楊 劍

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院，北京 100073）

1 概述

眾所周知，高速動(dòng)車組在運(yùn)行過程中，會(huì)在車體內(nèi)部及列車周圍空間產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，安裝于列車上的各種電子設(shè)備會(huì)處于一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的電磁環(huán)境中。在列車運(yùn)行過程中，裝備于CRH2-300T型動(dòng)車組上的車載ATP測速測距設(shè)備，曾發(fā)生一些電磁兼容（EMC）問題，如偶發(fā)的速度傳感器損壞，以及在列車經(jīng)過供電分相區(qū)時(shí)，偶發(fā)的ATP系統(tǒng)測速測距功能故障。經(jīng)過對(duì)車載測速測距設(shè)備所處的電磁兼容環(huán)境進(jìn)行反復(fù)實(shí)驗(yàn)研究，并采取了針對(duì)性的防護(hù)和改進(jìn)，逐步解決了上述存在問題。本文擬結(jié)合該實(shí)驗(yàn)研究的過程和成果，對(duì)CRH2型動(dòng)車組車載測速測距設(shè)備EMC問題的相關(guān)研究進(jìn)行介紹和總結(jié)。

2 CRH2-300T型動(dòng)車組電氣接地系統(tǒng)特點(diǎn)

電磁兼容分析通常將理論與實(shí)驗(yàn)分析緊密結(jié)合，為找到并了解引起上述EMC問題的根源，需首先對(duì)動(dòng)車組本身的電氣接地系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)了解。

CRH2-300T型動(dòng)車組為8節(jié)車編組，動(dòng)力編制方式為6動(dòng)2拖。圖1是CRH2-300T動(dòng)車組動(dòng)力編制方式示意圖。車載ATP安裝于兩端的拖車上。動(dòng)車組第4和第6節(jié)車廂上安裝有受電弓，相對(duì)應(yīng)的在受電弓所在的車廂下，安裝有主變壓器，用以將接觸網(wǎng)上的高壓交流電轉(zhuǎn)換為列車驅(qū)動(dòng)使用的低壓交流電和車載電器設(shè)備使用的直流電。

不同于歐系動(dòng)車組（CRH1、CRH3）的設(shè)備浮地方式，CRH2型動(dòng)車組采用了日系新干線動(dòng)車組的電氣接地系統(tǒng)特點(diǎn)，車體地與信號(hào)設(shè)備地等勢，即信號(hào)電氣設(shè)備地線直接連接在動(dòng)車組車體之上，所有低壓電氣設(shè)備的地線均回流經(jīng)過車體。此種設(shè)計(jì)方式對(duì)電氣設(shè)備帶來了更多的干擾問題。

圖2是CRH2-300T動(dòng)車組接地系統(tǒng)示意圖。受電弓通過接觸網(wǎng)取得27.5 kV 50 Hz交流電，經(jīng)過主斷路器后，進(jìn)入主變壓器初級(jí)線圈。主變壓器初級(jí)線圈負(fù)極通過接地碳刷（電阻很小）連接到列車驅(qū)動(dòng)軸上，經(jīng)過輪對(duì)及鋼軌與大地形成回流。因輪對(duì)及轉(zhuǎn)向架直接與金屬接觸，此電勢被稱為轉(zhuǎn)向架地。變壓器副端產(chǎn)生低壓交流電用于驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)，并經(jīng)過變壓整流產(chǎn)生100 V直流電源，為列車上的控制設(shè)備供電。100 V直流電源的負(fù)極直接連接在列車車體上，車載ATP設(shè)備的地線也直接連接到車體上，通過車體形成回流。列車車廂之間通過接地電纜連接。在動(dòng)車車廂下，列車車體通過小阻值的接地電阻與列車輪軸接地。因接地電阻的存在，動(dòng)車車體與轉(zhuǎn)向架在電氣上并不等勢，而拖車車體與拖車轉(zhuǎn)向架兩者之間則相對(duì)絕緣，經(jīng)接地電纜、接地電阻和鋼軌回路間接相連。由于輪對(duì)與鋼軌接觸電阻的不確定性，以及不同軌面接地條件的復(fù)雜性，該輪對(duì)-軌面-輪對(duì)回路可等效為騷擾信號(hào)源。經(jīng)分析整理簡化后，動(dòng)車組接地等效電路如圖3所示。

圖3中，VCB為主斷路器，C1是牽引電流回路與車體間的寄生電容，L1為主變壓器原端等效電感，L2為車體與牽引電流回路的寄生電感，R1為動(dòng)車車體與轉(zhuǎn)向架間的接地電阻，R2為動(dòng)車與拖車車體地間的接地電阻，TCB GND為動(dòng)車車體地，NTCB GND為拖車車體地，NTB GND為拖車轉(zhuǎn)向架地，TB GND為動(dòng)車轉(zhuǎn)向架地，Tachometer為車載計(jì)軸速度傳感器。

基于CRH2型動(dòng)車組特殊的電氣接地方式，當(dāng)VCB的連接狀態(tài)發(fā)生變化瞬間，在L1的強(qiáng)感性作用下，在牽引回路上產(chǎn)生瞬間的高電壓和浪涌電流，在L2上會(huì)感生瞬時(shí)的高幅值騷擾，形成動(dòng)車車地體上的騷擾信號(hào)源；受電弓離開和靠近接觸網(wǎng)時(shí)，在空氣間隙內(nèi)也會(huì)發(fā)生瞬時(shí)的高壓擊穿放電現(xiàn)象，在C1和L2上會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生瞬時(shí)的高幅值電壓騷擾，形成車地體上的騷擾信號(hào)源。動(dòng)車車體與轉(zhuǎn)向架之間由于接地電阻的存在，產(chǎn)生的擾動(dòng)電壓會(huì)被限制在一定范圍內(nèi)；而拖車車體與轉(zhuǎn)向架間因相對(duì)絕緣，在極端情況下，會(huì)產(chǎn)生峰值為上千伏的電壓擾動(dòng)。此擾動(dòng)對(duì)跨接安裝于拖車車體與轉(zhuǎn)向架間的車載測速測距設(shè)備產(chǎn)生較大的電氣沖擊，對(duì)正常信號(hào)傳輸產(chǎn)生很大騷擾。

3 車載計(jì)軸測速傳感器的安裝方式分析

齒輪霍爾轉(zhuǎn)速傳感器，利用霍爾效應(yīng)原理，將因鋼制齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的感應(yīng)磁力線變化，轉(zhuǎn)化為與輪齒對(duì)應(yīng)的脈沖電信號(hào)，具有非接觸測量、工作穩(wěn)定性好、壽命長的優(yōu)點(diǎn)。若將霍爾速度傳感器安裝于動(dòng)車組軸旁，與軸端測速齒盤配合使用，通過測量動(dòng)車組輪對(duì)的轉(zhuǎn)速，即可實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組速度、移動(dòng)距離和運(yùn)行方向的實(shí)時(shí)測量。

如圖2所示，車載ATP設(shè)備安裝于動(dòng)車組兩端的拖車上，測速傳感器則安裝于該車輛第二輪對(duì)和第三輪對(duì)所在的轉(zhuǎn)向架上，兩者之間通過多芯屏蔽電纜相連接。

圖4是車載計(jì)軸速度傳感器電氣連接示意圖。從圖4中看出，速度傳感器外殼使用金屬安裝板固定于轉(zhuǎn)向架上，傳感器探頭則與測速齒盤之間需保持一定的空氣間隙。傳感器外殼與內(nèi)部電路采用絕緣設(shè)計(jì)，絕緣強(qiáng)度一般在500～1 500 V之間，符合EN 50121-2-3：2000規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。速度傳感器使用多芯屏蔽電纜，穿過列車車體機(jī)艙，至ATP機(jī)柜內(nèi)部，與SDU模塊相連接。SDU模塊內(nèi)部傳感器接口電路采用光電隔離設(shè)計(jì)，絕緣強(qiáng)度在2 000 V以上。電纜屏蔽層一端與SDU模塊外殼相接，經(jīng)過機(jī)柜接地線與車體共地，另一端則通過接插件與速度傳感器尾纜的屏蔽層相連。

這樣的電氣連接方式，使拖車車體與轉(zhuǎn)向架之間在瞬時(shí)產(chǎn)生的幾千伏峰值浪涌脈沖群，直接加載于車載ATP測速測距設(shè)備上。由此可能產(chǎn)生的電磁兼容問題：在高電壓大電流沖擊下，計(jì)軸速度傳感器損壞，瞬時(shí)電流沖擊所產(chǎn)生的測速測距信號(hào)騷擾，這恰恰對(duì)應(yīng)了現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的問題。

4 電磁兼容定量測量及分析

為驗(yàn)證上述分析結(jié)果，需進(jìn)行一系列的定量測量。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件，對(duì)信號(hào)騷擾強(qiáng)度所選定的測量方法為：在車廂內(nèi)ATP機(jī)柜旁，使用帶記錄功能的高性能多通道示波器，在騷擾產(chǎn)生時(shí)刻，對(duì)速度傳感器信號(hào)電纜的內(nèi)部信號(hào)線及屏蔽層的騷擾信號(hào)進(jìn)行定量測量和記錄。

測試儀表使用Tektronix的DPO7354四通道數(shù)字熒光示波器，儀表的有效測試帶寬為3.5 GHz，最高采樣率為40 GS/s，記錄深度為400 MB。

示波器四通道的布置如表1所示。

表1 示波器四通道布置表

CH1為觸發(fā)通道，觸發(fā)條件設(shè)置為小于50 us的Glitch（毛刺）觸發(fā)、觸發(fā)電平為1/2電源電壓（9 V）。

測量時(shí)間點(diǎn)取為動(dòng)車組與接觸網(wǎng)接觸關(guān)系發(fā)生變化時(shí)，包括動(dòng)車組升降弓瞬間、開關(guān)主斷路器瞬間，以及列車經(jīng)過分相區(qū)時(shí)的受電弓離網(wǎng)和入網(wǎng)瞬間。

測試結(jié)果分析表明，列車降弓瞬間，騷擾信號(hào)幅值明顯大于其他幾種情況，騷擾信號(hào)呈浪涌脈沖特征，騷擾信號(hào)群產(chǎn)生頻率為100 Hz，且幅值逐漸放大，表現(xiàn)為明顯的離網(wǎng)放電特征，持續(xù)時(shí)間約幾十毫秒。動(dòng)車組進(jìn)入分相區(qū)時(shí)，騷擾信號(hào)同樣表現(xiàn)為離網(wǎng)放電特征，但幅值稍小，持續(xù)時(shí)間較短。升受電弓和動(dòng)車組離開分相區(qū)瞬間，騷擾信號(hào)則表現(xiàn)為一系列典型的電浪涌脈沖群特性。該測量結(jié)果可定性說明，信號(hào)騷擾是由于列車受電弓與接觸網(wǎng)連接關(guān)系變化引起的。

進(jìn)一步，需要對(duì)列車升降弓時(shí)拖車車體與轉(zhuǎn)向架之間產(chǎn)生的瞬時(shí)騷擾電壓進(jìn)行定量測量。測量結(jié)果顯示在列車升降弓瞬時(shí)，騷擾電壓峰值可超過2 kV，超出了霍爾速度傳感器的單獨(dú)耐壓能力。

在分析速度傳感器損壞原因時(shí)發(fā)現(xiàn)，如圖4所示，某型號(hào)霍爾速度傳感器在其內(nèi)部將尾纜屏蔽層與傳感器金屬外殼使用一個(gè)小封裝的4.7 pF電容相連，該電容標(biāo)稱耐壓能力為2 000 Vrms。這種交流雙端接地的設(shè)計(jì)方式在速度傳感器電纜兩端共地的歐系車型上可以有效減低電磁輻射對(duì)內(nèi)部信號(hào)的干擾，但應(yīng)用于CRH2型車上，則會(huì)將車體與轉(zhuǎn)向架間瞬時(shí)幾千伏高壓加載到該電容上。估算得到，對(duì)于1MHz騷擾信號(hào)，其等效容抗約為：

對(duì)于2 kV峰值的騷擾電壓，產(chǎn)生的峰值電流約為

瞬時(shí)峰值功率約為120 W，遠(yuǎn)超出了其封裝所能承受的額定功率。當(dāng)高頻高壓的浪涌騷擾信號(hào)加載到該電容上時(shí)，很容易引起該電容損壞，實(shí)際拆解損壞的傳感器時(shí)，均發(fā)現(xiàn)該電容存在過熱燒蝕的現(xiàn)象。該電容損壞后，則將高壓直接加載到速度傳感器內(nèi)部霍爾器件兩端，引起速度傳感器損壞。

同時(shí)，因雙端接地在車體與轉(zhuǎn)向架間形成的交流通路，在電壓擾動(dòng)瞬間有較大的電流通過，進(jìn)而通過電纜芯線與屏蔽層之間的分布電容耦合到芯線內(nèi)，對(duì)電纜內(nèi)傳輸?shù)乃俣让}沖信號(hào)形成較大幅值的瞬間擾動(dòng)。

進(jìn)一步對(duì)比實(shí)驗(yàn)也證明了這一結(jié)論：將速度傳感器的金屬安裝板替換為非金屬絕緣板，斷開交流接地通路，測得的平均信號(hào)騷擾幅值明顯減小，騷擾信號(hào)持續(xù)時(shí)間也大大縮短。

5 車載計(jì)軸速度傳感器電磁兼容防護(hù)方法探討

利用上述測量和分析的結(jié)論，對(duì)裝備于CRH2-300T型車上的車載測速測距設(shè)備進(jìn)行電磁兼容改裝和防護(hù)。

對(duì)一般電磁兼容問題，可采用“疏”和“堵”的解決方法?！笆琛奔礊轵}擾和浪涌信號(hào)提供泄放通道，保護(hù)有效信號(hào)和設(shè)備；“堵”則是增加設(shè)備和有效信號(hào)本身的耐壓和抗干擾能力。由于電磁兼容問題的解決具有系統(tǒng)性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，為避免改變動(dòng)車組的電氣接地結(jié)構(gòu)而引發(fā)其他電磁兼容問題，需盡可能避免為騷擾信號(hào)提供泄放通道，在解決測速測距電磁兼容問題時(shí)，宜盡量加強(qiáng)設(shè)備本身對(duì)共模擾動(dòng)的抑制能力。

基于對(duì)測速測距電氣系統(tǒng)的整體了解，并結(jié)合具體的問題現(xiàn)象分析，目前采用的EMC改進(jìn)措施：包括更換具有更高耐壓能力的速度傳感器以及安裝絕緣安裝板和耐壓隔離盒等輔助耐壓隔離裝置。這些措施在初步實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)營中取得了明顯的效果，解決了傳感器損壞問題。此外，為解決速度信號(hào)騷擾問題，采取一系列綜合措施：在信號(hào)通道中切除騷擾信號(hào)耦合途徑，在差分信號(hào)線間為高壓騷擾信號(hào)布置泄放通道，以及采集信號(hào)后提高信號(hào)處理設(shè)備的軟硬件濾波能力等。經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際運(yùn)營證明，以上措施配合使用，大大減低了騷擾對(duì)有效速度信號(hào)的影響。

6 結(jié)論

本文圍繞CRH2型動(dòng)車組車載ATP測速測距設(shè)備的電磁兼容問題進(jìn)行研究，介紹CRH2-300T型動(dòng)車組的特殊電氣接地方式，測速測距設(shè)備的電氣連接結(jié)構(gòu)，以及為解決EMC問題進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)分析，并針對(duì)存在問題提出解決方案，進(jìn)一步總結(jié)出解決電磁兼容問題的經(jīng)驗(yàn)和方法。

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