劉 驕，夏朋亮

（中國鐵路西安局集團(tuán)有限公司西安高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段，西安 710000）

1 運(yùn)用現(xiàn)狀及原理

車載BTM 系統(tǒng)的電磁干擾問題一直困擾著列控車載設(shè)備維護(hù)人員。隨著不同類型新造復(fù)興號等動車組不斷上線運(yùn)行，出現(xiàn)的疑難故障也越來越復(fù)雜，越來越棘手，原因?yàn)榘l(fā)生故障過程中受到地面外界環(huán)境、車體工況環(huán)境變化影響大，故障發(fā)生后查找困難，方法手段有限，無針對性整改措施，會造成故障重復(fù)發(fā)生?，F(xiàn)將CR300BF 動車組BTM系統(tǒng)故障案例分析、排查、整治情況進(jìn)行簡單總結(jié)，并提出整改建議。

應(yīng)答器傳輸系統(tǒng)由地面設(shè)備和車載設(shè)備組成，地面設(shè)備包括有（無）源應(yīng)答器和地面電子單元（LEU），車載設(shè)備包括天線單元和應(yīng)答器傳輸模塊（BTM）。列車運(yùn)行過程中，天線單元不間斷地向地面發(fā)送27.095 MHz 的射頻能量，地面應(yīng)答器接收到此能量信號后被激活，然后輸出以4.234 M Hz中心頻率向外發(fā)送報文信息。BTM 通過天線單元接收到的信息進(jìn)行解調(diào)、解碼，并將報文傳輸給列控車載主機(jī)（ATP）。

2 典型故障案例分析

以西安局管內(nèi)高鐵發(fā)生典型故障為例，簡要對故障發(fā)生時數(shù)據(jù)分析方法及處理措施作說明：2021 年12 月24 日由CR300BF-5025（ATP 型號：CTCS2-200C）擔(dān)當(dāng)?shù)?5383 次運(yùn)行至某區(qū)間連續(xù)丟失應(yīng)答器組后故障停車，最后改按LKJ 方式運(yùn)行返回至動車段。

通過分析SAM 及BTM 的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)多次應(yīng)答器接收異常報警信息、應(yīng)答器接收出現(xiàn)多次無效數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)如圖1、2 所示。該現(xiàn)象多見于當(dāng)BTM 收到的信號強(qiáng)度較弱，信噪比較低，或外界干擾較強(qiáng)，導(dǎo)致BTM 接收的數(shù)據(jù)出現(xiàn)大量無法解析的內(nèi)容，因此判斷BTM 設(shè)備無法從接收到的信號中正常譯取應(yīng)答器報文。

圖1 SAM數(shù)據(jù)概要Fig.1 SAM data summary

圖2 BTM接收應(yīng)答器記錄Fig.2 Balise record received by BTM

通過更換BTM 主機(jī)、天線單元，車載設(shè)備上電后使用應(yīng)答器測試天線下表面至應(yīng)答器上表面垂直作用范圍的應(yīng)答器接收靈敏度（僅400 mm）均不滿足標(biāo)準(zhǔn)（正常標(biāo)準(zhǔn)500 ～900 mm），故障現(xiàn)象仍然存在，故排除BTM 主機(jī)及天線單元。測試4 M、27 M 電纜芯線阻值、絕緣均符合標(biāo)準(zhǔn)。一方面將4 M、27 M 電纜兩端接頭進(jìn)行分解、檢查無異常，重新做頭處理，測試其芯線阻值、絕緣數(shù)值與之前一致，測試應(yīng)答器接收靈敏度仍無變化，不符合標(biāo)準(zhǔn)。將換下BTM 主機(jī)及天線單元在工裝測試臺進(jìn)行靈敏度測試，數(shù)值符合標(biāo)準(zhǔn)（大于700 mm）。另一方面升高既有BTM 天線單元安裝高度（升高120 mm），使用車體正式電纜或臨時電纜連接既有位置天線單元，測試應(yīng)答器接收靈敏度僅有300 mm，接收靈敏度進(jìn)一步降低。用工裝測試臺應(yīng)答器連接線纜臨時替換故障端電纜，并連接BTM 主機(jī)、備用天線單元（不在既有位置），測試應(yīng)答器接收靈敏度符合標(biāo)準(zhǔn)（大于700 mm）。拆除臨時線纜、天線，恢復(fù)在用設(shè)備，BTM 天線接收靈敏度仍不符合標(biāo)準(zhǔn)。最后使用網(wǎng)絡(luò)測試儀對BTM 天線及線纜進(jìn)行阻抗性能測試，測試值為Z ＝52.3 Ω ＋j5.0 Ω，符合標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)：實(shí)部40 ～70 Ω，虛部－10 ～28 Ω）。

此外，對車底槽鋼與車體吊裝骨架形成回路進(jìn)行低頻感應(yīng)電流測試，無低頻感應(yīng)電流。斷開車體一根槽鋼單端，對BTM 天線應(yīng)答器接收靈敏度進(jìn)行多次測試，測試值均大于700 mm，符合標(biāo)準(zhǔn)?；謴?fù)該槽鋼連接后，多次測試值仍大于700 mm。對該槽鋼進(jìn)行多次拆裝試驗(yàn)，測試值仍大于700 mm。對BTM 天線左、右邊沿與槽鋼間距離進(jìn)行測量，距離為250 mm，BTM 天線前沿與前方吊裝龍骨距離為480 mm，BTM 天線后沿與后方吊裝龍骨距離為650 mm。對槽鋼與車體吊裝骨架形成回路進(jìn)行測試確認(rèn)，回路電阻為0 Ω。如圖3 所示，恢復(fù)車載既有設(shè)備，靜態(tài)試驗(yàn)良好，BTM 天線接收靈敏度指標(biāo)正常。結(jié)合車輛部門進(jìn)行動態(tài)試驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)良好。

圖3 BTM天線安裝環(huán)境Fig.3 BTM antenna installation environment

3 實(shí)驗(yàn)室仿真及測試

結(jié)合諧振原理，電路中既有感性原件又有容性原件，感性原件是通直流阻交流，容性原件是通交流阻直流。物理上用相位來描述：感性原件和容性原件的相位正好相反，而感性原件和容性原件在電路中呈現(xiàn)的阻性在某個頻率下會相等，這樣的電路稱之為諧振電路，該頻率為諧振頻率。

首先使用HFSS（High Frequency Structure Simulator）三維電磁仿真軟件進(jìn)行仿真建模，，模擬現(xiàn)場情況。BTM 天線仿真環(huán)境如圖4 所示，其中金屬環(huán)路模擬車輛周邊金屬環(huán)路。

圖4 BTM天線仿真環(huán)境Fig.4 BTM antenna simulation environment

仿真時，X 軸為垂直與列車行進(jìn)方向，Y 軸為列車行進(jìn)方向，Z 軸為BTM 天線對地方向。BTM天線處于原點(diǎn)，按現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)加入金屬環(huán)，通過改變金屬環(huán)的諧振條件，經(jīng)過仿真來驗(yàn)證天線周圍電磁場分布的變化規(guī)律。在天線周圍有金屬環(huán)，會導(dǎo)致電磁場分布產(chǎn)生變化：在金屬環(huán)不滿足諧振條件時，X 軸方向兩側(cè)有所加強(qiáng)，而Z 軸方向略有減弱；在金屬環(huán)滿足諧振條件時，3 個方向都有明顯的減弱。同時天線上方有金屬環(huán)會改變天線的電磁場的分布，即改變天線的方向圖，在金屬環(huán)滿足諧振條件時會極大地改變天線的方向圖，縮小天線的有效工作范圍。

根據(jù)現(xiàn)場BTM 天線安裝環(huán)境，在實(shí)驗(yàn)室使用環(huán)狀金屬板搭建測試環(huán)境，如圖5 所示。當(dāng)環(huán)狀金屬板達(dá)到諧振條件時，BTM 天線的垂直作用范圍約為450 mm，但稍微動一下環(huán)狀金屬板，破壞諧振條件，BTM 天線的垂直作用范圍可達(dá)到750 mm。

圖5 實(shí)驗(yàn)室測試環(huán)境Fig.5 Laboratory testing environment

4 原因分析及處置措施

通過仿真及測試可知，因該槽鋼與車體吊裝龍骨在BTM 天線周圍，形成閉合金屬回路，其諧振頻點(diǎn)與BTM 天線輻射的27.095 MHz 相同。當(dāng)天線向外輻射27.095 MHz 信號時，該環(huán)路會發(fā)生諧振現(xiàn)象，在其內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流并向外輻射，這改變了BTM 天線原本的輻射圖，使天線有效作用范圍降低。當(dāng)對該環(huán)路進(jìn)行斷開后，其諧振頻率變化或感應(yīng)電流減小，當(dāng)天線向外輻射27.095 MHz 信號時，便不會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象或諧振影響下降，不影響天線作用范圍。

應(yīng)答器丟失原因?yàn)锽TM 天線周圍車體金屬骨架形成的閉合環(huán)路其周長恰好達(dá)到了27.095 MHz信號半波長的整數(shù)倍，且環(huán)路的阻抗參數(shù)與BTM天線相近，發(fā)生頻率諧振現(xiàn)象，影響B(tài)TM 系統(tǒng)正常的能量輻射。

新造CR300BF 動車組若發(fā)生同類型故障返回西安后，車載設(shè)備車間應(yīng)第一時間下載車載設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)。車入庫后由車載設(shè)備車間組織對設(shè)備進(jìn)行全面檢查、試驗(yàn)，確認(rèn)故障是否復(fù)現(xiàn)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行故障處理，更換相關(guān)器材后進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。車載設(shè)備車間形成故障報告，經(jīng)電務(wù)維修技術(shù)中心主管工程師、主管副主任、安全科科長及主管副段長逐級審核后，由段生產(chǎn)監(jiān)控中心上報局集團(tuán)公司安監(jiān)室、電務(wù)部。最后，為防止BTM 天線周圍的金屬環(huán)路對BTM 天線輻射的信號產(chǎn)生諧振，建議對CR300BF-5025 車及同批次動車組的BTM天線350 mm 范圍內(nèi)金屬環(huán)路連接點(diǎn)處進(jìn)行絕緣防護(hù)處理，使其無法形成閉合回路，確保BTM 天線安全穩(wěn)定工作。

5 結(jié)束語

BTM 系統(tǒng)干擾問題往往比較復(fù)雜，涉及到諸多方面的原因。通過對BTM 天線周圍的金屬環(huán)路絕緣的改造，后續(xù)再無應(yīng)答器接收靈敏度不符合標(biāo)準(zhǔn)問題發(fā)生，防止同類型故障的發(fā)生。同時在改造前建議定期測試應(yīng)答器接收靈敏度，并將加裝絕緣檢查測試納入日常維護(hù)管理。根據(jù)CTCS2-200C BTM安裝手冊相關(guān)要求，當(dāng)BTM 天線附近的金屬物未形成閉環(huán)時，無金屬區(qū)域?yàn)?00 mm，當(dāng)形成閉環(huán)時，無金屬區(qū)域?yàn)?50 mm。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，建議后續(xù)能進(jìn)一步修改無金屬區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)范圍。