劉兆青，胡文斌，胡 陽(yáng)，呂建國(guó)

地鐵軌道回流諧波測(cè)試與分析

劉兆青，胡文斌，胡 陽(yáng)，呂建國(guó)

實(shí)測(cè)南京地鐵一號(hào)線(xiàn)金馬路—仙鶴門(mén)站的軌道回流值，從列車(chē)防護(hù)系統(tǒng)ATP濾波頻點(diǎn)要求出發(fā)，給出分析軌道回流諧波成分中對(duì)ATP濾波頻點(diǎn)影響較大的諧波分析方法。最后，結(jié)合數(shù)據(jù)分析結(jié)果，提出列車(chē)運(yùn)行工況會(huì)對(duì)軌道回流諧波產(chǎn)生影響。

軌道回流；諧波；ATP；濾波頻點(diǎn)

0 引言

電力牽引區(qū)段的兩條鋼軌，既作為軌道電路傳輸信息的通道，又作為牽引電流的回歸通路。牽引電流回流在1 000 A左右，屬于強(qiáng)電系統(tǒng)，而軌道電路的信號(hào)量級(jí)較小，屬于弱電系統(tǒng)。這兩種不同性質(zhì)的電流在同一鋼軌線(xiàn)路中傳輸，因牽引電流中諧波含量豐富，會(huì)干擾軌道電路的正常工作。

列車(chē)超速防護(hù)系統(tǒng)ATP起著維護(hù)列車(chē)安全的作用，實(shí)現(xiàn)超速防護(hù)的功能，目前 ATP系統(tǒng)大都使用軌道電路作為通信信號(hào)傳輸工具，使用音頻軌道電路作為信息傳輸方式，對(duì)于列車(chē) ATP系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，雖然可靠性極高，但2006年4月25日上午發(fā)生在日本兵庫(kù)縣尼崎市的列車(chē)出軌事故表明該系統(tǒng)中列車(chē)超速防護(hù)系統(tǒng) ATP中存在極小的不安全因素，因此有必要找出會(huì)導(dǎo)致不安全行車(chē)的各種影響因素。

1 國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有人對(duì)于軌道回流及諧波進(jìn)行研究，文獻(xiàn)[1]提出交-直-交型機(jī)車(chē)產(chǎn)生的諧波雖然消除了低頻帶的諧波，但卻產(chǎn)生了高頻帶諧波，在機(jī)車(chē)啟動(dòng)、爬坡、制動(dòng)等調(diào)節(jié)過(guò)程中，諧波含量還會(huì)增大，且牽引供電系統(tǒng)中諧波含量豐富。文獻(xiàn)[2]指出交-直-交動(dòng)車(chē)組，總諧波含量小，但頻譜較寬，高頻諧波含量較高。文獻(xiàn)[3]指出，研究電力牽引對(duì)軌道電路傳輸系統(tǒng)的影響，切入點(diǎn)應(yīng)該是在列車(chē)運(yùn)行間，由于電源波動(dòng)、整流件換向、大負(fù)載變化、列車(chē)啟動(dòng)或制動(dòng)、供電臂切換、車(chē)輛逆變等產(chǎn)生諧波影響。文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)正反向牽引時(shí)騷擾電流曲線(xiàn)采用典型的二階指數(shù)衰減模型和Allomericl模型進(jìn)行擬合，得到模擬曲線(xiàn)，通過(guò)與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)對(duì)比指出軌道騷擾電流峰值隨著頻率的升高而迅速衰減。文獻(xiàn)[5]通過(guò)分析高速鐵路列車(chē)超速防護(hù)系統(tǒng)ATP對(duì)軌道電路信息和傳輸?shù)囊筇岢?，牽引電流諧波干擾隨著諧波次數(shù)的增加，其能量將大大下降，從抗干擾角度來(lái)看，頻率越高，干擾量將越小，但對(duì)軌道電路傳輸越不利。

以上文獻(xiàn)提及軌道電力牽引中高頻諧波成分但并未具體分析高次諧波。因此本文通過(guò)實(shí)測(cè)南京地鐵一號(hào)線(xiàn)軌道回流值，再將其值通過(guò) FFT算法處理，分析出其中所含各次諧波的幅值，將其與列車(chē)超速防護(hù)系統(tǒng)ATP濾波頻點(diǎn)與電流限值做對(duì)比，并得出軌道回流諧波對(duì)ATP信號(hào)傳輸?shù)挠绊懛治觥?/p>

2 軌道回流測(cè)試方法與測(cè)量原理

2.1 牽引供電系統(tǒng)及軌道回流諧波來(lái)源

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)首先從地方發(fā)電廠(chǎng)經(jīng)高壓輸電線(xiàn)路引入牽引變電所，然后由鐵路牽引變電器經(jīng)饋電線(xiàn)和接觸網(wǎng)從機(jī)車(chē)受電弓引下供給電力機(jī)車(chē)，再通過(guò)回流軌，大地或回流線(xiàn)返回牽引變電所。電力機(jī)車(chē)內(nèi)的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)由受電弓、牽引變壓器、脈沖整流器、中間環(huán)節(jié)、牽引逆器、牽引電動(dòng)機(jī)與齒輪傳動(dòng)組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。其中牽引變壓器、牽引變流器和電動(dòng)機(jī)等非線(xiàn)性器件是主要諧波干擾源。另外地鐵動(dòng)力照明系統(tǒng)中普遍采用的各種變頻裝置，非線(xiàn)性的電光源、UPS等會(huì)產(chǎn)生大量諧波，而且在機(jī)車(chē)啟動(dòng)、爬坡、制動(dòng)等調(diào)節(jié)過(guò)程中諧波含量還會(huì)增大?？傊?，在地鐵運(yùn)行過(guò)程中，牽引電力系統(tǒng)軌道回流中會(huì)流過(guò)各種各樣種類(lèi)豐富的諧波。

圖1 機(jī)車(chē)牽引傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖

2.2 測(cè)試方法

對(duì)南京地鐵一號(hào)線(xiàn)在100%牽引工況下鋼軌上牽引回流的電流值進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，測(cè)試采用羅氏環(huán)檢測(cè)電流值，瞬態(tài)記錄儀設(shè)置200 kHz頻率記錄測(cè)試值。測(cè)試系統(tǒng)接線(xiàn)如圖2所示。

圖2 地鐵車(chē)輛在線(xiàn)EMC測(cè)試系統(tǒng)接線(xiàn)圖

2.3 測(cè)量原理

測(cè)量采用羅氏線(xiàn)圈測(cè)量電流值，羅氏線(xiàn)圈測(cè)量電流的理論依據(jù)是電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律。當(dāng)被測(cè)電流i通過(guò)Rogowski線(xiàn)圈時(shí)，在線(xiàn)圈出線(xiàn)端感應(yīng)出電勢(shì)e，e與初級(jí)電流i的變化率di/dt成比例。當(dāng)繞在線(xiàn)圈上的線(xiàn)匝分布均勻時(shí)，Rogowski線(xiàn)圈每單位長(zhǎng)度dl上的線(xiàn)匝上所交鏈的磁鏈d?為

式中，N為線(xiàn)圈的匝數(shù)；l為圓環(huán)的平均周長(zhǎng)；B為線(xiàn)圈軸線(xiàn)方向上的磁感應(yīng)強(qiáng)度；A為每匝的橫截面積。

則總的線(xiàn)圈所交鏈的磁鏈為

又因?yàn)锽 = μ0H，其中，μ0為真空磁導(dǎo)率；H為磁場(chǎng)強(qiáng)度，則式（2）可表示為

根據(jù)全電流定律，磁場(chǎng)強(qiáng)度 H沿任意封閉輪廓的線(xiàn)積分等于穿過(guò)這封閉輪廓所限定面的電流，即H ∫dl = i，故得：

且感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

要想使 i(t)準(zhǔn)確還原，必須加一個(gè)反相積分電路。因Rogowski線(xiàn)圈感應(yīng)出的電壓很小，在積分器后面需加一放大電路將其放大。積分是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，被還原的信號(hào)非常小，為方便測(cè)量，先將信號(hào)放大再積分，這樣可以增大還原信號(hào)，且電容的存在可以過(guò)濾掉不必要的干擾[6]。

2.4 測(cè)試結(jié)果

通過(guò)實(shí)測(cè)南京地鐵一號(hào)線(xiàn)回流電流值，采用瞬態(tài)記錄儀以200 kHz頻率記錄數(shù)據(jù)值。其中金馬路—仙鶴門(mén)區(qū)間的測(cè)量結(jié)果如圖3所示。

3 列車(chē)運(yùn)行超速防護(hù)系統(tǒng)

列車(chē)超速防護(hù)系統(tǒng) ATP是列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)ATC的子系統(tǒng)之一，可以自動(dòng)檢測(cè)測(cè)量列車(chē)的位置和實(shí)現(xiàn)列車(chē)間隔控制，以滿(mǎn)足規(guī)定的通過(guò)能力，連續(xù)監(jiān)視列車(chē)的速度，實(shí)現(xiàn)超速防護(hù)。超速防護(hù)系統(tǒng)ATP車(chē)載設(shè)備包括車(chē)載安全計(jì)算機(jī)VC、速度傳感器、軌道信息接收模塊STM及其接收天線(xiàn)、應(yīng)答傳輸模塊BTM及其接收天線(xiàn)、人機(jī)界面DMI以及其他一些設(shè)備接口。其中軌道信息接收模塊 STM用于接收軌道電路信息，STM天線(xiàn)安裝在列車(chē)底部，利用電磁感應(yīng)接收軌道上的電氣信息，并傳送到STM，STM確定載波之后將解調(diào)信息，并傳送給安全計(jì)算機(jī)[7]。為保證其信息的安全有效傳輸，需要對(duì)某些高頻次諧波作特殊限制要求。南京地鐵運(yùn)營(yíng)公司給出了軌道回流諧波中 ATP濾波頻點(diǎn)限值要求，見(jiàn)表1。

圖3 南京地鐵一號(hào)線(xiàn)金馬路—仙鶴門(mén)站間軌道回流電流值測(cè)量結(jié)果圖

表1 南京地鐵1號(hào)線(xiàn)ATP濾波頻點(diǎn)與電流限值表

4 回流諧波分析及對(duì)ATP的影響分析

采用 FFT算法，將測(cè)得的時(shí)域上的軌道回流值轉(zhuǎn)換在頻域上進(jìn)行諧波分析。在實(shí)測(cè)南京地鐵一號(hào)線(xiàn)過(guò)程中，瞬態(tài)記錄儀設(shè)置的采樣頻率為200 kHz，每秒將會(huì)記錄200 k個(gè)數(shù)據(jù)，金馬路—仙鶴門(mén)運(yùn)行時(shí)間為2 min 20 s，在整個(gè)運(yùn)行期間將會(huì)記錄28×106個(gè)數(shù)據(jù)，顯然不可能對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)都進(jìn)行FFT分析。采用按時(shí)間抽取的方式進(jìn)行FFT算法設(shè)計(jì)，設(shè)置采樣頻率為200 kHz，窗口長(zhǎng)度為16，采樣每秒的前216個(gè)點(diǎn)數(shù)做FFT轉(zhuǎn)換分析。以犧牲精確度換取處理速度，在誤差允許的范圍內(nèi)可以認(rèn)為是合理的。為便于表述，記表1中，各頻率為FAk(k=1…12)，電流限值為 IAk(k=1…12)，即 FA1 = 4 750 Hz，IA1= 170 mA；FA2= 5 250 Hz，IA2= 170 mA；…以此類(lèi)推。記IBk(k=1..12)為經(jīng)過(guò)FFT算法處理后的諧波幅值。程序流程如圖4所示。

圖4 基于FFT算法的軌道回流諧波分析程序流程圖

經(jīng)分析得到列車(chē)在整個(gè)站間運(yùn)行期間，IBk(k=1..12)最大時(shí)的輸出如表2所示，其中T′(n)為最大值對(duì)應(yīng)出現(xiàn)的時(shí)間段。將其與 ATP濾波限值用圖形作比較，見(jiàn)圖5。

表2 南京地鐵1號(hào)線(xiàn)ATP濾波頻點(diǎn)諧波最大值與限值表

圖5 諧波電流最大值與限值比較曲線(xiàn)圖

從表 2與圖 5可以看出，在 10 500 Hz與11 500 Hz處出現(xiàn)諧波幅值超過(guò)限值的情況，因此對(duì)這2個(gè)頻點(diǎn)在列車(chē)整個(gè)運(yùn)行期間諧波幅值繪圖，如圖 6、圖 7所示，進(jìn)一步確認(rèn) 10 500 Hz和11 500 Hz在列車(chē)整個(gè)運(yùn)行區(qū)間諧波幅值出現(xiàn)超過(guò)限值的次數(shù)。從圖中可以得到，11 500 Hz諧波幅值超過(guò)限值的次數(shù)很少。而10 500 Hz諧波幅值在80～95 s之間超過(guò)限值的次數(shù)較多，結(jié)合列車(chē)運(yùn)行速度曲線(xiàn)圖發(fā)現(xiàn)列車(chē)此時(shí)處于制動(dòng)減速行駛狀態(tài)，需加強(qiáng)此時(shí)對(duì)ATP安全穩(wěn)定性的考慮。

圖6 整個(gè)站間10 500 Hz幅值變化曲線(xiàn)圖

圖7 整個(gè)站間11 500 Hz幅值變化曲線(xiàn)圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合南京地鐵一號(hào)線(xiàn)對(duì)超速防護(hù)系統(tǒng)ATP濾波頻點(diǎn)要求，實(shí)測(cè)金馬路—仙鶴門(mén)站軌道回流，采用FFT算法分析軌道回流諧波中ATP要求的濾波頻點(diǎn)，得到10 500 Hz與11 500 Hz頻率幅值超過(guò)限值，其中多次出現(xiàn)10 500 Hz諧波幅值超過(guò)限值，結(jié)合列車(chē)運(yùn)行速度曲線(xiàn)圖猜測(cè)可能是列車(chē)在制動(dòng)減速運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)了對(duì) ATP信號(hào)傳輸有影響的諧波，此時(shí)需加強(qiáng)注意ATP的安全運(yùn)行情況。因諧波來(lái)源復(fù)雜，測(cè)試條件和本人知識(shí)有限等因素，本文僅給出軌道回流的測(cè)試方法，以及結(jié)合列車(chē)防護(hù)系統(tǒng) ATP濾波頻點(diǎn)的要求，給出一種分析特定諧波是否會(huì)對(duì)ATP信號(hào)傳輸產(chǎn)生影響的方法。猜測(cè)列車(chē)運(yùn)行狀態(tài)可能是使某些特定諧波幅值超過(guò)限值的因素，尚未分析這些幅值超過(guò)限值的諧波對(duì)ATP的具體影響，還有待繼續(xù)研究。

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On basis of actual measured track return current value from Golden Road-Xianhemen of Line 1 of Nanjing metro, starting from requirements of ATP filtering wave frequency point for train protection system, the harmonic wave analysis method is obtained for analyzing great impact to ATP filtering frequency point within components of track circuit return current. Finally, with reference of data analysis results, it puts forward that the track return current harmonic wave will be affected by the train operation status.

Track return current; harmonic wave; ATP; filtering frequency point

U231.8

：B

：1007-936X(2015)04-0047-04

2014-11-10

劉兆青.南京理工大學(xué)，碩士研究生，電話(huà)：15705180961；

胡文斌.南京理工大學(xué)，副教授；

胡 陽(yáng).南京理工大學(xué)，碩士研究生；

呂建國(guó).南京理工大學(xué)，博士研究生。

江蘇省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目，編號(hào)：BE2013125。