列车清洗机端刷接近开关电磁干扰原因分析及抑制措施

沈晨琦

(苏州市轨道交通集团有限公司运营二分公司，215101，苏州∥助理工程师)

接近开关作为一款不需要与设备动作部件发生直接机械接触便可触发其开关动作的高效传感器，被广泛运用于工业生产和日常生活中。苏州轨道交通5号线列车清洗机的端刷洗系统中使用了许多接近开关，用以进行位置检测与限位保护。端刷洗系统用以刷洗列车首尾两辆车端面，端刷安装在两侧龙门结构中，由接近开关限制其摆出、行走和升降的范围[1]。接近开关可将传感器与物体间的位置关系信息转化为能够被电气系统识别的电信号[2]。然而，5号线列车清洗机投入使用以来，端刷接近开关频繁失效，屡次出现端刷上升超出上限位的故障，对日常洗车作业造成了一定影响。排除接近开关本身质量问题后，可断定造成其失效的原因为某种干扰。由于列车清洗机本身以及周围环境组成了一个复杂系统，所以导致失效的原因可能是某一种或者几种干扰源的共同作用。其中地铁迷流、伺服驱动系统以及高压接触网等系统与环境因素所产生的感应电都会对电力线路造成电磁干扰[3-5]。本文在阐明5号线列车清洗机端刷接近开关原理的基础上，对上述干扰源的作用原理展开分析，并提出了为避免干扰所采取的抑制措施。

1 接近开关的类型及原理

接近开关是一类传感器的统称，可细分为电感式、电容式、霍尔式和磁性式接近开关等[2]。不同类型接近开关的工作原理甚至作用对象都截然不同。5号线列车清洗机端刷所使用的接近开关为三线制PNP(由两块P型半导体中间夹着一块N型半导体所组成的三极管)常开型电感式接近开关，具有短路和过载保护、无剩余电流、低电压降等优点。其感应对象仅限于接近其感应面的金属物体。将接近开关接入电路时，其中两根线分别接入直流电源正负极，第三根线用于输出信号，接入PLC(可编程逻辑控制器)的输入端。

三线制PNP常开型电感式接近开关主要由振荡器、检测电路和放大输出电路三部分组成。振荡器由线圈和LC(一个电感和一个电容连接在一起的电路)振荡电路构成，位于接近开关内部结构的最前端。振荡器能够在感应面前方形成一个高频交变电磁场。当列车清洗机的端刷上升时，其根部的金属片也随之进入接近开关的磁场感应区。此时金属片内部可等效视作无数个圆圈型闭合回路，由于交变磁场在此闭合回路中的磁通量是不断变化的，所以在金属片内部就产生了感应电动势和感应电流，这种现象也被称作涡流效应。

涡流直接导致振荡电路的负载变大，使振荡能力衰弱甚至停止振荡[6]。振荡电路的这一变化被后置检测电路识别后，常开触点闭合，经过放大输出电路将开关信号输入PLC。至此端刷接近开关便完成了将端刷上升到位的位置信息转变为能够被PLC所识别的电信号的任务。

2 电磁干扰源分析

2.1 高压电网干扰源分析

公共高压电网存在着各种形态且不易被察觉的干扰,干扰的形态可分为低频干扰和高频干扰两类。低频干扰的表现形式有欠压、过压、间断、断电、浪涌和频率漂移等。用电设备的启停引起电网负载的剧烈变化就会产生低频干扰信号。高频干扰的表现形式有毛刺、尖峰和高频谐波等。导致高频干扰信号产生的原因较多，比如用电设备启停的瞬间冲击、电网供电的非线性负载、高频用电设备的反向辐射、自然界中的雷电冲击等。

5号线采用DC 1 500 V架空接触网供电系统为列车提供运行动力，也属于高电压强电流等级范围。在列车清洗机主库内，列车同样采用此供电方式。接触网带电导线包括接触线、承力索、回流线和正馈线等，当强电流通过接触网带电导线时，电能不断地向列车和空气中传播，造成带电导线内部电流处于不平衡状态，接触线与大地之间产生一个等同于操作电压的电位差，于是在接触网的周围便产生了电磁场[7]。周围电气设备在此电磁场中遭受不同程度的电磁干扰。磁场强度与到接触线的距离成反比，距离越远磁场强度越小。列车清洗机端刷升降下限位接近开关距离接触线较远，此处磁场强度较小；端刷升降上限位接近开关距离接触线较近，此处磁场强度较大。

2.2 伺服驱动器输出电压干扰源分析

列车清洗机端刷的升降和行走动作都是依靠伺服系统来进行定位控制的。伺服驱动器和伺服电机是伺服系统的重要组成部分。伺服驱动器安装在辅库电气柜内，而伺服电机同接近开关一样，直接安装在端刷龙门架内。伺服驱动器的通信接口连接PLC的输出端，通过接收PLC发出脉冲的频率和数量来控制伺服电机运行的距离和速度。伺服驱动器并非直接将来自PLC的脉冲信号方波简单放大，而是通过脉冲宽度调制的方式模拟输出正弦波。伺服电机中的转子受电压信号控制得以实现正反转。当端刷接近开关触发时，伺服驱动器输出信号电压变为零，伺服电机停止旋转，端刷到位停止。在日常端洗作业中，伺服驱动器需要不断调整输出电压以完成端刷的各项动作，保证前后端洗能够正常进行。因此在伺服电机频繁启停与正反转的过程中，伺服驱动器的输出电压也在不断变化，导致在伺服电机周围的导体中容易产生感应电动势。此感应电动势对端刷接近开关造成了一定的电磁干扰。

2.3 地铁迷流干扰源分析

地铁迷流是列车运行时泄露到道床与周围大地土壤介质中的杂散电流，产生于列车接触网直流牵引供电回路的回流。5号线列车就采用直流电力牵引方式，将受电弓作为正极连接接触网，轮下走行轨道作为负极回流导线。由于走行轨存在较大电阻，导致牵引电流在回流时容易产生压降，同时走行轨与大地间也存在着电位差，为地铁迷流的产生创造了必要条件。不过在正常轨道段落，走行轨与道床之间的绝缘程度其实非常高，能够有效减少流入土壤介质中的迷流。然而，每次洗车作业结束后，主库内都非常潮湿，轨道附近也会残留积水，不可避免地会造成走行轨与道床之间的绝缘性能逐渐降低，洗车作业时流入土壤介质中的迷流也逐渐增多。杂乱无序的迷流从道床向四周扩散，其中一部分流入了地下埋设的金属管道和沿轨道铺设的金属结构中。迷流在金属导体周围形成紊乱复杂且不停变化的电磁场，严重干扰端刷接近开关对金属物体的识别。迷流甚至会流进电气设备的接地端，引起局部接地电位过高，从而影响电气设备正常工作。此外，地铁迷流还会对金属管线、金属构件和道床内的结构钢筋等导体造成电化学腐蚀，严重损害设备的使用寿命，存在一定程度的安全隐患。

3 抑制电磁干扰措施

3.1 增加中间继电器

为了减少各因素对接近开关输出信号的干扰，采取在控制回路中增加中间继电器的措施，将中间继电器的常开触点两端分别连接电源线和PLC输入端，将中间继电器的线圈两端分别连接电源线和接近开关输出信号线(见图1)。当端刷摆出至接近开关触发时，接近开关的输出信号使中间继电器的线圈得电，常开触点吸合，于是PLC输入端得电，输

图1 增加中间继电器后的接近开关控制电路

出脉冲信号通过伺服驱动器控制伺服电机到位停止。如此原本一个控制回路被中间继电器分隔为两个控制回路，使电磁干扰仅存在于线圈侧回路中，而不会对触点侧的PLC输入信号产生影响，在不改变接近开关功能的情况下可有效阻隔电磁干扰。同时，中间继电器的线圈是有电阻的，用接近开关输出信号线连接中间继电器线圈相当于串联一个小型电阻，同样可以减小接近开关受到电磁干扰的影响。

3.2 增加隔离变压器和电源滤波器

在电气柜控制电路中增加隔离变压器和电源滤波器。将隔离变压器和电源滤波器连接在控制回路电源与断路器KM118的常开触点之间，如图2所示。

图2 增加隔离变压器和电源滤波器后的电气柜控制电路图Fig.2 Circuit diagram of the electrical cabinet after adding an isolation transformer and a mains filter

隔离变压器的输入线圈绕组与输出线圈绕组在电气上彼此完全隔离，仅通过电磁感应原理实现在输出线圈绕组两端产生电压，其电压变比为1∶1，不会改变后级电路的电压大小。隔离变压器线圈绕组中的铁芯具有高频损耗大的特点，对输入端起到了良好的过滤作用，即抑制高频谐波从主电源传入控制回路，降低电源电网对控制回路的干扰。与此相对应，控制回路中用电设备产生的干扰也不会传入主电源电路。

电源滤波器通过对其输入、输出端的阻抗和电源及负载的阻抗进行适配，滤除电源线中某些不需要的特定频率的谐波。将隔离变压器和电源滤波器组合使用，前者隔离掉电源线中的高频谐波，后者再对其他频率的谐波进行滤除，如此可大幅衰减控制回路中来自主电源的电磁干扰，从而使接近开关得到稳定的正弦波电源信号。

4 结语

接近开关虽然只是列车清洗机中一个极小的组成部分，但是却直接影响着整个列车清洗机能否正常运行。前后端洗是洗车作业中最重要的两项工序，如果端刷接近开关出现故障失效，不仅洗车作业必须被迫终止，甚至可能会导致端刷失控，对电客车造成伤害。苏州轨道交通5号线列车清洗机在采取了增加中间继电器、增加隔离变压器和电源滤波器等措施后，端刷接近开关干扰问题得到了有效地解决，未再出现端刷上升超出上限位的故障，其他动作机构的接近开关也维持在正常工作状态，无任何异常。

由此可见，只有采取有效的抑制干扰措施，切实防范高压电网、伺服驱动器的输出电压和地铁迷流等电磁干扰，才能让接近开关稳定正常地工作，保证洗车作业安全、有序和高效地进行。