动车组、电力机车、城轨列车传导干扰标准研究*

2019-01-29陈焕玉张世聪王延哲

铁道机车车辆 2018年6期

陈焕玉，余俊，王志，张世聪，王延哲

(1 北京纵横机电技术开发公司，北京 100081；2 中国铁路总公司机辆部，北京 100844；3 中国铁道科学研究院集团有限公司研究生部，北京100081；4 中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081)

动车组、电力机车、城轨列车上不仅安装牵引变压器、牵引变流器等高压设备，也有中央控制单元、牵引控制单元等低压设备。系统内，设计人员需考虑到电气设备能够正常运转；系统外，列车传导至钢轨的电流不应对轨道电路产生干扰。

由射频场感应的传导骚扰作为一种有害能量可在电源线、信号线上传播，干扰到电气设备的正常运转。如文献[1]中论述的，电缆间距、电缆离地高度、屏蔽层接地方式等因素都会影响到线缆的耦合，耦合原理极其复杂，在动车组这样的电气系统中体现得更加明显。GB/T 17626.6-2008《射频场感应的传导骚扰抗扰度》和IEC 61000-4-6：2013《Immunity to conducted disturbances, induced by radio-frequency fields》是关于电气和电子设备对来自射频发射机射频场感应的传导骚扰抗扰度的要求[2-3]，通过建立一个标准的测试体系，可准确地评估设备对于上述骚扰的抗干扰水平。

列车从接触网接收高压电后，通过接地回流的方式将电流输送至钢轨，若此电流的谐波含量不符合标准，就有可能对轨道电路产生干扰，导致轨道区间列车占用等情况产生误判，危及行车安全。GB/T 28807-2012《轨道交通机车车辆与列车检测系统的兼容性第2部分：与轨道电路的兼容性》规定了接地回流电流的测试方法及干扰限值。

1 干扰原理

如今电气产品几乎全部暴露于外界环境的射频场中，如AM基站、FM基站这类远场，或手机、对讲机这类近场，其辐射的电磁场能量耦合到设备中就会产生干扰。

式(1)为距发射源d处的电磁场功率密度P的计算公式[4]，式中：P为电磁场功率密度;E为电场强度;H为磁场强度;W为发射功率;x为天线增益系数;S为距发射源d处自由空间球体的表面积。

(1)

由式(1)可知，当射频场的功率足够大，对自由空间一定范围内的设备均存在电磁场能量的辐射。为此，GB/T 17626.6-2008与IEC 61000-4-6：2013中用射频发射机模拟外界射频场，输入到系统中的频率范围为0.15～80 MHz，根据波长计算公式可知，列车所用线缆的长度可达电磁波的数个波长，设备电缆在此起到了天线的作用，故被测设备通过电源线、信号线等线缆与射频场耦合。耦合进入列车的电磁波将对内部设备产生干扰。

众所周知，传导干扰主要的耦合方式为直接耦合、寄生电容耦合、分布电感耦合。根据回路的不同，可将传导干扰分为共模干扰和差模干扰，在变流器中，共模干扰由三相电源线和寄生电容形成回路，差模干扰在两相间形成回路。传导干扰产生后，会反作用于列车的高压系统。

以各种方式耦合到牵引变流器或其自身产生的传导干扰是影响接地回流谐波含量的重大因素之一，即标准中提到的“热通道”会影响到“冷通道”的电流质量。故文中研究的标准对电力列车传导干扰测试十分必要。

2 传导骚扰抗扰度

2.1 试验配置

此项试验的设备包括射频信号发生器、功率放大器、低通及高通滤波器、固定衰减器、耦合和去耦装置。

根据选用耦合方式的不同，试验配置也有所不同。

标准第六章对耦合和去耦装置进行如下划分：

表1 耦合和去耦装置划分

耦合和去耦合装置用于将干扰信号耦合到被测设备(EUT)中，包括CDNs、钳注入装置、直接注入装置。去耦合网络对辅助设备起到去耦合作用，防止辅助设备的阻抗影响到EUT，以及避免受到干扰信号的影响。笔者对常用的CDNs及钳注入装置的配置进行详细介绍。

2.1.1CDNs

标准的附录D提供了CDN的资料，包括数种CDN拓扑结构的简要电路图，适用位置各不相同，分别为用于屏蔽电缆的CDN-S1、用于非屏蔽电源线的CDN-M1/M2/M3、用于非屏蔽不平衡线的CDN-AF2、用于非屏蔽平衡线对的CDN-T2/T4/T8。

设备的输入和输出端口的共模阻抗均要求为150 Ω。输入端口的150 Ω共模阻抗由内阻为50 Ω的信号源和等效阻抗为100 Ω的CDN构成(如图1所示)，输出端口连接的去耦网络需端接50 Ω负载阻抗。

图1 共模阻抗结构

标准对0.15～80 MHz内共模耦合阻抗Zce的规定如表2所示，仅规定其模值，且未要求9～150 kHz频段范围内Zce的大小。

表2 共模耦合阻抗模值

使用CDN进行测试的配置如图2示，其中，CDN共有信号源、受试设备和辅助设备3个端口。

图2 使用CDN的测试配置

T2为6 dB功率衰减器，其阻抗为50 Ω，可以稳定信号源中的宽带功率放大器等造成的阻抗失衡现象，保证共模阻抗的要求。

通信设备等辅助设备与被测设备间应连接去耦网络。

被测设备的其他接地端子也应通过附加的CDN与参考地相连，以保证测试结果的准确性。

2.1.2钳注入装置

动车组、电力机车、城轨列车这类电力列车系统的功率高，电源电缆的结构复杂，无疑更适合选择钳注入装置进行测试。

图3为使用注入钳的测试配置。

图3 使用注入钳的测试配置

电流钳或电磁钳仅实现了耦合功能，需端接CDN来实现去耦合，图3中的辅助设备2便属于去耦合装置的一部分。

射频信号源通过功率衰减器T2，将射频信号传递给钳注入装置，被测设备的接地端子连接至去耦合装置CDN后，再与参考地相连。

2.2 列车测点建议

GB/T 24338.4-2009《轨道交通电磁兼容第3-2部分：机车车辆设备》是关于机车车辆中电气电子设备电磁兼容性的发射与抗扰度的标准[5]，将射频场感应的传导骚扰试验的测点分为两类：蓄电池参考端口(除能源输出端外)、交流辅助电源输入端口(额定电压有效值不大于400 V)和信号、通信、过程测量、控制端口。可根据动车组、电力机车和城轨列车的特点，选择关键位置进行测试。

列车的控制是由网络系统完成的，以动车组为例，其通信采用两级总线，列车级总线为WTB总线，车辆级总线为MVB总线，所以应在每两节车厢跨接的控制及通信电缆处进行测试，以保证网络电缆的屏蔽线的有效性，测试时需观察各个子系统的运行状况，且观察HMI故障记录中是否有故障报出。

动态时应对车外的速度传感器的线缆进行测试，观察列车的速度控制是否正常，各轴的牵引力、电制动力发挥是否正常。

2.3 试验程序

将设备按照标准要求安装无误后，可按下述要求进行试验：

(1)不要求测试射频信号源产生的9～150 kHz范围内的抗扰度；

(2)射频信号频率范围为0.15～80 MHz，1 kHz正弦波调幅信号，调制度为80%；

(3)调频步长不得超过前一频率值的1%；

(4)每个频率下幅度调制载波的驻留时间不低于设备的响应时间，且至少大于0.5 s。

表3列出了输入到被测设备的电平水平。

表3 试验电平水平

参考GB/T 24338.4-2009的规定，CCU、TCU、BCU等控制系统选用3级，蓄电池、辅助电源输入端口也应使用3级。

2.4 结果评估

GB/T 17626系列的抗扰度标准，对被测设备均有一定的破坏性，若其性能良好，则不会受到任何不良影响，但如果性能较差，被测设备会出现黑屏、自动关机、无法正常启动等现象，标准对可能出现的现象有以下归类。

(A)由生产商、需求方或买方规定的限制中的正常性能；

(B)干扰终止后暂时的性能降级和功能丧失，不需人为干预可恢复正常性能；

(C)暂时的性能降级，需人为干预；

(D)无法恢复的性能降级或功能损失。

依照GB/T 24338.4-2009标准，2.2写到的测点均采用A类判据。

3 传导骚扰测量

3.1 共模干扰及差模干扰

敏感设备(EUT)的电源线、接地点形成的回流构成了共模干扰，系统正常情况下不存在接地回流，但由于IGBT等电力电子器件的存在，与机壳间产生了寄生电容，设备通过寄生电容与电源线形成了共模干扰通路。EUT通常包括四象限、逆变器和电机。

共模电流的形成与各寄生电容密切相关，IGBT等干扰源通过寄生电容与机壳连接，为共模电流的接地回流提供了通路。IGBT开通关断的瞬间，集射极存在较大的电压变化率dv/dt，会不断地对寄生电容充放电，牵引变流器连接变压器及牵引电机，由于输入端变压器接地且牵引电机机壳对地也存在寄生电容，因此形成了共模电流。综合考虑所有的共模电流的流通路线，将共模电流耦合途径绘于图4。