余 俊，蘇發(fā)明，黃 金，陳煥玉，李 強(qiáng)

（1 動(dòng)車(chē)組和機(jī)車(chē)牽引與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094；3 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所，北京100081）

鐵道機(jī)車(chē)車(chē)輛在線受流發(fā)生能量轉(zhuǎn)換以多種方式對(duì)外部空間發(fā)出電磁騷擾［1］。電氣化鐵路系統(tǒng)的牽引諧波電流可通過(guò)電磁感應(yīng)對(duì)模擬通信線路產(chǎn)生噪聲影響［2］。通信系統(tǒng)工作功率一般在毫瓦級(jí)，相比功率為兆瓦級(jí)的機(jī)車(chē)車(chē)輛，相差懸殊。人耳音頻感受頻率20 Hz～20 kHz，機(jī)車(chē)車(chē)輛以50 Hz為基頻，主要分布在5 kHz 以?xún)?nèi)的諧波正好覆蓋人耳最敏感的音頻頻率范圍，標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)［3］和［4］分別用等效干擾電流或噪聲計(jì)電流量化諧波干擾對(duì)通信線路的影響。瑞典國(guó)家鐵路公司Svensson 在Moholm 至Skovde 的線路上測(cè)試了基于晶閘管電力機(jī)車(chē)噪聲計(jì)電流，評(píng)估其對(duì)通信系統(tǒng)的影響［5］。中國(guó)電力科學(xué)研究院崔鼎新針對(duì)我國(guó)在上世紀(jì)80 年代無(wú)等效干擾電流測(cè)試方法的問(wèn)題，參考國(guó)際電報(bào)電話咨詢(xún)委員會(huì)的導(dǎo)則提出基于RC 網(wǎng)絡(luò)和電流互感器的測(cè)試方法［6］。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院吳德范首次引入了牽引網(wǎng)等效干擾電流的概念，并通過(guò)1986—1988 年的電力機(jī)車(chē)諧波試驗(yàn)以及電算程序分析1 臺(tái)或2 臺(tái)機(jī)車(chē)在同一供電臂運(yùn)行時(shí)等效干擾電流的分布規(guī)律［7］。株洲電力機(jī)車(chē)研究所周書(shū)芹針對(duì)串聯(lián)兩段橋加功率因數(shù)補(bǔ)償裝置的相控機(jī)車(chē)進(jìn)行諧波仿真，得出等效干擾電流的分布值［8］。

隨著我國(guó)軌道交通裝備的發(fā)展，動(dòng)車(chē)組、城軌和地鐵列車(chē)相繼上線，諧波研究多集中在機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備以及牽引供電所繼電裝置誤動(dòng)作、電力電子裝置產(chǎn)生諧波原理及抑制等方面，對(duì)等效干擾電流的分布特性并未過(guò)多關(guān)注，這與我國(guó)無(wú)線通信技術(shù)彎道超車(chē)，銅制電話電纜的鋪設(shè)已逐漸退出歷史舞臺(tái)，我國(guó)境內(nèi)發(fā)生機(jī)車(chē)車(chē)輛干擾電話線事件報(bào)告寥寥無(wú)幾的客觀事實(shí)相符合。但是應(yīng)當(dāng)注意到，歐洲國(guó)家的有線電話普及率相對(duì)較高，在我國(guó)動(dòng)車(chē)組“走出去”戰(zhàn)略實(shí)施的當(dāng)下，噪聲計(jì)電流或等效干擾電流分布特性研究還需引起一定的重視。

另外，國(guó)際電報(bào)電話咨詢(xún)委員會(huì)（CCITT）更名為國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）后，標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)對(duì)雜音系數(shù)的修訂對(duì)等效干擾電流計(jì)算結(jié)果的影響也需要量化分析。

1 噪聲計(jì)電流及等效干擾電流

噪聲計(jì)電流（Psophometric Current）即等效干擾電流（Equivalent Disturbance Current），反映電源電路中電流頻譜對(duì)電話線的有效騷擾［2］，計(jì)算公式為式（1）：

式中：Ipso為噪聲計(jì)電流，A；If為接觸網(wǎng)電流在頻率f時(shí)對(duì)應(yīng)的電流分量，A；Pf為噪聲計(jì)加權(quán)系數(shù)，P800為接觸網(wǎng)電流在800 Hz 時(shí)對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)。國(guó)內(nèi)動(dòng)車(chē)組、電力機(jī)車(chē)的諧波測(cè)試屬于型式試驗(yàn)項(xiàng)目［9］，其中就包括等效干擾電流測(cè)試。計(jì)算公式［10］為式（2）：

式中：Sn為雜音評(píng)價(jià)系數(shù)（CCITT 國(guó)際電報(bào)電信咨詢(xún)委員會(huì)提供）；In為基波、諧波電流（n=1，2，3，4，……，100，即基波、2～100 次諧波），電流畸變率諧波次數(shù)計(jì)算到100 次，等效干擾電流計(jì)算到61次。In基波的計(jì)算公式為式（3）：

φn為式（4），an、bn為傅里葉系數(shù)，分別為式（5）、式（6）

2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分析

目前，等效干擾電流試驗(yàn)是動(dòng)車(chē)組、電力機(jī)車(chē)型式試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)，而城軌及地鐵列車(chē)的噪聲計(jì)電流試驗(yàn)一般在技術(shù)條件中做出規(guī)定，根據(jù)地鐵運(yùn)用部分的需求開(kāi)展測(cè)試，二者在物理意義上趨同，但在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、方法、試驗(yàn)設(shè)備、限值和評(píng)價(jià)系數(shù)上有響應(yīng)區(qū)別。

逐一對(duì)噪聲計(jì)電流和等效干擾電流的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分析見(jiàn)表1。

表1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分析表

2.1 噪聲權(quán)系數(shù)對(duì)比分析

關(guān)于針對(duì)動(dòng)車(chē)組和電力機(jī)車(chē)的等效干擾電流評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，2018 年以前，國(guó)內(nèi)開(kāi)展動(dòng)車(chē)組、電力機(jī)車(chē)型式試驗(yàn)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)一般按照《TB/T 2517—1995 電力機(jī)車(chē)功率因數(shù)和諧波測(cè)試方法》推薦方法進(jìn)行等效干擾電流測(cè)試和計(jì)算，2018 年，《TB/T 3523.2—2018 交流傳動(dòng)電力機(jī)車(chē)試驗(yàn)方法第2 部分：輸入特性試驗(yàn)》由國(guó)家鐵路局發(fā)布，TB/T 2517—1995 隨即廢止，2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的差別是Sn雜音評(píng)價(jià)系數(shù)系數(shù)，前者只給出了1～61 次諧波中奇數(shù)次的雜音評(píng)價(jià)系數(shù)，后者給出了1～60 次奇數(shù)和偶數(shù)次諧波對(duì)應(yīng)的雜音評(píng)價(jià)系數(shù)。

關(guān)于針對(duì)城軌車(chē)輛及地鐵列車(chē)噪聲計(jì)電流評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外有資質(zhì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)一般采用《ITUT O.41-1994：使用的電話型電路—規(guī)格為測(cè)量設(shè)備—設(shè)備的計(jì)量模擬參數(shù)》推薦的Pf噪聲加權(quán)系數(shù)以及《EN 50121-3-1：軌道交通 電磁兼容—第3-1 部分：機(jī)車(chē)車(chē)輛 列車(chē)和整車(chē)》推薦的測(cè)試方法，Pf噪聲加權(quán)系數(shù)曲線如圖1 所示。

圖1 Pf 噪聲加權(quán)系數(shù)曲線

由于Pf是對(duì)數(shù)取值，而Sn是十進(jìn)制取值，文獻(xiàn)［3］取800 Hz 為參考頻率點(diǎn)（人耳對(duì)800～1 200 Hz音頻最為敏感），對(duì)應(yīng)功率為0 dBm（1 miliwatt）。便于對(duì)比分析，根據(jù)式（7）［12］，將對(duì)數(shù)形式的Pf加權(quán)系數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制。

將Pf和Sn以十進(jìn)制形式繪制在一張圖中對(duì)比可知，如圖2 所示，在人耳最敏感的800～1 200 Hz區(qū)間，Pf系數(shù)大于Sn系數(shù)，在3 000 Hz 內(nèi)的其他頻率區(qū)間，Sn系數(shù)則大于Pf系數(shù)。

圖2 Pf 和Sn 噪聲加權(quán)系數(shù)曲線對(duì)比圖

雖然噪聲計(jì)電流和等效干擾電流的計(jì)算公式相同，但由于噪聲權(quán)系數(shù)的不同，即使測(cè)點(diǎn)位置和試驗(yàn)對(duì)象一致，兩者計(jì)算結(jié)果勢(shì)必產(chǎn)生差異。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)點(diǎn)分析

動(dòng)車(chē)組和地鐵列車(chē)包含多牽引單元，在整個(gè)列車(chē)分布安裝電流傳感器可行但工作效率并非最高。對(duì)于四象限變流器以交錯(cuò)方式工作的機(jī)車(chē)車(chē)輛，由于不同動(dòng)力單元產(chǎn)生的諧波相互抵消，總的噪聲計(jì)電流可能低于每個(gè)牽引單元噪聲計(jì)電流之和。

針對(duì)動(dòng)車(chē)組和機(jī)車(chē)的等效干擾電流測(cè)試，目前普遍采用的方法是將被試車(chē)在中國(guó)鐵道科學(xué)研究院東郊分院環(huán)行線路上按照牽引、電制等工況運(yùn)行，同一供電臂下只運(yùn)行被試列車(chē)，變電所采集的電流測(cè)試結(jié)果即為總Ipso。而地鐵列車(chē)的噪聲計(jì)電流傳感器一般安裝在列車(chē)上的1 個(gè)電源接口。例如，1 500 V 供電的地鐵列車(chē)有2 臺(tái)受電弓，在1根受電弓下的供電電纜安裝柔性電流線圈測(cè)試1個(gè)動(dòng)力單元的Ipso，總的噪聲計(jì)電流可根據(jù)公式（8）進(jìn)行換算［3］。

式中：Ipso_total為總噪聲計(jì)電流；Ipso_one為1 個(gè)單元噪聲計(jì)電流［3］。

另外，頻率響應(yīng)已不再制約本項(xiàng)測(cè)試，目前在市場(chǎng)上頻率響應(yīng)在10 kHz 以上電流傳感器或電流鉗相比上世紀(jì)七八十年代更加普及。

3 不同列車(chē)等效干擾電流測(cè)試分析

分 別 對(duì)160、250、350 km/h 等8 編 組 動(dòng) 力 分 散型動(dòng)車(chē)組以及某型速度160 km/h 的8 軸電力機(jī)車(chē)等效干擾電流測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制不同功率等級(jí)下的Jp值曲線，如圖3～圖5 所示，可以看出：

圖3 不同功率下電力機(jī)車(chē)正常運(yùn)行及降級(jí)工況Jp 值

圖4 不同速度等級(jí)動(dòng)車(chē)組在不同功率下的Jp 值

圖5 速度250 km/h 動(dòng)車(chē)組在不同功率下的Jp 值

（1）在控制方式不變的情況下，機(jī)車(chē)單節(jié)運(yùn)行的Jp值小于A、B 節(jié)同時(shí)運(yùn)行的整車(chē)工況下的Jp值。

（2）針對(duì)不同速度等級(jí)的動(dòng)車(chē)組，Jp值并不與速度等級(jí)或功率成明顯正相關(guān)性。

（3）速度250 km/h 動(dòng)車(chē)組的整車(chē)網(wǎng)側(cè)諧波畸變率與功率呈反比，但Jp值與諧波畸變率也不呈明顯相關(guān)性。

可見(jiàn)，對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛Jp值的優(yōu)化并不是簡(jiǎn)單地抑制整車(chē)諧波分量，而是應(yīng)當(dāng)關(guān)注較大的雜音權(quán)系數(shù)所對(duì)應(yīng)的諧波頻率，如800～1 200 Hz 的諧波分量。

4 地鐵列車(chē)的Jp 值和Ipso 值分析

利用萊姆公司LT 型電流傳感器采集某些地鐵列車(chē)高壓輸入側(cè)電流，測(cè)試精度為0.5%。第1步根據(jù)式（2）中的諧波公式計(jì)算各次諧波分量。然后，根據(jù)Pf及Sn的系數(shù)設(shè)計(jì)在線濾波器，集成于測(cè)試軟件中［13］，可在線計(jì)算干擾電流瞬時(shí)值。

本研究為對(duì)比分析同一地鐵列車(chē)的等效干擾電流值和噪聲計(jì)電流值，利用MATLAB 軟件集成噪聲計(jì)濾波器，并結(jié)合實(shí)車(chē)速度和功率數(shù)據(jù)，離線計(jì)算車(chē)輛輸入電流，得出相應(yīng)Jp值和Ipso值瞬時(shí)曲線，計(jì)算方法如圖6 所示。

圖6 MATLAB 數(shù)據(jù)處理流程圖

數(shù)據(jù)原始波形如圖7 所示，描述地鐵列車(chē)靜置加速到最高速的過(guò)程，該列車(chē)最高速度100 km/h，電機(jī)額定功率190 kW，由4 節(jié)動(dòng)車(chē)2 節(jié)拖車(chē)組成，供電制式為DC 1 500 V。

圖7 地鐵列車(chē)加速曲線

Jp值和Ipso值瞬時(shí)曲線如圖8 所示。Jp值分布于1.1～8.7 A 之 間，而Ipso值 分 布 于0.6～6.5 A 之 間，二者變化趨勢(shì)基本一致。

圖8 Jp 和Ipso 曲 線

5 結(jié) 語(yǔ)

文中分析了等效干擾電流和噪聲計(jì)電流的參考標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、測(cè)點(diǎn)以及噪聲加權(quán)系數(shù)分布進(jìn)行對(duì)比，然后將160、250、350 km/h 以及某型速度160 km/h 的8 軸電力機(jī)車(chē)等效干擾電流測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制不同功率等級(jí)下的Jp值曲線，最后針對(duì)同一列地鐵列車(chē)的加速運(yùn)行數(shù)據(jù)分別計(jì)算Jp和Ipso值，數(shù)據(jù)分析表明Jp值大于Ipso值，變化趨勢(shì)一致。