机车车辆噪声计电流标准及实车测试分析*

余 俊，苏发明，黄 金，陈焕玉，李 强

（1 动车组和机车牵引与控制国家重点实验室，北京100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京100094；3 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）

铁道机车车辆在线受流发生能量转换以多种方式对外部空间发出电磁骚扰［1］。电气化铁路系统的牵引谐波电流可通过电磁感应对模拟通信线路产生噪声影响［2］。通信系统工作功率一般在毫瓦级，相比功率为兆瓦级的机车车辆，相差悬殊。人耳音频感受频率20 Hz～20 kHz，机车车辆以50 Hz为基频，主要分布在5 kHz 以内的谐波正好覆盖人耳最敏感的音频频率范围，标准文献［3］和［4］分别用等效干扰电流或噪声计电流量化谐波干扰对通信线路的影响。瑞典国家铁路公司Svensson 在Moholm 至Skovde 的线路上测试了基于晶闸管电力机车噪声计电流，评估其对通信系统的影响［5］。中国电力科学研究院崔鼎新针对我国在上世纪80 年代无等效干扰电流测试方法的问题，参考国际电报电话咨询委员会的导则提出基于RC 网络和电流互感器的测试方法［6］。中国铁道科学研究院吴德范首次引入了牵引网等效干扰电流的概念，并通过1986—1988 年的电力机车谐波试验以及电算程序分析1 台或2 台机车在同一供电臂运行时等效干扰电流的分布规律［7］。株洲电力机车研究所周书芹针对串联两段桥加功率因数补偿装置的相控机车进行谐波仿真，得出等效干扰电流的分布值［8］。

随着我国轨道交通装备的发展，动车组、城轨和地铁列车相继上线，谐波研究多集中在机车车辆设备以及牵引供电所继电装置误动作、电力电子装置产生谐波原理及抑制等方面，对等效干扰电流的分布特性并未过多关注，这与我国无线通信技术弯道超车，铜制电话电缆的铺设已逐渐退出历史舞台，我国境内发生机车车辆干扰电话线事件报告寥寥无几的客观事实相符合。但是应当注意到，欧洲国家的有线电话普及率相对较高，在我国动车组“走出去”战略实施的当下，噪声计电流或等效干扰电流分布特性研究还需引起一定的重视。

另外，国际电报电话咨询委员会（CCITT）更名为国际电信联盟（ITU）后，标准文献对杂音系数的修订对等效干扰电流计算结果的影响也需要量化分析。

1 噪声计电流及等效干扰电流

噪声计电流（Psophometric Current）即等效干扰电流（Equivalent Disturbance Current），反映电源电路中电流频谱对电话线的有效骚扰［2］，计算公式为式（1）：

式中：Ipso为噪声计电流，A；If为接触网电流在频率f时对应的电流分量，A；Pf为噪声计加权系数，P800为接触网电流在800 Hz 时对应的加权系数。国内动车组、电力机车的谐波测试属于型式试验项目［9］，其中就包括等效干扰电流测试。计算公式［10］为式（2）：

式中：Sn为杂音评价系数（CCITT 国际电报电信咨询委员会提供）；In为基波、谐波电流（n=1，2，3，4，……，100，即基波、2～100 次谐波），电流畸变率谐波次数计算到100 次，等效干扰电流计算到61次。In基波的计算公式为式（3）：

φn为式（4），an、bn为傅里叶系数，分别为式（5）、式（6）

2 评价标准分析

目前，等效干扰电流试验是动车组、电力机车型式试验项点，而城轨及地铁列车的噪声计电流试验一般在技术条件中做出规定，根据地铁运用部分的需求开展测试，二者在物理意义上趋同，但在评价标准、方法、试验设备、限值和评价系数上有响应区别。

逐一对噪声计电流和等效干扰电流的标准内容进行对比分析，评价标准分析见表1。

表1 评价标准分析表

2.1 噪声权系数对比分析

关于针对动车组和电力机车的等效干扰电流评价标准，2018 年以前，国内开展动车组、电力机车型式试验的检测机构一般按照《TB/T 2517—1995 电力机车功率因数和谐波测试方法》推荐方法进行等效干扰电流测试和计算，2018 年，《TB/T 3523.2—2018 交流传动电力机车试验方法第2 部分：输入特性试验》由国家铁路局发布，TB/T 2517—1995 随即废止，2 个标准的差别是Sn杂音评价系数系数，前者只给出了1～61 次谐波中奇数次的杂音评价系数，后者给出了1～60 次奇数和偶数次谐波对应的杂音评价系数。

关于针对城轨车辆及地铁列车噪声计电流评价标准，国内外有资质的检测机构一般采用《ITUT O.41-1994：使用的电话型电路—规格为测量设备—设备的计量模拟参数》推荐的Pf噪声加权系数以及《EN 50121-3-1：轨道交通 电磁兼容—第3-1 部分：机车车辆 列车和整车》推荐的测试方法，Pf噪声加权系数曲线如图1 所示。

图1 Pf 噪声加权系数曲线

由于Pf是对数取值，而Sn是十进制取值，文献［3］取800 Hz 为参考频率点（人耳对800～1 200 Hz音频最为敏感），对应功率为0 dBm（1 miliwatt）。便于对比分析，根据式（7）［12］，将对数形式的Pf加权系数转换成十进制。

将Pf和Sn以十进制形式绘制在一张图中对比可知，如图2 所示，在人耳最敏感的800～1 200 Hz区间，Pf系数大于Sn系数，在3 000 Hz 内的其他频率区间，Sn系数则大于Pf系数。

图2 Pf 和Sn 噪声加权系数曲线对比图

虽然噪声计电流和等效干扰电流的计算公式相同，但由于噪声权系数的不同，即使测点位置和试验对象一致，两者计算结果势必产生差异。

2.2 试验设备和测点分析

动车组和地铁列车包含多牵引单元，在整个列车分布安装电流传感器可行但工作效率并非最高。对于四象限变流器以交错方式工作的机车车辆，由于不同动力单元产生的谐波相互抵消，总的噪声计电流可能低于每个牵引单元噪声计电流之和。

针对动车组和机车的等效干扰电流测试，目前普遍采用的方法是将被试车在中国铁道科学研究院东郊分院环行线路上按照牵引、电制等工况运行，同一供电臂下只运行被试列车，变电所采集的电流测试结果即为总Ipso。而地铁列车的噪声计电流传感器一般安装在列车上的1 个电源接口。例如，1 500 V 供电的地铁列车有2 台受电弓，在1根受电弓下的供电电缆安装柔性电流线圈测试1个动力单元的Ipso，总的噪声计电流可根据公式（8）进行换算［3］。

式中：Ipso_total为总噪声计电流；Ipso_one为1 个单元噪声计电流［3］。

另外，频率响应已不再制约本项测试，目前在市场上频率响应在10 kHz 以上电流传感器或电流钳相比上世纪七八十年代更加普及。

3 不同列车等效干扰电流测试分析

分 别 对160、250、350 km/h 等8 编 组 动 力 分 散型动车组以及某型速度160 km/h 的8 轴电力机车等效干扰电流测试数据进行分析，绘制不同功率等级下的Jp值曲线，如图3～图5 所示，可以看出：

图3 不同功率下电力机车正常运行及降级工况Jp 值

图4 不同速度等级动车组在不同功率下的Jp 值

图5 速度250 km/h 动车组在不同功率下的Jp 值

（1）在控制方式不变的情况下，机车单节运行的Jp值小于A、B 节同时运行的整车工况下的Jp值。

（2）针对不同速度等级的动车组，Jp值并不与速度等级或功率成明显正相关性。

（3）速度250 km/h 动车组的整车网侧谐波畸变率与功率呈反比，但Jp值与谐波畸变率也不呈明显相关性。

可见，对机车车辆Jp值的优化并不是简单地抑制整车谐波分量，而是应当关注较大的杂音权系数所对应的谐波频率，如800～1 200 Hz 的谐波分量。

4 地铁列车的Jp 值和Ipso 值分析

利用莱姆公司LT 型电流传感器采集某些地铁列车高压输入侧电流，测试精度为0.5%。第1步根据式（2）中的谐波公式计算各次谐波分量。然后，根据Pf及Sn的系数设计在线滤波器，集成于测试软件中［13］，可在线计算干扰电流瞬时值。

本研究为对比分析同一地铁列车的等效干扰电流值和噪声计电流值，利用MATLAB 软件集成噪声计滤波器，并结合实车速度和功率数据，离线计算车辆输入电流，得出相应Jp值和Ipso值瞬时曲线，计算方法如图6 所示。

图6 MATLAB 数据处理流程图

数据原始波形如图7 所示，描述地铁列车静置加速到最高速的过程，该列车最高速度100 km/h，电机额定功率190 kW，由4 节动车2 节拖车组成，供电制式为DC 1 500 V。

图7 地铁列车加速曲线

Jp值和Ipso值瞬时曲线如图8 所示。Jp值分布于1.1～8.7 A 之 间，而Ipso值 分 布 于0.6～6.5 A 之 间，二者变化趋势基本一致。

图8 Jp 和Ipso 曲 线

5 结 语

文中分析了等效干扰电流和噪声计电流的参考标准，对试验设备、测点以及噪声加权系数分布进行对比，然后将160、250、350 km/h 以及某型速度160 km/h 的8 轴电力机车等效干扰电流测试数据进行分析，绘制不同功率等级下的Jp值曲线，最后针对同一列地铁列车的加速运行数据分别计算Jp和Ipso值，数据分析表明Jp值大于Ipso值，变化趋势一致。