同相供电铁路系统电磁骚扰测试及特性研究*

王雅婷，余 俊，王延哲，周 毅，苏发明

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

我国现有的接触网单边供电方式、牵引变电所连接形式以及换接相序使得牵引供电系统存在电分相环节、谐波以及负序等问题［1］。文献［2］提出解决这些问题的方法之一是建设同相供电系统，同相供电系统为轨道交通机车车辆提供相同相位电压［3］。2010年，我国已于成昆铁路眉山牵引变电所将同相供电装置投入运用。2018年温州市域铁路S1线开通，采用了单向组合式同相供电系统［4］。我国高速铁路开通前都要进行联调联试，其中包括整个轨道系统对外界的电磁发射测试，以评估其系统对环境的电磁影响［5］。文献［6］测试和分析了城市轨道交通牵引变电所工频磁场和工频电场水平，文献［7］测试和分析了动车组的射频电磁骚扰，文献［8］对牵引电流传导性干扰和瞬态电磁骚扰的影响机理和防护技术开展了研究，但现有文献都未开展基于同相供电的射频电磁骚扰测试和相关研究。本研究基于温州S1线电磁骚扰研究试验的现场数据，将其与国际国内铁路系统电磁发射标准进行对比，并横向对比现有基于AT供电的铁路系统发射电磁骚扰数据，分析温州S1线同相供电铁路系统的电磁骚扰特性。

1 温州S1线同相供电系统

温州S1线同相供电系统采用单相组合式同相供电方案，实际上是基于有源对称补偿同相供电系统的一种优化［9］，如图1所示，由同相补偿装置CPD和牵引变压器TT组成，其中同相补偿装置由高压匹配变压器HMT、交直交变流器ADA和牵引匹配变压器TMT组成。实际上，牵引变压器和高压匹配变压器并联构成Scott型式的供电容量及电压幅值不等但电压相位垂直的特殊三相—两相平衡变压器，牵引变压器容量为2×（16+5）MVA。

图1 单相组合式同相供电方案

在同相变电所投入运用时，单相组合式供电方案有2种运行型式，一种是同相供电装置全天候运行，另外一种是当牵引复合功率接近负序功率允许值时投入补偿。从系统结构可以看出，同相供电装置包括交直交变换装置，IGBT元器件的开关伴随着电压电流的瞬时突变会向外部空间产生电磁骚扰，这便是它与现有铁路牵引变电所直接变压器变换电能之间在电磁发射方面的差异。

2 整个同相供电铁路系统电磁骚扰机理

同相供电铁路整个系统不仅包括同相供电牵引变电所，还包括在线运行的动车组以及牵引供电线路等装置。整个同相供电铁路系统的电磁骚扰主要分为3个部分，如图2所示。

图2 同相供电铁路系统射频电磁骚扰发射机理示意图

（1）动车组对外部环境的电磁骚扰：动车组高速运行时，其内部参与驱动的牵引电机、牵引变流器、牵引变压器都是电磁骚扰的发射源，并且车内空调、照明灯辅助设施供电的辅助变流器也是电磁发射源。

（2）牵引变电所对外部环境的电磁骚扰：牵引变电所内部的牵引变压器以及同相补偿装置在工作中涉及电功率和电流的变化，会产生电磁骚扰。

（3）接触网产生的电磁骚扰：动车组牵引和电制过程中产生的谐波电流会作用在接触网中，通过电磁感应对模拟通信线路产生电磁骚扰。

3 铁路系统电磁发射测试

针对整个轨道系统的电磁发射标准，欧洲采用文献［10］开展测试，我国则采用《GB/T 24338.2-2018轨道交通 电磁兼容 第2部分：整个轨道系统对外界的发射》［11］。

3.1 机车车辆运行时系统发射

测量频率为9 kHz~1 GHz，其中9 kHz~150 kHz，由于无线电极少工作在此频段一般不对该频率范围进行评价。根据GB/T 6113.101的规定，9 kHz~150 kHz的测量带宽采用200 Hz带宽，150 kHz~30 MHz采用9 kHz带宽，30 MHz~1 GHz采用120 kHz带宽。不同频率选择不同天线，环形天线用于采集9 kHz~30 MHz的磁场，双锥偶极子天线用于测量30 MHz~300 MHz的电场，对数周期天线采集300 MHz~1 GHz电场。天线距离轨道中心10 m，如果试验现场无法满足10 m的要求。可通过式（1）进行换算。

式中：E10为等效10 m法的测量结果；Ex为D（天线距列车的投影距离，m）处的测量值，单位为分贝微伏每米（dBμV/m）；n为系数值，其中0.15 MHz~0.4 MHz，n取 值1.8；0.4 MHz~1.6 MHz，n取 值1.65；1.6 MHz~110 MHz，n取值1.2；110 MHz~1 000 MHz，n取值1。

天气条件以干燥天气为宜，24 h内降水不大于0.1 mm，温度不小于5℃，风速小于10 m/s。

对于机车车辆的运行条件，包括2种：机车车辆运行在90%的最大速度且功率为当前速度下的最大功率以及特定速度下的最大额定功率。

3.2 牵引变电所的射频发射

牵引变电所的重要特征是负载在短时间内发生大幅度变化，而发射与负载的大小相关，因此测量时应记录牵引变电所的实际负载。

在牵引变电所栅栏（围墙）10 m外布置测点。由于被测牵引变电所栅栏（围墙）距离轨道中心在30 m之内，本次测试仅针对除了面向轨道侧之外的其他3边栅栏（围墙）进行。

使用环形天线测量9 kHz~30 MHz的发射，天线的方向为最大发射值方向，牵引变电所的负载不小于额定负载的30%；使用双锥天线测量30 MHz~300 MHz的发射最大值，变电所的负载不小于额定负载的15%；使用对数周期天线测量300 MHz~1 GHz的发射，天线的方向为最大发射值方向，牵引变电所的负载不小于额定负载的15%。试验现场如图3所示，温州S1线同相供电变电所如图4所示，牵引变电所的发射限值如图5所示［11］。

图3 机车车辆运行试验现场

图5 牵引变电所的发射限值

4 数据分析

4.1 机车车辆运行时系统发射对比

文献［12］记录了哈大线联调联试，机车车辆运行时，按照标准方法只测试了1 MHz和150 MHz的无线电干扰数据，试验干扰场强随速度变化曲线如图6、图7所示。1 MHz场强均值为95 dBμV/m，150 MHz场强均值为62 dBμV/m。

图6 1 MHz辐射场强随速度变化曲线

图7 150 MHz辐射场强随速度变化曲线

在基于同相供电系统的温州S1线，实测1 MHz场强均值为87 dBμV/m，150 MHz场强均值为55 dBμV/m，如图8所示。根据文献［11］限值要求，1 MHz为110 dBμV/m，150 MHz限值为88 dBμV/m。2种供电方式的铁路系统发射都在限值以内，并且，市域动车组在温州S1线同相供电系统运行时比动车组在AT供电的铁路上运行时在1 MHz和150 MHz特征频率的场强值小7~8 dBμV/m。

图8 2种供电方式特征频点场强对比

4.2 牵引变电所发射分析

在满足试验天气条件的情况下，试验在温州S1线同相供电变电所外取测点，应用准峰值模式测试了9 kHz~1 GHz全频段变电所电磁发射场强。

背景噪声的取值是在变电所空载运行，即线路上动车组静置且断电降弓的条件下进行。测试曲线如图9~图11所示，超限的频点如100.3 MHz、88.8 MHz、800 MHz~1 GHz等尖峰频点或频段，均为无线电广播频点、电视伴音信号或手机信号波段［13］，非被试变电所主动发射的无线电骚扰。

图9 9 k Hz~30 MHz频段变电所对外射频骚扰

图10 30 MHz~200 MHz频段变电所对外射频骚扰

图11 200 MHz~1 GHz频段变电所对外射频骚扰

试验结果表明，有车运行时和变电所空载运行的电磁骚扰差异表现在2个方面：

（1）除72 MHz~90 MHz频段，有车运行时，变电所电磁骚扰比变电所空载时电磁骚扰大1~3 dB之外（整体都在限值范围内）。

（2）在14 MHz、130 MHz、150 MHz、230 MHz、320 MHz和340 MHz等频点由于时变环境噪声影响，变电所空载时电磁骚扰比有车运行时电磁骚扰反而大3~5 dB。

其余变电所有车和无车运行时对外部空间的射频骚扰曲线基本重合。

5 结语

同相供电铁路系统的电磁骚扰测试有据可依，但由于系统建设频度较小，针对该系统的电磁骚扰研究并不多见。文中分析了温州S1线基于组合式同相供电牵引供电系统的组成结构，介绍了国内外对整个铁路系统电磁发射测试的方法，在温州S1线开展铁路系统电磁发射测试，将实测数据与哈大线铁路系统特征频点发射值进行对比，分析了牵引变电所带载和空载时的9 kHz~1 GHz全频段电磁发射数据，结果表明，该同相供电系统电磁发射值低于国内外标准限值要求，并对无线电干扰风险较低。