余　俊，陸　陽(yáng)，陳　波，周　毅

(1.北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，北京　100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京　100081)

動(dòng)車組從主電路到輔助回路，再到控制系統(tǒng)、信號(hào)通訊系統(tǒng)，各種電氣和電子設(shè)備工作頻帶越來(lái)越寬，這就使得其成為1個(gè)帶有復(fù)雜電磁能力的巨大移動(dòng)發(fā)射源[1]。

雖然以往針對(duì)動(dòng)車組電磁騷擾的研究不多，但是已經(jīng)開始引起人們的重視。文獻(xiàn)[2]利用Matlab/Simulink仿真軟件建立動(dòng)車組升弓仿真模型，分析了高壓電器系統(tǒng)串聯(lián)電感和并聯(lián)RC濾波器對(duì)升弓電磁暫態(tài)的改善效果。文獻(xiàn)[3]利用有限元法的三維電磁仿真軟件構(gòu)建模型，評(píng)估司機(jī)室在高頻電磁環(huán)境下的安全性。這些研究注重仿真，缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)，且研究對(duì)象為部件級(jí)，未上升到整車級(jí)，與實(shí)際電磁騷擾特性存在差距。

本文首次對(duì)我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的350 km·h-1中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組(以下簡(jiǎn)稱動(dòng)車組)展開整車電磁騷擾研究，從整車級(jí)對(duì)外電磁騷擾的本質(zhì)出發(fā)，基于試驗(yàn)室牽引組合系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及動(dòng)車組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析和驗(yàn)證對(duì)外電磁騷擾抑制措施，為動(dòng)車組設(shè)計(jì)制造提供依據(jù)。

1　整車對(duì)外電磁騷擾試驗(yàn)

在動(dòng)車組整車型式試驗(yàn)中，對(duì)外電磁騷擾試驗(yàn)依據(jù)文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]進(jìn)行。

試驗(yàn)時(shí)，在距軌道中心10 m的位置架設(shè)用于測(cè)試不同頻段的不同型號(hào)天線，其中包括R&S公司的HFH2-Z2型環(huán)形天線(測(cè)試結(jié)果為磁場(chǎng)強(qiáng)度換算值)，HK116型雙錐天線以及HL223型對(duì)數(shù)周期天線(測(cè)試結(jié)果為電場(chǎng)強(qiáng)度換算值)。接收機(jī)采用R&S公司的ESR型EMI認(rèn)證級(jí)接收機(jī)。測(cè)試天線和接收機(jī)擺放位置如圖1所示。圖中：x為天線長(zhǎng)度。

電場(chǎng)強(qiáng)度換算值與電場(chǎng)強(qiáng)度的換算關(guān)系為

E′=20lgE

(1)

式中：E′為電場(chǎng)強(qiáng)度換算值， dBμV·m-1；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，μV·m-1。

磁場(chǎng)強(qiáng)度換算值與磁場(chǎng)強(qiáng)度的換算關(guān)系為

H′=20lgH

(2)

式中：H′為電場(chǎng)強(qiáng)度換算值， dBμA·m-1；H為電場(chǎng)強(qiáng)度，μA·m-1。

圖1　測(cè)試天線和接收機(jī)的擺放位置

試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試動(dòng)車組靜態(tài)和動(dòng)態(tài)工況下9～106kHz的對(duì)外電磁騷擾。測(cè)試頻段分9個(gè)，分別為9～59，50～150，150～1150 kHz和1～11，10～20，20～30，30～230，200～500，500～1 000 MHz(其中第3，第4和第5頻段為AM廣播占用頻段，第7頻段為FM廣播及電視信號(hào)占用頻段，第8頻段為民用對(duì)講通訊占用頻段，第9頻段為手機(jī)通訊占用頻段)。

不同工況下的測(cè)試方法如下。

(1)靜態(tài)工況：動(dòng)車組的所有系統(tǒng)和設(shè)備處于正常工作狀態(tài)，輔助變流器滿負(fù)荷運(yùn)行，牽引變流器通電，但不啟動(dòng)牽引電機(jī)。對(duì)該工況采用接收機(jī)的準(zhǔn)峰值檢波器模式進(jìn)行測(cè)試，捕捉動(dòng)車組靜態(tài)時(shí)的準(zhǔn)峰值射頻騷擾，以兼顧試驗(yàn)測(cè)試精度和效率。

(2)動(dòng)態(tài)工況：動(dòng)車組以(50±10) km·h-1速度運(yùn)行，當(dāng)經(jīng)過測(cè)試天線時(shí)，在該給定速度范圍內(nèi)動(dòng)車組以約1/3最大牽引力進(jìn)行加速或減速。對(duì)該工況采用接收機(jī)的頻譜儀峰值檢波器模式進(jìn)行測(cè)試，捕捉動(dòng)車組整列通過時(shí)的峰值射頻騷擾。數(shù)據(jù)采集過程：在動(dòng)車組1號(hào)車經(jīng)過天線前開始采集數(shù)據(jù)，直至8號(hào)車完全通過時(shí)停止采集數(shù)據(jù)，以充分評(píng)估整列動(dòng)車組對(duì)外電磁騷擾的特性。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

靜態(tài)工況的測(cè)試結(jié)果顯示，所有頻段的電場(chǎng)強(qiáng)度換算值及磁場(chǎng)強(qiáng)度換算值均滿足GB 24338.3—2009《軌道交通 電磁兼容 第3-1部分：機(jī)車車輛 列車和整車》中的限值要求。

動(dòng)態(tài)工況的測(cè)試結(jié)果顯示，9～59，50～150，150～1150 kHz和30～230 MHz頻段的電場(chǎng)強(qiáng)度換算值和磁場(chǎng)強(qiáng)度換算值超標(biāo)，1～11，10～20，20～30，200～500，500～1 000 MHz頻段的電場(chǎng)強(qiáng)度換算值和磁場(chǎng)強(qiáng)度換算均滿足GB 24338.3—2009中的限值要求。

整車對(duì)外射頻騷擾測(cè)試超標(biāo)結(jié)果如圖2所示。

圖2　整車對(duì)外電磁騷擾測(cè)試超標(biāo)頻段的測(cè)試結(jié)果

動(dòng)車組內(nèi)牽引組合系統(tǒng)(變壓器、四象限變流器、牽引逆變器、電機(jī))和輔助負(fù)載(空調(diào)、充電機(jī)、風(fēng)機(jī)、逆變電源、壓縮機(jī)、照明、ATP車地通訊、旅客信息系統(tǒng)、司機(jī)室對(duì)講臺(tái)等)都可能是騷擾源[6]。而從圖2可見，不合格頻段的換算值波形呈寬頻帶階躍狀脈沖，而非窄帶單頻點(diǎn)超標(biāo)脈沖，因此可以排除ATP車地通訊、旅客信息系統(tǒng)、司機(jī)室對(duì)講臺(tái)等設(shè)備的電磁輻射影響。

靜態(tài)工況的測(cè)試結(jié)果未超出限值，而動(dòng)態(tài)工況的測(cè)試結(jié)果超出限值，由此分析動(dòng)態(tài)和靜態(tài)測(cè)試過程中動(dòng)車組設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)可知，對(duì)靜態(tài)工況和動(dòng)態(tài)工況進(jìn)行測(cè)試時(shí)輔助負(fù)載都是全部啟動(dòng)的，差別就在于由變壓器、變流器、電機(jī)組成的牽引組合系統(tǒng)在靜態(tài)工況下不整體運(yùn)行、而在動(dòng)態(tài)工況下進(jìn)入整體運(yùn)行工作狀態(tài)。那么，動(dòng)車組對(duì)外電磁騷擾的主要騷擾源可以確認(rèn)為牽引組合系統(tǒng)。因此有必要對(duì)牽引組合系統(tǒng)的對(duì)外電磁騷擾進(jìn)行抑制。

3　牽引組合系統(tǒng)對(duì)外電磁騷擾抑制的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

雖然標(biāo)準(zhǔn)GB 24338.3—2009要求整車采用10 m法進(jìn)行測(cè)量，但根據(jù)IEC 62236-3-2—2008 《Railway Applications-Electromagnetic Compatibility Part 3-1：Rolling Stock-Apparatus》[7]的要求，對(duì)牽引變流器整機(jī)不要求進(jìn)行對(duì)外電磁騷擾試驗(yàn)。由于不同整改措施在動(dòng)車組上進(jìn)行實(shí)車施工有周期長(zhǎng)、影響運(yùn)行等不利因素，因此仍需在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)騷擾源即牽引組合系統(tǒng)進(jìn)行整改試驗(yàn)。

目前電磁兼容領(lǐng)域的電磁騷擾抑制技術(shù)主要有屏蔽技術(shù)、接地技術(shù)、濾波技術(shù)3種。由于動(dòng)車組的動(dòng)力學(xué)和弓網(wǎng)試驗(yàn)都已經(jīng)通過驗(yàn)收考核，考慮到采用濾波器會(huì)增加車體重量，影響整車電氣布局，故不將濾波技術(shù)作為牽引組合系統(tǒng)對(duì)外電磁騷擾抑制技術(shù)的首選，以免影響動(dòng)車組其他電氣及機(jī)械性能。牽引組合系統(tǒng)的強(qiáng)電流通路為變流器的電機(jī)側(cè)電纜和變壓器側(cè)電纜，故著重對(duì)牽引變壓器至牽引變流器間的電纜以及變流器至電機(jī)的電纜更換為屏蔽電纜，并對(duì)電纜進(jìn)行雙端接地。另外，考慮到變流器箱體內(nèi)部大功率高頻率IGBT開關(guān)元器件對(duì)外部空間的電磁騷擾，還對(duì)變流器箱體上進(jìn)出線口處的縫隙進(jìn)行了鋁箔屏蔽處理，即在變流器進(jìn)出線口處采用雙面導(dǎo)電的鋁箔，且保證鋁箔與接地螺栓連接，施工圖如圖3所示。

為獲得牽引組合系統(tǒng)對(duì)外電磁騷擾數(shù)據(jù)，以驗(yàn)證整改優(yōu)化措施的有效性，在封閉的交流傳動(dòng)試驗(yàn)室對(duì)牽引組合系統(tǒng)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁騷擾進(jìn)行了測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)采用的異步電機(jī)背靠背、交流能量互饋系統(tǒng)原理[8]如圖4所示。

圖3　進(jìn)出線口加鋁箔屏蔽的施工圖

圖4　異步電機(jī)背靠背、交流能量互饋系統(tǒng)原理

3.1　變流器電機(jī)側(cè)電纜屏蔽的抑制效果

電機(jī)側(cè)采用屏蔽電纜后，在所測(cè)試的9個(gè)頻段中，9～59和50～150 kHz低頻段的對(duì)外電磁騷擾有10～20 dBμA·m-1的優(yōu)化效果(如圖5所示)，其他頻段的優(yōu)化效果不明顯。

圖5不同頻段下變流器電機(jī)側(cè)電纜屏蔽后對(duì)外電磁騷擾抑制效果對(duì)比

3.2　變流器變壓器側(cè)電纜屏蔽的抑制效果

變壓器側(cè)采用屏蔽電纜后，在所測(cè)試的9個(gè)頻段中，對(duì)外電磁騷擾改善良好的頻段包括150～1 150 kHz和1～11，10～20，30～230 MHz，抑制前后效果如圖6所示。其中，150～1 150 kHz和10～20，30～230 MHz頻段的優(yōu)化效果最明顯，部分頻率有15～30 dBμA·m-1(dBμV·m-1)的改善效果。

圖6不同頻段下變流器變壓器側(cè)電纜屏蔽后對(duì)外電磁騷擾抑制效果對(duì)比

3.3　變流器箱體電磁屏蔽的抑制效果

對(duì)比整改前后的測(cè)試數(shù)據(jù)，在所測(cè)試的9個(gè)頻段中，30～230 MHz頻段的電場(chǎng)強(qiáng)度換算值有2～5 dBμV·m-1的優(yōu)化，如圖7所示；其他頻段的抑制效果不明顯。

圖7　增加鋁箔后30～230 MHz對(duì)外電磁騷擾抑制效果

4　實(shí)車整改及試驗(yàn)

為了將交流傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室的研究成果應(yīng)用到整車對(duì)外電磁騷擾抑制中，結(jié)合動(dòng)車組電氣設(shè)計(jì)原理及現(xiàn)場(chǎng)施工情況，制定實(shí)車整改策略，具體如下。

(1)考慮到屏蔽電纜具有良好的對(duì)外電磁騷擾抑制性能，依據(jù)實(shí)車無(wú)法全部更換屏蔽電纜的實(shí)際情況，將牽引組合系統(tǒng)的電纜用雙端接地的銅網(wǎng)進(jìn)行屏蔽。

(2)通過交流傳動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)室試驗(yàn)可知，在變流器箱進(jìn)出線口處采用鋁箔，對(duì)電磁騷擾有一定的抑制效果。因此利用鋁箔對(duì)變流器箱體縫隙進(jìn)行屏蔽。

(3)為了更好地讓車體起到電磁屏蔽的作用，對(duì)牽引變流器兩側(cè)的裙板(共4塊，每側(cè)各2塊)添加接地線。

(4)在動(dòng)車組設(shè)計(jì)階段，為了平衡車體電勢(shì)差，避免過大的車體電壓燒損絕緣層較弱的傳感器，動(dòng)車組為多點(diǎn)接地(每個(gè)動(dòng)力單元有多個(gè)保護(hù)接地和1個(gè)工作接地，見圖9)。可根據(jù)電磁兼容經(jīng)典理論，由于多點(diǎn)接地會(huì)引入更多的環(huán)路通道，形成天線效應(yīng)，從而增大動(dòng)車組的對(duì)外電磁騷擾，因此實(shí)車整改時(shí)動(dòng)車組變更為單點(diǎn)接地(每個(gè)動(dòng)力單元有1個(gè)保護(hù)接地和1個(gè)工作接地，見圖10)。

為了研究動(dòng)車組上述整改策略特別是多點(diǎn)接地和單點(diǎn)接地方式對(duì)電磁騷擾特性的影響，2016年1月，在大西客運(yùn)專線分別測(cè)試動(dòng)車組保留1，2，7和8車保護(hù)接地(多點(diǎn)接地)以及摘除1，2，7和8車保護(hù)接地(單點(diǎn)接地)的對(duì)外電磁騷擾特性，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。由圖11可見：保護(hù)接地摘除后(即動(dòng)車組由多點(diǎn)接地改為單點(diǎn)接地后)9～59 kHz及30～230 MHz對(duì)外電磁騷擾有5～10 dBμA·m-1(或 dBμV·m-1)的抑制，其他7個(gè)頻段抑制效果不明顯。并且整車試驗(yàn)中傳感器未出現(xiàn)過電壓燒損現(xiàn)象。

圖8　實(shí)車整改措施

圖9　動(dòng)車組多點(diǎn)接地方案

圖10　動(dòng)車組單點(diǎn)接地方式

圖11　不同頻段保護(hù)接地摘除前后對(duì)外電磁騷擾對(duì)比

整改后，動(dòng)車組9～106kHz全部9個(gè)頻段的電場(chǎng)強(qiáng)度換算值及磁場(chǎng)強(qiáng)度換算值均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上所述，電磁騷擾整改策略只是動(dòng)車組設(shè)計(jì)制造完成后出現(xiàn)測(cè)試不合格現(xiàn)象時(shí)的補(bǔ)救措施。為提高動(dòng)車組整車的對(duì)外電磁騷擾性能，最有效手段仍然是在設(shè)計(jì)研發(fā)過程中考慮牽引組合系統(tǒng)的對(duì)外電磁騷擾，提前采取抑制措施。聯(lián)系本文所進(jìn)行的試驗(yàn)及結(jié)論，建議在量產(chǎn)動(dòng)車組前，應(yīng)將牽引變流器的輸入、輸出電纜設(shè)置為屏蔽電纜，并對(duì)牽引變流器箱體進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計(jì)。

5　結(jié)　語(yǔ)

本文對(duì)350 km·h-1中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組進(jìn)行了對(duì)外電磁騷擾試驗(yàn)，通過對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，確定了以牽引組合系統(tǒng)為主體的對(duì)外電磁騷擾源。采取電磁騷擾抑制技術(shù)對(duì)牽引組合系統(tǒng)進(jìn)行整改，并在交流傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室完成系統(tǒng)級(jí)對(duì)外電磁騷擾測(cè)試，確認(rèn)變流器輸入輸出電纜使用銅網(wǎng)雙端接地的屏蔽電纜、變流器箱體用鋁箔屏蔽等措施的有效性。結(jié)合動(dòng)車組電氣設(shè)計(jì)原理以及現(xiàn)場(chǎng)施工條件，制定了電纜銅網(wǎng)雙端接地、箱體鋁箔屏蔽以及整車單點(diǎn)接地的抑制對(duì)策，實(shí)車整改后，整車對(duì)外電磁騷擾的電場(chǎng)強(qiáng)度換算值和磁場(chǎng)強(qiáng)度換算值均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

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