高速動車組的電磁干擾源淺析

于曉丹 沙 斐

[摘 要]電磁干擾以多種形式存在于高速動車組的內部和外部空間,使得高速動車組的電磁環境日趨復雜。本文主要分析了高速動車組的電磁干擾源及其形成原因和抑制措施。

[關鍵詞]高速動車組電磁干擾不平衡電流受電弓接觸網

[中圖分類號]U270.383 [文獻標識碼]A [文章編號]1007-9416(2009)11-0094-02

1 引言

高速列車內部集中了多種電子電氣設備和電纜線束,使得強電和弱電信號相互交織。由于高速列車電磁環境的復雜,高速動車組電磁兼容性問題日益顯著。因此,高速列車電磁干擾源的研究變得越來越重要。

2 電磁干擾源的基本概念

2.1 電磁干擾的定義及三要素

電磁騷擾是任何可能引起裝置、設備或系統性能降低或對有生命或無生命物質產生損害作用的電磁現象。電磁干擾是電磁騷擾引起的設備、轉輸通道或系統性能的下降。可見,電磁騷擾僅僅是客觀存在的一種電磁現象,它可能引起降級或損害。而只有在影響敏感設備正常工作時才構成“電磁干擾”。任何電磁干擾的形成都要具備三個基本要素:電磁干擾源,耦合途徑和敏感設備,如圖1所示。

2.2 電磁干擾源的分類

電磁干擾源的種類繁多,通常電磁干擾源可分為自然干擾源與和人為干擾源。如雷電和靜電放電(ESD)是自然干擾源。任何電氣電子設備都有可能成為電磁干擾源。

另外,從電磁干擾屬性來分,可分為功能性干擾源和非功能性干擾源。功能干擾源是指設備實現功能過程中造成對其他設備的直接干擾;非功能性干擾源是指用電裝置在實現自身功能的同時伴隨產生的副作用,如開關通斷產生的電弧放電。從電磁干擾信號頻譜寬度,可分為寬帶干擾源和窄帶干擾源。從電磁干擾的傳輸方式,可分為傳導干擾源和空間干擾源。

3 基于高速動車組的電磁干擾源分析

在高速動車組復雜的電磁環境中,動車組不僅是潛在的被干擾對象同時也是干擾源。動車組作為干擾源會對鐵路信號系統、無線電廣播等數字系統產生影響;同時動車組也會受列車系統外部干擾源與機車內部設備間相互干擾的影響。

3.1 基于高速動車組的電磁干擾源

高速動車組運行中,很容易受到列車系統以外的其他設備、系統或自然現象的干擾,高速動車組系統外部的電磁干擾源包括:

(1)自然干擾源:如雷電能夠造成電氣化設備發生短時間停電甚至列車斷電。

(2)空間電磁波的輻射干擾:例如,列車運行時易受到附近大功率廣播發射機帶來的強電磁波的輻射干擾。

(3)列車不平衡牽引電流造成的諧波干擾。

(4)列車受電弓滑過接觸網時由于跳動或接觸不良火花放電產生的脈沖干擾。

同時,高速動車組也會受到機車內部電磁干擾的影響,內部電磁干擾是指機車內部各設備、元件之間的互相干擾,包括:

(1)工作電源通過線路的分布電容和絕緣電阻產生漏電以及造成的干擾。

(2)信號通過地線、電源和傳輸導線的阻抗互相耦合造成的干擾。

(3)開關的通斷操作引起的瞬變、高頻干擾,直接向空間輻射干擾其他敏感設備。

本文主要介紹了兩種典型電磁干擾源的形成原因和抑制措施,即弓網離線造成的脈沖干擾和不平衡牽引電流帶來的諧波干擾。

3.2 弓網離線造成的脈沖干擾

在電氣化鐵路系統中,弓網“離線”造成的電弧放電是一種普遍現象,尤其在高速、重載的情況下更為突出。而電弧放電造成的電磁干擾,既可以是傳導干擾也可能是輻射干擾,特別是設備直接由火車的電源上直接供電時,發生傳導干擾的可能性更大。如果是傳導干擾可以用電源濾波器隔離設備和火車的電源。如果是輻射干擾可以就屏蔽敏感設備。

可見,弓網離線造成的電弧放電火花是一種重要的電磁干擾源,降低弓網的離線率能夠有效地抑制電弧的產生。

3.2.1 弓網離線的形成原因

(1)受電弓-接觸網系統振動不匹配引起弓網離線

在列車的高速運行中,接觸網和受電弓是一對動態振動系統,且各自有自己的固有振動參數。當弓網振動不匹配時,可能造成受電弓滑板與接觸導線發生機械脫離,即弓網“離線”現象,并伴電弧放電。

(2)導線不平順引起弓網連續離線

受電弓受到導線不平順擾動后,弓網會產生劇烈的振動,造成弓網的連續離線。弓網的長時間連續離線會加速離線火花和電弧的產生,并引起強烈傳導干擾和輻射干擾。通常,導線的不平順是由于接觸線施工放線操作不當造成的。

3.2.2 弓網離線的抑制措施

對于受電弓—接觸網系統振動不匹配帶來的弓網“離線”現象,可以通過提高接觸導線的波動傳播速度、改善接觸網的定位點結構、改善受電弓的隨動性等方法加以改善,盡量使受電弓與接觸網系統達到匹配振動。

在接觸網的放線過程中,應盡量防止導線扭曲或折彎,特別是要注意由于施工人員的踩踏而造成接觸網導線的扭曲或折彎。從而消除導線不平順引起的弓網“離線”現象。

3.3 不平衡牽引電流造成的諧波干擾

隨著列車運行速度的提高,牽引電流也隨之加大,伴隨著不平衡電流的加劇。可見,不平衡牽引電流造成的諧波干擾是軌道電路接收設備的直接干擾源。

3.3.1 不平衡牽引電流的形成機理

牽引電流總要經過扼流變壓器、鋼軌及大地流回變電所,且與信號電流共用一段鐵軌返回變電所的。理論上,由于扼流變壓器的兩個線圈匝數相等(阻抗相等),兩根鋼軌的長度相等(鋼軌阻抗相等),所以兩根鋼軌上通過的牽引電流應是相等的。在實際中,由于鋼軌接續線接觸不良,就會形成不平衡電流,在變壓器次級產生感應電壓,牽引電流不平衡造成的這個感應電壓,會通過傳導方式直接侵入軌道電路的回路并干擾其敏感設備。

3.3.2 不平衡牽引電流的抑制措施

不平衡牽引電流中所含有的高次諧波成分,通過各種耦合方式,既可能是共地線耦合、線間串擾等方式,也有可能是空間輻射被天線或電纜接收而竄入機車內部設備。

對于諧波干擾的共地線耦合方式,通常采用隔離變壓器、共模扼流圈和光電耦合器來抑制諧波形成的地環路干擾。

串擾是兩條信號線之間的耦合,可分為電容性耦合和電感耦合兩種方式。

容性耦合就是由于在兩根導線間形成了一個寄生電容,這個電容使一根導線的能量能夠耦合到另一根導線上而出現的耦合方式。抑制電容性耦合的方法有:減小線間電容;盡量避免導線平行走線;屏蔽干擾源,且屏蔽體要良好接地。

電感耦合是因為一根導線上的電流發生變化,引起周圍磁場變化,這時處在該變化磁場中的另一導線上就會感應出相應的電動勢,從而使一根導線的信號耦合進了另一根導線中的耦合方式。抑制電感性耦合的方法有:減小互感,進而減小耦合干擾;對干擾源進行屏蔽。

4 結語

高速動車組電磁環境的日益復雜使電磁干擾問題凸現重要。只有具體分析干擾源的形成機理,區分對待不同的電磁干擾源,才能最大限度且有效地降低高速動車組的電磁干擾。

[參考文獻]

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