基于接地电阻装置的动车组辐射发射优化

刘 飞 ，毛瑞雷 ，张金宝 ，肖建军

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000；2. 北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044)

在铁科院环形铁道试验基地进行的辐射发射试验中，我国自主研发的某型动车组在个别频段的电磁场辐射发射水平偏高约15 dB左右.高速铁路(简称高铁)电磁环境直接影响高铁系统的电磁兼容性，对于高铁系统本身和周围的敏感设备都至关重要.动车组电磁辐射发射水平是影响高铁电磁环境的重要因素之一，国际电工委员会、欧洲标准化委员会、中国国家标准化管理委员会等世界主要标准化机构相继制定和发布了用于规范列车整车对外界电磁发射限值的技术标准.其中，欧洲标准EN 50121-3-1:2017详细阐述说明了轨道系统对外界的发射情况，规定了列车整车对外界电磁发射的限值[1]；国际电工委员会标准IEC 62236-2采纳EN 50121-3-1:2006标准；中国标准GB/T 24338.3—2018在参考欧洲标准EN 50121-3-1:2017的基础上，根据我国国情进行了合理的修订[2].

动车组牵引电流的谐波骚扰是动车组最主要的电磁骚扰源之一.动车组通常以金属壳体作为地平面，系统内的电力电子设备均以不同的方式接地，不同接地点之间总会存在一定的地回路阻抗，当牵引回流中的谐波骚扰流过会产生地电压，从而产生电磁骚扰[3].谐波骚扰电流耦合进入列控设备，影响甚至破坏铁路周边的电子设备，严重威胁动车组的可靠运行[4-5].动车组通常采用整车车体作为车载设备的“地”，车载设备通过各种接地方式连接到车体上，由于动车组运行工况的变化，牵引电流谐波骚扰在车体、设备和公共地之间会发生很大的变化并且伴有大量的谐波发射[6].动车组牵引变流器的4个象限变流器单元和逆变器单元处于工作状态时，产生丰富的谐波电流骚扰，谐波电流沿着牵引回路流动，产生明显的电磁场辐射骚扰[7].动车组接地电阻的阻抗特性是影响车体过电压的重要因素[8].所以，接地电阻阻抗特性将对动车组辐射发射产生显著的影响.

综上，本文作者通过动车组电磁场仿真结果与试验数据的比对分析，得出导致动车组电磁场辐射水平偏高的主要因素为牵引骚扰电流回路产生的辐射电磁场.通过分析动车组动力电缆布线，提出基于接地电阻装置的动车组辐射发射优化方案.

1 某型动车组辐射发射试验

依据国家标准 GB/T 24338.3—2018规定的试验方法，对我国自主研发的某型动车组进行辐射发射试验，测量列车在9 kHz～1 GHz频段内、标准规定各类工况下的电磁辐射发射水平.

1.1 辐射发射测量系统

试验中使用的测量天线覆盖9 kHz～1 000 MHz频率范围，其中，30 MHz以下频段使用磁场天线测量，30 MHz以上使用电场天线测量.测量电磁场强时，记录电磁场强的准峰值.测量系统见图1.

1.2 现场试验环境

为了避免测量结果受到环境电磁噪声的影响，试验环境应尽可能在现有的轨道环境限制下满足“自由空间”的要求.如果不能满足该要求，应在每次试验前记录试验环境的背景电磁噪声.在规定的试验频段内，环境背景电磁场强应低于标准限值以下6 dB，即环境背景电磁场对受试列车的辐射发射测量结果无影响.如果存在部分频点或频段的环境背景电磁场强不满足上述要求，那么这些频点和频段的试验数据应予以删除[2].试验如图2所示.

1.3 动车组辐射发射试验概况

环形铁道试验基地现场试验结果表明，我国自主研发的动车组的电磁辐射发射水平，在个别频段明显偏高，典型的测量数据如图3所示，典型试验结果表明，标准动车组在个别频段的空间磁场发射水平偏高约15 dB，列车辐射发射偏高的频段主要集中在50～150 kHz以内的频段.

2 动车组辐射发射影响因素分析

为分析某型动车组辐射发射偏高的原因，分别针对全列车不同负载投入等工况进行现场试验，包括环境背景测试、全列负载投入工况并切断不同车的牵引变流器测试、启动试验、空调测试、充电机测试、逆变电源测试、切除全列牵引电机风机等8种工况下辐射发射测试.

2.1 动车组辐射发射试验数据分析

图4为不同工况的测试结果.可知，当切除1～2台牵引变流器(CI)时，动车组辐射发射几乎没有变化，切除3台牵引变流器(CI)，辐射发射出现下降，当切除全列牵引变流器，辐射发射迅速降到背景噪声水平.切除其他任何负载(空调、逆变电源、电机送风机、充电机)，辐射发射几乎没有变化；进行启动试验，辐射发射出现上升；换弓测试，辐射发射几乎没有变化.通过以上几种不同工况的对比测试，初步判断辐射发射偏高问题是由牵引骚扰电流回路所引起.多次试验结果表明，牵引骚扰电流回路与辐射发射水平偏高问题存在明显的因果关系.

2.2 动车组辐射发射影响因素分析

动车组牵引供电采用所采用的是25 kV、50 Hz交流供电，正常运行时，动车组采用单弓受流，另一个受电弓处于折叠的状态[9].当动车组通过受电弓从接触网上获得能量供给车载设备后，通过接地电阻再经由接地碳刷流入钢轨，并通过贯通线流入大地，将牵引回流送至牵引变电所.列车等效电路见图5.

车顶的高压贯通线缆、牵引系统、设备线缆都会与金属车体之间以及车体自身存在着分布参数，分布参数导致车体电路中存在大量感性、容性等效负载[10].所以，当列车等效电路出现不同电压源瞬态骚扰时，会导致电路中电压和电流不能迅速的恢复到稳定状态，产生丰富的谐波骚扰电流[11].这些骚扰电流沿着车体传播，进一步导致辐射发射测量结果水平偏高问题.需要注意的是，列车在运行时随着牵引功率的增加，骚扰电流强度相应增大.根据图5所示，牵引骚扰电流在车体上形成多个环路[12]：

1)环路1：变流器—车体—保护地线—轮对—钢轨—轮对—工作地线—变压器—变流器，或变流器—车体—保护地线—转向架—工作地线—变压器—变流器.

2)环路2：变流器输入端PWM波引起的谐波骚扰电流，使得接触网—变压器—钢轨形成电流环路.

3)环路3：由于工作地各接地点存在电位不等，使得两构架间存在电势差，从而形成骚扰电流环路：工作接地2—电机2—转向架—保护地1—车体—保护地2—转向架—电机3—工作接地3—钢轨—工作接地2.

列车供电系统频率为工频，辐射发射水平偏高的频率范围约为几十kHz.这意味着，辐射发射水平问题并不是由牵引和供电直接导致.而是由列车等效电路的瞬态骚扰直接导致.需要指出的是，骚扰电流是直接影响动车组辐射发射的主要因素之一，车体接地会显著影响动车组骚扰电流.因此通过切断地环路，优化接地电阻装置，减小骚扰电流，降低动车组辐射发射.

动车组的接地系统简图如图6所示[8].

由图6可见该接地系统的特点如下：①牵引变压器直接通过接地碳刷从相应轮对实现牵引电流回流(变压器初级回路与车体无连接)，仅有M车每轴都有接地装置；②车体通过0.5 Ω电阻接到接地碳刷；③安装轴端速度传感器的转向架轴箱盖与钢轨通过轴承油膜电阻连接；④每个牵引单元接地碳刷通过2 500号线短接，车体通过500号线短接；⑤每个车控制负线通过100号线在车体短接.

这就意味着，如果不采用接地电阻装置，可能会使得相邻M车轴间的车体阻抗小于这段距离之间的钢轨阻抗，导致在钢轨轨面上流动的牵引回流以及其他噪声电流，会被吸上车体而构成若干个重重相套的环流.这不但会带来轴承电蚀等机械问题，也会使得电气及控制系统的EMC设计无从控制.所以，采用一个适当阻值的接地电阻以提高M车轴之间的车体阻抗，可以控制这部分被引上车体的电流大小，同时能够实现车体的接地，使车体保持在一个接近地电位的安全电位上.

3 动车组辐射发射优化

由前文给出的测试结果可知，受试动车组辐射发射水平主要在低频段(150 kHz以下)偏高.依据电磁辐射发射原理，电流是影响低频段电磁辐射发射的主要因素.根据前文针对列车等效电路的仿真结果，可以得出，车体接地会显著影响车体骚扰电流的幅度、频率.因此，本文提出解决动车组电磁辐射发射问题的一个关键手段是改善受试动车组接地电阻器的阻抗特性.通过改善动车组接地电阻从而减小骚扰电流，进而改善动车组辐射发射水平.

3.1 动车组辐射发射仿真分析

骚扰源在车体上产生的车体过电压沿着车体与钢轨所构成的传输线结构进行传播[8-9]，由于动车组高压大电流牵引设备集中安装在三车，该车厢是骚扰电流主要集中的位置，所以将三车作为主要骚扰来进行动车组辐射发射仿真分析.

通过现场多次试验对比可知，在低频段即1.15 MHz以内的骚扰是难以消除的，故将分析以及仿真1.15 MHz以内的频率.对车体电流时域信号做傅里叶变换得到在该频段频谱图如图7所示.

由图7可知伴随着主断路器开关的动作，车体产生的车体电流出现明显的谐波骚扰电流，其中，谐波骚扰电流最强的频率约为70 kHz.因此仿真选择该频率分量作为骚扰输入源，对比有无接地电阻时，整车辐射发射的变化，可以得出接地电阻阻值对整车辐射发射的大小的影响.

为了清晰了解接地电阻对整车辐射发射的影响，根据车厢牵引线缆在车厢分布对其添加逆变器输出源，并添加牵引电机作为负载，建立辐射发射的电磁场数值仿真模型，分别对比安装与未安装接地电阻时对外辐射的大小，如图8所示.

分别仿真动车组三车车厢辐射发射偏高频段：9～59 kHz、从50～150 kHz、150 kHz～1.15 MHz,在10m 处辐射发射的大小，其仿真结果见图9.

通过以上仿真数据，可以分析得出接地电阻会对车体过电压以及辐射发射产生明显的影响.更换接地电阻位置、数量、数值时会对车体过电压产生明显的影响.基于以上仿真分析分别对比在安装和未安装接地电阻时牵引大电流对整车辐射发射的影响，通过仿真对比可知，当安装接地电阻后整车辐射发射值有了较大的改善，并且与未安装电阻时的对比有较大的不同，满足大部分频点小于未安装电阻时的辐射值.综上，当采用五处车厢增加接地电阻的接地方式能够准确有效的将车体过电压降到最小，并且能有效的降低牵引电流产生的辐射.

3.2 动车组辐射发射优化

动车组牵引系统对车载弱电系统的电磁干扰可以通过地环路传播并耦合进弱电系统，车体和钢轨地组成一个高频交流地环路：“钢轨-转向架-传感器外壳-电容-电缆屏蔽层-动车车体-电阻-转向架-钢轨”，会造成典型的交流地环路干扰.虽然各动车组的接地方式不同，但是各型动车组接地基本上是通过接地电阻来连接的，从而接地电阻的特性对动车组的接地特性会有相当大的影响.经以上分析可知通过在保护地间增加接地电阻，使得系统环路阻抗增大，从而减小环路电流，当发射路径一定的情况下，环路电流的变小使得对外辐射减小.

按照以上测试方法仿真得优化方法，通过改变接地电阻的阻值对整车辐射发射有较大的改善，在9～59 kHz频段时，在接入50 mΩ电阻后整体辐射发射的总体测量结果均小于未接入电阻时的辐射值.同样在50～150 kHz和150 kHz～1.15 MHz频段，对整车辐射发射的影响还是有很大的改善，尤其在50～150 kHz频段，接入电阻后的辐射值几乎全部小于未接入电阻时的辐射值.

4 动车组辐射发射特性优化后验证

根据第3节给出的仿真和理论分析，通过优化接地电阻的阻值，进一步优化辐射发射.优化后高速动车组整车辐射发射试验结果如图10所示.

对比图9(b)的仿真结果与图10的试验结果，可以得出结论，通过优化动车组接地电阻阻值，能够显著改善动车组电磁辐射水平.其中，图9(b)在50～150 kHz频段仿真结果表明，通过优化动车组接地电阻阻值，电磁辐射发射的平均改善程度约为10 dB.图10给出的该频段现场试验测量结果表明，动车组电磁辐射发射的平均改善程度约为10～15 dB.仿真结果和测试结果的数据曲线的趋势走向的一致性相同，仿真结果与实测数据呈现较好的一致性.仿真与试验测量结果表明，通过优化动车组接地电阻，能够有效的改善整车电磁辐射发射水平偏高的问题.仿真结果与实测数据存在差距的原因主要在于仿真参数和边界条件的差异.仿真使用理想地面、理想金属车体；然而，实际测量时，空间电磁场受到非理想地面反射、地表面波传播衰减以及车体的影响.

5 结论

1)通过研究动车组辐射发射特性，结合某型动车组辐射发射特性的试验数据，得出影响动车组整车辐射发射特性的因素.基于理论研究和分析的结论，对动车组辐射发射进行了优化.试验结果和测量数据表明，优化后的动车组辐射发射得到了较好的改善.

2)受试动车组辐射发射水平偏高问题并不是由牵引和供电直接导致，而是由列车整车等效电路的瞬态骚扰直接导致.通过在保护地间增加接地电阻，并优化电阻阻值，结果证明在现有基础上增加接地电阻个数并降低接地电阻的阻抗值对降低环路电流有很好的效果.当发射路径一定的情况下，环路电流的变小使得对外辐射减小.试验测量数据表明，优化接地电阻，能够有效改善整车辐射发射水平偏高问题，辐射骚扰测量值平均改善程度约为10～15 dB.