趙強，劉亞飛，馬志瑜，李鋒

(中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)①

伊斯蘭教歷時十二個月，以百萬計的穆斯林前往沙特麥加朝覲，中車長客制造輕軌列車為往返于朝覲地點的穆斯林提供運營服務.朝覲運營最高峰單向輸送旅客達72 000 人·次/h，最短追蹤間隔時間70 s，超強性負荷快速運載對列車運營安全性提出了更高要求，任何影響運營安全的因素都必須予以高度關(guān)注并在朝覲運營前得到根本解決.

朝覲運營演練車輛、信號、供電及站臺設備系統(tǒng)安全問題研討會中，信號系統(tǒng)供應商提出車輛運營過程中發(fā)現(xiàn)存在軌道電路信號變換延時、自動駕停車車門對位超限問題，認為列車牽引系統(tǒng)產(chǎn)生電流諧波分量頻率與地面信號系統(tǒng)的工作頻率處于同一頻率范圍內(nèi)的干擾信號超過信號系統(tǒng)抗干擾限值要求,影響信號系統(tǒng)的正常工作.

為充分保證朝覲期間運營安全性，將發(fā)生風險的可能性降低到最小，中車長客根據(jù)沙特業(yè)主要求針對列車與軌道電路信號系統(tǒng)EMC問題開展分析、測試、評估工作確定問題解決方案.

1 牽引系統(tǒng)與軌道電路EMC干擾問題

電磁兼容指目標應具備的一種能力，即目標在既定工作環(huán)境下不因工作電磁環(huán)境發(fā)生不可接受的性能降級或失效，也不會產(chǎn)生不可接受的電磁發(fā)射[1].

沙特輕軌的電磁兼容問題一方面是列車及其牽引系統(tǒng)會產(chǎn)生電磁干擾，一方面是地面信號系統(tǒng)的抗電磁干擾能力薄弱.因此，應采取措施降低對外部的電磁干擾，同時也應提高信號系統(tǒng)的抗干擾能力.

1.1 牽引系統(tǒng)諧波電流產(chǎn)生機理

沙特輕軌牽引采用直-交型傳動方式，系統(tǒng)設計在滿足車輛動力性能、故障運行/救援能力及實現(xiàn)預期的行駛速度的前提下，充分考慮參數(shù)匹配、特殊運行工況及電磁兼容性要求.

牽引系統(tǒng)中逆變器產(chǎn)生的干擾電流經(jīng)回流線流入鐵軌，影響到軌道電路的正常工作[2].逆變器作為牽引系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一，其主要功能是實現(xiàn)直流和交流間的電能量轉(zhuǎn)換，整個控制轉(zhuǎn)換過程通過逆變橋、控制邏輯和濾波電路等核心部件共同作用實現(xiàn).在牽引高壓直流輸入電通過IC高頻放大推動MOS管轉(zhuǎn)換為高頻交流電的過程中，附加產(chǎn)生了交流電工頻諧波分量，其中一些諧波成分落在信號工作頻帶內(nèi)，會通過不平衡電流的方式對軌道電路設備造成電磁干擾.

牽引諧波電流對信號系統(tǒng)的干擾影響不僅需要考慮產(chǎn)生諧波分量頻率范圍，也要結(jié)合列車在不同的工況下(啟動、加速、勻速、減速、制動)引起的各次諧波分量比例、幅值的變化規(guī)律進行全面分析.因此，為確定諧波電流是否會對信號系統(tǒng)產(chǎn)生影響，需要嚴格把握牽引系統(tǒng)工作時的各種狀態(tài)，分析各種不同狀態(tài)下逆變器產(chǎn)生的干擾電流.

1.2 軌道電路工作機理

列車回流線流經(jīng)地面信號系統(tǒng)的干擾電流是否會影響地面信號系統(tǒng)的正常工作，不能只考慮干擾電流的大小，更應考慮地面信號系統(tǒng)的抗干擾水平[3].沙特輕軌地面信號系統(tǒng)主要為Thales軌道電路，電路頻率范圍為350～520 Hz，工作電流值范圍為150～200 mA，其原理如圖1所示.

圖1 軌道電路原理圖

軌道電路的發(fā)射機發(fā)出低頻信號經(jīng)放大器、浪涌保護器、軌道濾波器、浪涌分流器等傳送至鐵軌后到接收端；接收端連接鐵軌的一端是初級線圈，另一端是浪涌分流器、阻抗諧振器，通過鐵軌流經(jīng)初級線圈的電流會在初級線圈中產(chǎn)生磁場.次級線圈與初級線圈共同包裹在一個復合線圈內(nèi)，次級線圈與初級線圈的磁場切割面相同，線圈匝數(shù)不同；次級線圈中的感應電流經(jīng)濾波器、放大器到達軌道電路的繼電器，繼電器由于受到電流的作用會產(chǎn)生“上拉”和“下拉”動作.當繼電器接收到了所發(fā)送的信號時，說明該段軌道上沒有列車經(jīng)過，信號順利經(jīng)鐵軌抵達接收端，繼電器顯示為“下拉”狀態(tài)；當繼電器沒有收到所發(fā)送的信號時，則發(fā)射機發(fā)出的信號沒有順利通過軌道，說明該段軌道上有列車經(jīng)過，列車與鐵軌的回路將所發(fā)送信號短路，此時繼電器顯示為“上拉”狀態(tài).

基于這樣的原理，實際的軌道電路中就存在著兩種可能出現(xiàn)的問題.第一種情況是正面失誤，即該段軌道上無列車通過，但繼電器仍沒有正常接收到信號，錯誤的顯示為“上拉”狀態(tài)，在實際軌道上無車的情況下，軌道電路顯示有車的狀態(tài).雖然正面失誤會造成軌道電路的誤判操作，但是這種情況并不會造成嚴重的后果；第二種情況則需要特別的注意，稱為負面失誤，即該段軌道上有列車通過，發(fā)射機所發(fā)出的信號被列車短路應不會被繼電器接收到，但由于干擾電流的存在或其他方面原因，致使繼電器被錯誤地“下拉”或不能被“抬高”，錯誤地顯示該段軌道上沒有列車經(jīng)過.此時就面臨著十分危險的情況，極容易造成兩車的相撞，故負面失誤問題是軌道電路極力規(guī)避的錯誤.

2 問題解決方法及測試方案

根據(jù)牽引諧波電流產(chǎn)生原因和軌道電路工作機理的分析可知，牽引系統(tǒng)可能是主要電磁干擾源，其工作時附加產(chǎn)生的高次諧波分量如果與軌道電路的工作頻率處于同一頻率范圍內(nèi)，會通過回流線和軌道對軌道電路造成干擾.軌道電路接收端濾波器的頻率帶寬響應非常窄，缺點是只需要較小與其工作頻率相同的干擾電流就有可能錯誤地啟動接收器，從而引發(fā)負面失誤，干擾使軌道繼電器不能正常拉低或者在有車被占用時處于抬高狀態(tài)，這樣導致軌道電路在被占用時卻顯示空車狀態(tài).

從解決沙特輕軌電磁兼容問題角度而言，確定問題解決方法及具體實施方案需要明確三個主要問題：

(1)列車回流線產(chǎn)生的干擾電流A究竟是多少？

(2)回流線上的干擾電流如何流至地面信號系統(tǒng)的接收端，接收端的干擾電流B是多少？

(3)軌道電路信號系統(tǒng)的傳導抗擾度C是多少？

剖析以上三個問題發(fā)現(xiàn)，問題(1)的干擾電流A是應該大于問題(2)中的干擾電流B，因為問題(1)中的干擾電流A是問題(2)中干擾電流B的來源.同時，問題(3)中的抗擾度值C需要大于問題(2)中的干擾電流B，才能使軌道客車處于正常工作狀態(tài).另外，問題(3)中的抗擾度值C與問題(2)中的干擾電流B之差，正是沙特業(yè)主十分關(guān)注的地面信號系統(tǒng)的安全裕度.

因此，為了明確上述3個問題，相應地提出了問題解決測試方案：

問題(1)列車(AW3)回流線的傳導發(fā)射測試；

問題(2)列車(AW3)對軌道電路干擾電流測試；

問題(3)軌道電路信號系統(tǒng)的電磁抗擾度測試.

其中，AW3指的是每平方米有9個人的負載，列車處于AW3狀態(tài)時已處于超載和狀態(tài)，相比AW0AW1AW2載荷狀態(tài)，列車運行時會需要更大的牽引或制動能量，說明列車的運行已進入相對惡劣情況，對此時條件下的列車進行電磁傳導發(fā)射和傳導抗擾度測試，相對而言可以獲得更可靠的測試結(jié)果.

3 電磁兼容問題影響分析

在充分明確電磁兼容問題解決方法和測試方案的基礎上，為了全面深入地進行問題影響分析評估，需要分別從列車諧波干擾電流、軌道電路接收端內(nèi)干擾電流及軌道電路電磁抗擾度三方面進行了仿真分析及試驗測試，以期通過數(shù)據(jù)分析確定軌道電路在牽引諧波存在條件下工作敏感性結(jié)論.

3.1 列車產(chǎn)生諧波干擾電流

為了確定最壞條件下列車在軌道上的干擾電流限值，首先對其牽引系統(tǒng)(包括逆變器VVVF和輔助逆變器SIV)在軌道電路工作頻率上進行了異步模式和單脈沖模式仿真預測.仿真計算得出整車的干擾回流值不超過車輛設計對牽引系統(tǒng)所提的技術(shù)限值1.8 A，這在理論層面上說明諧波電流不會對信號系統(tǒng)產(chǎn)生干擾.為進一步對比仿真數(shù)據(jù)同時驗證真實工況下牽引產(chǎn)生諧波干擾電流值,分別獨立地采用A方式和B方式在軌道電路工作頻率點上進行了列車回流線傳導發(fā)射測試，兩者的測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示.

表1 列車回流線傳導發(fā)射測試的測試結(jié)果

從表1可以發(fā)現(xiàn)，二者列車回流線傳導發(fā)射的測試結(jié)果處于同一數(shù)量級，整車回流數(shù)值差在0.057～0.725之間.需要強調(diào)的是：牽引電流的諧波含量十分豐富，頻帶和幅值變化范圍很大.測試結(jié)果不僅與采集信號傳感器精度有關(guān)，同時與頻譜儀所設置的分辨率帶寬有一定的關(guān)系，分辨率帶寬越寬，進入該頻譜儀中頻濾波器能量越多(包括隨機噪聲和其他頻率相鄰的信號)測試數(shù)據(jù)的幅值則越高.A方式和B方式采用分辨率帶寬分別為4 Hz和10 Hz，故A方式測試數(shù)據(jù)結(jié)果略高.對于384 Hz頻點上測試結(jié)果的接近性，說明此頻段上采集信號經(jīng)濾波后的有效諧波分量可分辨帶寬集中于4 Hz附近；而387 Hz頻點上數(shù)值達到0.725的情況則正好相反.

3.2 軌道電路接收端內(nèi)干擾電流

部分軌道電路信號系統(tǒng)工作頻點上諧波電流高于其正常工作電流并不能說明一定會造成干擾，真正會造成干擾的是流經(jīng)軌道電路接收端內(nèi)的干擾電流.該電流不僅與列車的諧波電流有關(guān)，而且與地鐵的軌道實際情況有關(guān)，電流的大小更取決于后者.因此，有必要對軌道電路接收端內(nèi)的干擾電流進行更進一步地測試分析.

因此，分別應用不同測試方法在列車AW3工況下針對軌道電路接收端干擾電流運行了測試.圖2示意了兩種測試方法電流鉗測量干擾電流值所夾位置，并簡明地反映了列車的電流是如何提供和如何返回的.如果兩個鐵軌上的軌道回流是完全平衡的，在阻抗軌隙連接器處各電流成分會匯聚在一起.實際上，兩個鐵軌上的軌道回流是不可能完全平衡的，一部分回流會流入到軌道電路，但是能夠肯定的是，軌道電路上的干擾電流要比列車的傳導發(fā)射電流小得多[4].

圖2 列車干擾電流兩種不同的測試現(xiàn)場

方式2采用半列車進行了三次傳導發(fā)射測試，從測試結(jié)果可以看出頻率為375 Hz的干擾電流和列車速度之間關(guān)系，如圖3所示.

(a) 列車加速至72 km/h和減速至44 km/h

從圖3(a)可看出，當列車加速至72 km/h并準備開始減速時，最大干擾電流值為0.275 A，其他相對較大的干擾電流值分別對應的是44 km/h時的0.250 A，55 km/h時的0.248 A；從圖3(b)可看出，72 km/h時，最大干擾電流為0.225 A，另一個相對較大的干擾電流值是43 km/h時的150 mA.從圖3(c)可看出，當列車加速至85 km/h并準備開始減速時，最大干擾電流值為0.275 A，其他相對較大的干擾電流值分別對應的是70 km/h時的0.232 A，45 km/h時的0.15 A.總的來說，當列車開始制動或加速到70～80 km/h時產(chǎn)生最大干擾電流，由于不同的列車加速和測試條件，最大干擾電流值出現(xiàn)在不同的速度.

因為是用半列車進行測試，因此整車的最大干擾電流計算公式如下：

此外，方式2選擇分辨率帶寬為1 Hz和4.8 Hz頻率上進行傳導發(fā)射測試，如圖4所示，不同分辨率帶寬下，出現(xiàn)最大干擾電流時的列車速度是不同的.鑒于濾波器的帶寬為1 Hz，因此軌道電路傳導發(fā)射電流測試的分辨率帶寬最好也應選為1 Hz.

(a) 列車最大加速狀態(tài)

在軌道電路的干擾電流測試過程中，列車運行過程大致可分為三個階段：最大加速，以22 km/h勻速運行，制動減速.頻譜分析儀設置為最大保持狀態(tài)，所以當列車制動減速時能夠捕獲最大電流.

方式1測試中采用分辨率帶寬為3 Hz時，初級線圈在374.6 Hz時最大干擾電流為0.441 A；分辨率帶寬設置為3 Hz，干擾電流約是分辨率帶寬為1 Hz時的3倍.對比方式2的測試結(jié)果，分辨率帶寬為1 Hz時軌道電路的最大電流值(大約為0.441 A的三分之一)要遠小于分辨率帶寬為1 Hz時列車的最大電流值0.389 A.

3.3 軌道電路電磁抗擾度

軌道電路敏感與否是通過其內(nèi)部繼電器從初始的“拉高”狀態(tài)跳轉(zhuǎn)至“拉低”狀態(tài)來判定的.其電磁抗擾度測試通過向電路接收端的初級線圈向軌道電路注入干擾方式進行測試.由于軌道電路擁有多個工作頻率分布在375～506 Hz之間，相鄰導軌的信號如果頻率相同，則可能通過濾波器進入繼電器，造成錯誤.因此必須使相鄰導軌之間工作頻率錯開，同時由于信號沿鐵軌傳遞衰減，滿足一定距離后，信號單元可采用相同工作頻率而不發(fā)生相互干擾.間隔距離判斷的主要依據(jù)就是軌道電路的靈敏度，此外，信號系統(tǒng)的頻率響應也是重點需要考慮的因素[5].

由于電路的頻率響應帶寬十分窄(僅1 Hz)，那么就需要在主要工作頻率附近每隔3 Hz進行測試，同時在其他位置選擇多個頻點測試以確保充分考察軌道電路的抗擾度.假設濾波器的頻率響應曲線都是一致的，故可以選取工作頻率為375 Hz的軌道電路進行測試.

通過重復4次敏感電流值的測試，中心頻率為375 Hz的軌道電路的敏感電流值見表2,其他60～525抽樣頻率上測試得出的敏感電流值均為5 A，平均敏感電流曲線如圖5所示.

表2 重復測試4次，375 Hz時的敏感電流值

圖5 軌道電路平均敏感電流曲線

可以看出，在中心頻率375 Hz時，最小敏感電流值為0.615 A，平均敏感電流值為0.639 A.當軌道電路工作在中心頻率時，初級線圈的干擾電流超過了0.615 A的電流閾值，列車繼電器會錯誤地進入拉高狀態(tài)，軌道電路會在被占用時下顯示空車信息.

從軌道電路接收端濾波器頻率響應角度考慮，其頻率響應的曲線如圖6所示，頻響帶寬非常窄，所以在軌道電路敏感電流曲線中，只在非常窄的帶寬才內(nèi)會發(fā)生敏感現(xiàn)象.

圖6 濾波器頻率響應

3.4 數(shù)據(jù)綜合對比分析

綜合牽引諧波干擾電流、軌道內(nèi)干擾電流及軌道抗干擾電流測試數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：①牽引諧波電流設計上滿足軌道電路軌道限值要求，軌道電路可能受影響最為嚴重的工作頻率在375 Hz附近；②軌道電路接收器初級線圈的最大干擾電流應小于列車的最大傳導電流，最大干擾電流在列車加速或減速至70～80 km/h附近時測得，分辨率帶寬為1 Hz時軌道電路的最大電流值0.147 A,要遠小于列車受流器上的最大傳導電流值0.389 A;③軌道電路抗擾度在頻率為375 Hz時的最小敏感電流值為0.615 A，當初級線圈的干擾電流超過了0.615 A的電流閾值，列車繼電器會錯誤的進入拉低狀態(tài)，軌道電路會在被占用時顯示空車信息；④在確定的測試環(huán)境和測試條件下，最大傳導電流值0.要比375 Hz的最小敏感電流0.615 A小得多.

綜上可知，沙特輕軌軌道電路在列車牽引諧波存在條件下不會產(chǎn)生電磁兼容敏感.

4 結(jié)論

列車牽引系統(tǒng)諧波電流與地面信號系統(tǒng)電磁兼容問題一直是影響列車運營安全的關(guān)鍵性問題，車輛系統(tǒng)制造商不僅要在車輛集成設計階段對牽引系統(tǒng)在軌道電路工作頻率內(nèi)的干擾電流提出限值要求，同時還要在車輛交付試驗階段與地面信號系統(tǒng)供應商共同進行實地測試、數(shù)據(jù)采集、進行全面深入分析以驗證車輛與軌道電路兼容性滿足車輛運營安全性要求.

本文以沙特輕軌列車諧波電流對軌道電路信號系統(tǒng)的EMC影響問題為實際應用案例，從諧波干擾電流仿真和測試、軌道電路接收端干擾電流及軌道電路電磁抗擾度三個角度進行分析，考慮不同的速度和列車的運行狀態(tài)的影響，綜合不同測試方法形成的數(shù)據(jù)結(jié)果形成了一個全面完整的分析結(jié)論，對車輛建造項目交付過程進行列車與軌道電路兼容性驗證具有一定實踐應用參考意義.