧体磁环的使用频率为102～105kHz，其材料的磁导率较低，电阻率很高，往往被用于1 MHz以上高频段电磁干扰的抑制[10]，因此，选择在CRH380BL型动车组的速度传感器电缆屏蔽层上嵌套镍锌铁氧体磁环的方式抑制弓网离线电弧产生的电磁干扰。

(4)

因为0

4　干扰抑制的测试结果

在动车组受电弓所在的2车与7车的速度传感器电缆屏蔽层上嵌套磁环后，分别对其进行降弓时的干扰测试，结果如图6和图7所示。

图6　2车速度传感器加磁环抑制干扰波形图

图7　7车速度传感器加磁环抑制干扰波形图

对比测试和理论分析结果可以看出：当磁环和电缆固定不变时，磁环降低电缆转移阻抗x的取值与电缆的有效长度以及抑制频率有关。CRH380BL型动车组2种速度传感器所使用的电缆相同，2车抑制的干扰频率在5～10 MHz范围内，LG型速度传感器电缆有效长度为1 m，xLG(2)=0.6，相当于磁环降低40%转移阻抗；BCU型速度传感器电缆的有效长度为2 m，xBCU(2)≈0.3，相当于磁环降低70%左右的转移阻抗。7车抑制的干扰频率在5 MHz附近，且LG和BCU型速度传感器电缆的有效长度均为1 m，xLG(7)=xBCU(7)=0.4，相当于磁环降低了60%的转移阻抗。

5　结　语

CRH380BL型动车组的速度传感器(LG型和BCU型)在降弓时确实会受到弓网离线电弧所造成的电磁辐射干扰，从而导致动车组车门非正常闭锁。离线电弧的电磁干扰频率主要集中在10 MHz以内，而当干扰频率在10～30 MHz时，高频能量集中，电磁干扰表现为非固定频点上的辐射窄带尖峰。在动车组速度传感器的电缆屏蔽层上嵌套磁环之后，对电磁干扰有良好的抑制作用：当干扰频率在10 MHz以下时，最高抑制达10dB；在10～30 MHz时，电磁干扰抑制效果明显，辐射窄带尖峰基本消失。

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