電磁干擾引起兩萬噸重載組合列車不明原因發生懲罰制動及緊急制動的研究

張 濤

（大秦鐵路股份有限責任公司湖東電力機務段技術科，山西 大同 037000）

1 引言

2005年6月10日至2006年5月1日，在鐵道部的直接組織下，在大同機車廠完成了200臺SS4G機車的LOCOTROL系統加裝。為正式開行2萬噸組合列車提供數據支持及技術保障，2005年下半年，鐵道部組織太原局相關單位，在大秦線完成了24次LOCOTROL系統相關試驗驗證。2006年3月28日開始，大秦線正式開始了2萬噸列車的試運行；到目前為止，2萬噸列車的日開行對數已增加到52對。SS4G型機車加裝LOCOTROL系統以后，頻繁發生不明原因的懲罰制動及緊急制動，嚴重影響2萬噸列車的安全。這給大秦線運輸安全及運輸組織帶來極大危害，也嚴重影響到2萬噸列車的安全開行。為了保證機車質量，保證2萬噸列車的安全可靠運行，大秦線SS4G機車LOCOTROL系統發生不明原因的懲罰制動及緊急制動的研究已迫在眉睫，必須盡快予以解決，從而提高系統整體的可靠性，提高機車質量，來滿足運輸安全及運輸秩序的需要。

2 SS4G型電力機車多協議異構網絡控制系統

LOCOTROL系統，又叫列車分布式動力控制系統。它是利用無線數據傳輸技術，由主控機車對從控機車進行牽引和空氣制動的同步控制，從而減小列車運行中產生的縱向沖動，縮短空氣制動的排、充風時間，減少列車在長大下坡道上運行使用空氣制動的次數，確保兩萬噸列車的平穩運行。利用LOCOTROL同步控制技術，一臺主控機車通過無線傳輸的信號最多可以同步控制3臺從控機車。SS4G機車LOCOTROL分布式動力系統由下列模塊組成：通信輸入輸出模塊（CIOM）、GSM－R車載通信單元（OCU）、無線數據傳輸設備（RDTE）、擴展集成處理器模塊（X－IPM）、繼電器接口模塊（RIM）、電源接線盒（PJB）、擴展列車接線接口模塊（XTIM）、列車線繼電器接口模塊（TRIM1、2、3）、司機室顯示模塊（LCDM）、電子制動閥（EBV）、CCBII。圖1、圖2為SS4G機車A、B節的LOCOTROL設備的基本架構圖。

圖1 SS4G機車A節的LOCOTROL架構圖

圖2 SS4G機車B節的LOCOTROL架構圖

3 緊急、懲罰制動原因分析

通過對發生不明原因產生緊急制動、懲罰制動機車進行分析，產生原因總結歸類如下：

3.1 IPM與CIOM通信丟失

在CIOM設備上電之后，機車進入緊急制動。鑒定CIOM軟件存在以下問題：

（1）在CIOM初次上電時或者重啟后，與其相連的設備會進行數據初始化，IPM、RDTE、OCU不停的數據溢出導致CIOM連續重啟。

（2）機車在運行模式下，當RDTE、OCU與CIOM傳遞數據時，CIOM重啟則會引起CIOM陷入連續重啟中。

（3）一些緊急制動發生在RDTEB故障或者斷電以后。

通過實驗室測試認為XIPM和CIOM通信丟失是由 CIOM 重啟造成的。在 RDTEB故障或者RDTEB斷電造成+/- Recv 信號線開路之后 CIOM發生重啟，此時信號線如同天線一樣耦合干擾。

3.2 IPM與EPCU通信丟失

IPM與EPCU是通過LON網絡進行數據通信，LON網絡可靠性很高，分析數據顯示LON網絡通信受到電磁干擾造成數據通信丟失。

力圖在數據處理上作一些改變，可以減少通信中斷，從而通過更改軟件以增強LON網絡的抗干擾性。

4 電纜布線檢查以及電磁干擾測試

4.1 電纜布線檢查及測試綜述：

通過對出現緊急制動、懲罰制動機車PTU日志分析，確認故障出現在機車離開分相區并且主斷閉合時。且查看 DP和空氣制動記錄發現故障出現時，LOCOTROL系統某一模塊XIPM、BIPM、或CION進行了重啟。監測XIPM、BIPM和CIOM的信號接口，發現有反常或瞬間信號導致系統重啟，并且在A－B端之間重聯電纜BIPM到CIOM電纜、CIOM到RDTE－B電纜上發現了大幅值的瞬間信號。檢查部分機車發現BIPM到CIOM的電纜懸掛在高壓室區域的電纜槽之外，并且非常靠近主斷路器到主變壓器的高壓饋線。基于機車A－B節兩端電纜上存在的大幅瞬間信號，檢查并測試了這些電纜的屏蔽，確定了一個最佳屏蔽方案，同時重新將電纜放置到電纜槽內并且盡量遠離高壓饋線，大大減少了重啟的概率。

4.2 具體電纜檢查及電磁干擾測試內容

（1）電纜檢查

A端CIOM、B端BIPM、RDTE電纜在機車上安裝如圖3所示，檢查A 端CIOM到B端BIPM和RDTE的電纜布線發現B-UNIT RDTE的 CA200035-24電纜到A端CIOM上CA200034-29電纜沒有接到車體的屏蔽線。

圖3

檢查部分機車發現BIPM到CIOM的電纜懸掛在高壓室區域的電纜槽之外，并且非常靠近從主斷路器到主變壓器的高壓饋線，如圖4所示。

（2）電磁干擾測試內容

1）測試機車選擇

選擇曾出現過緊急制動、懲罰制動的機車6136、0882、7139、7148和 7128作為測試機車。這些機車在A或B端進行操縱，閉合主斷時，出現BIPM、CIOM重啟、BIPM與CIOM通信丟失，造成機車進入緊急制動或懲罰制動。

圖4

2）電磁干擾信號測量

主斷閉合時，在BIPM輸入端測量來自CIOM的數據信號，瞬間噪聲波形如圖5，此瞬間噪聲＜200Vp-p。

當BIPM重啟時，在BIPM輸入信號中測量到如圖6瞬間噪聲信號，此噪聲信號＞300Vp-p。

主斷閉合時，在 CIOM輸入端測量來自BIPM的數據信號，瞬間噪聲的波形如圖 7，此瞬間噪聲約 400Vp-p。

圖5

圖6

圖7

主斷閉合時，在CIOM輸出端測量Key B信號，瞬間噪聲的波形如圖8所示，此瞬間噪聲信號約200Vp-p。

（3）測試結論

1）主斷閉合時，會出現較大的空載合閘電流，這個電流將產生一個幅值較大的瞬間信號。

2）這個較大的瞬間信號將耦合到沒有正確屏蔽的電纜。

3）XIPM、BIPM或CIOM的重啟是由于BIPM到CIOM電纜、RDTE－B到CIOM電纜終端屏蔽

沒有做到最優，從而最小化瞬間信號到電纜的耦合。

圖8

5 A－B端電纜更改方案及更改后電磁干擾信號測量

5.1 A－B端電纜更改方案

更改方案如圖9所示，對機車B端RDTE連接CIOM的通信電纜進行360度屏蔽處理，將貫通電纜金屬外屏蔽網與接頭連接，連接處用銅箔帶纏繞包裹，打膠，用熱縮套管固定，電纜兩端接頭接地到車體；B端BIPM到A端CIOM的通信電纜兩端接頭接地到車體；在機車A、B端車體之間連接貫通電纜；同時嚴格按車上布線方案進行布線，將電纜放置到電纜槽內并且盡量遠離高壓饋線。

5.2 A－B端電纜更改后電磁干擾信號測量

主斷閉合時，在 BIPM輸入端測量來自CIOM的數據信號，瞬間噪聲的波形如圖10所示，此瞬間噪聲＜100Vp-p。

主斷閉合時，在 CIOM輸入端測量來自BIPM的數據信號，瞬間噪聲的波形如圖11所示，此瞬間噪聲約150Vp-p。

主斷閉合時，在CIOM輸出端測量Key B信號，瞬間噪聲的波形如圖12所示，此瞬間噪聲信號約＜100Vp-p。

圖10

圖11

圖12

5.3 電纜屏蔽測試數據總結

電纜屏蔽測試數據總結如表1所示。

表1

5.4 測試結論

按照A－B端電纜更改方案如圖9所示，對機車 LOCOTROL電纜進行屏蔽接地，可以最小化瞬間信號到電纜的耦合。從A端到B端的電纜布線應盡最大可能遠離高壓區并放入機車電纜槽內可以最大程度降低機車對電纜的噪聲干擾。

6 結論

LOCOTROL系統受電磁干擾以及軟件設計存在缺陷是 2萬噸重載列車不明原因發生緊急制動/懲罰制動的主要原因，通過對 LOCOTROL系統BIPM、CIOM、EPCU進行軟件升級，CIOM 模塊與RDTE-B電臺連接電纜進行360度屏蔽，機車A、B節共地、LOCOTROL系統各模塊保證自身接地良好等措施，提高了 LOCOTROL系統的穩定性、可靠性。通過以上措施，2萬噸列車緊急/懲罰制動從2008年的298件降低到了2009年67件，保證了大秦線運輸安全，提高了運輸組織效率。

[1]International Electrotechnical Commission IEC61375-1 Electric Railway Equipment-Train Bus Part I: Train Network[S]. IEC, 1999

[2]Young-SuKwon, Bon-TaeKoo,Nak-WoongEum.Appl Ication-Adaptivereconfiguration of Memory Address Shuffler for Fpga-Embedded Instruction-Set Processor.IEEE Transactions[C]. 2008: 209-214.

[3]TINDELL K, CLARK J. Holistic schedulability analysis for distributed hard real-time systems. Micro-processing and Micro-programming[J], 1994, 50(2): 117-134.