HXD3型電力機車電磁干擾現(xiàn)象分析及對策

□閻書彥

隨著變流技術(shù)、網(wǎng)絡控制技術(shù)的發(fā)展，交流傳動系統(tǒng)的研究和應用已引起人們的重視，人們已經(jīng)體會到交流傳動所帶來的巨大收益。交流傳動系統(tǒng)無論在性能指標、設備體積、設備保養(yǎng)、節(jié)能環(huán)保等方面，都體現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢。目前國內(nèi)已經(jīng)大批量投入運用的交-直-交傳動電力機車有HXD1、HXD1B、HXD1C、HXD1D、HXD2、HXD2B、HXD3、HXD3B、HXD3C、HXD3D這幾種。由于電力機車在設計時采用了集成化、模塊化、微機化的設計思路，使得各種類型的電子器件在電力機車中得到了廣泛的應用，所以，對電力機車的抗干擾能力提出了更高的要求。

一、基本概念

電磁兼容(簡稱EMC)是指電子裝置能在規(guī)定的電磁環(huán)境中，既不受周圍電磁場的影響能正常工作，也不對該環(huán)境或其它設備造成不允許的擾動的能力。

電磁兼容包括電磁干擾(EMI)和抗干擾兩個方面。電磁干擾有傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指通過導電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡上的信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡。

二、電磁干擾的原因

電磁干擾可以來自系統(tǒng)內(nèi)部，也可以來自系統(tǒng)外部，前一種情況稱為系統(tǒng)內(nèi)部的干擾，后一種情況稱為系統(tǒng)之間的干擾。產(chǎn)生系統(tǒng)內(nèi)部干擾和系統(tǒng)之間干擾的共同原因是，預定給某一線路的信號傳到不需要此信號的一個或幾個其他線路上。在所有的情況下，電磁干擾都是由三個要素組合產(chǎn)生的，分別是:意外的源、意外的傳輸途徑和意外的響應。

三、機車電磁干擾現(xiàn)象

電力機車上常常發(fā)生的電磁干擾現(xiàn)象有以下幾種:

(一)高壓電器設備對機車的干擾。例如機車受電弓在電網(wǎng)上的接觸滑動所產(chǎn)生的干擾對于機車的電器設備的干擾尤為嚴重，尤其是機車在通過過分相區(qū)時會產(chǎn)生一個很高的沖擊電壓，容易對機車的主變流器、輔助變流器壓電壓互感器等設備造成損害。

(二)電氣設備的燒損造成的傳導干擾。熔斷器的熔斷瞬間造成的負載突變會產(chǎn)生大能量的尖峰電壓，經(jīng)過與之連接的導線依次傳輸?shù)娇刂祁惼骷芈分?，就會導致器件的損壞。此類的干擾就是典型傳導類的干擾。

(三)電臺、天線及電子元件造成的輻射干擾。輻射類的干擾通過介質(zhì)以電磁場的形式輻射到周圍空間中，最明顯的如手機、電臺，會發(fā)出高頻率的無線電信號透過設備外殼或縫隙向外輻射，傳播到敏感設備對其造成影響輻射干擾;電力機車在運用過程中，發(fā)現(xiàn)在機車駛?cè)牖蛘唏偝鲕囌尽⑴c別車會車時，機車的無線電臺通訊會無故中斷，或者出現(xiàn)干擾的雜波聲。通過在段內(nèi)進行試驗，發(fā)現(xiàn)在機車靜止狀態(tài)下，電臺工作良好。而在機車升弓合主斷后，機車主輔變流器并未工作時，電臺雖然受到一些干擾，但仍不影響其正常工作。但是在主輔變流器都正常工作以后，電臺受到的電磁干擾增大，已經(jīng)影響到其正常工作，所以IGBT等電子器件的開閉會向外發(fā)出傳導類和輻射類的干擾，從而影響到了電臺的正常通訊。

(四)突發(fā)的干擾。主斷路器等機械觸頭快速通斷會產(chǎn)生干擾脈沖，這種脈沖會通過客性耦合到相鄰的平行導線上去，如果這樣的脈沖侵入數(shù)字電路，裝置內(nèi)部將不可避免地受到干擾。

(五)浪涌式的干擾。主要表現(xiàn)在機車主變流柜、列車供電柜內(nèi)的熔斷器等電氣部件因故障而迅速斷開時，產(chǎn)生的巨大的電壓和電流脈沖對機車電子器件造成的影響。這種浪涌式的脈沖主要是電耦合傳播給饋電線的。

四、電力機車的電磁兼容設計

根據(jù)機車發(fā)生電磁干擾的工作機理，可以通過隔離干擾途徑、增強相關電氣設備抗干擾能力和抑制機車干擾源三個方面來提高整個系統(tǒng)電磁兼容性。主要手段有整車接地系統(tǒng)的設計、提高各電路間的隔離設計、提高機車布線的屏蔽設計。主要從以下幾個方面來進行設計。

(一)電路隔離。HXD3系列電力機車的輔助變流器的輸出經(jīng)過了LC濾波器，將正弦PWM波轉(zhuǎn)換為正弦波，使得輸入到各個輔助機組的波形為正弦波，這樣除了降低對輔機繞組匝間絕緣的要求，也減少了其諧波成分對其他電路系統(tǒng)的干擾。機車主要的繼電器和接觸器線圈、電磁閥等都加裝了過壓抑制器，主要是為了避免機械式開關開斷時產(chǎn)生的過電壓。

圖1 HXD3系列機車接地系統(tǒng)示意圖

(二)接地系統(tǒng)設計。接地的目的主要是為了保證給各系統(tǒng)提供相同且“純凈”的基準電位。電力機車接地的目的有三個:一是安全接地，采用較低阻抗的導體使得車體和用電設備的外殼相互連接在一起，從而使相關的工作人員不致因設備外殼漏電或故障放電而發(fā)生觸電危險。二是功能接地，主要通過功能接地給各電源系統(tǒng)提供參考基準電位，保證各支路不會出現(xiàn)懸浮電壓，以免對設備或人身造成危害。三是電磁兼容接地，即將設備機殼或?qū)Ь€屏蔽層等接地，給高頻干擾電壓形成低電阻通路，以防止其對電子設備的干擾。

圖1為HXD3系列電力接地系統(tǒng)示意圖。圖中各個系統(tǒng)與車體搭接構(gòu)成一個等電位體，該等電位體又通過匯流母排統(tǒng)一實現(xiàn)與軸端接地裝置和鋼軌的連接。通過該保護接地構(gòu)架的設置，既可以使機車及車內(nèi)設備有良好的安全接地，又可以有效避免車外干擾源對機車的電磁干擾及機車對車外設備的干擾。為了保證良好的接地效果，接地線的連接應滿足以下原則:一是接地線必須低阻，接地線長度通常為300mm～350mm，個別情況最長不超過500mm。二是相互連接的金屬應盡可能是同一種金屬。三是接觸表面應為光亮的金屬面，接觸面應不被腐蝕。

(三)機車布線。在交流傳動電力機車中，供電電纜、電機電纜、變壓器電纜、輔助設備的電纜極易產(chǎn)生干擾，信號線、ATP信號電纜、數(shù)據(jù)傳輸總線、天線引線、音頻電纜和視頻傳出電纜容易受到干擾，控制電纜既可能受干擾又可能成為干擾源。按照EN50343:2003《機車車輛布線規(guī)則》，機車電纜可分為三類:A類:高壓電纜、電動機電纜、供暖電纜、變流器電纜、輔助設備供電電纜等;B類:蓄電池電纜、二進制控制電纜等;C類:信號發(fā)生器線纜、天線、揚聲器線纜、數(shù)據(jù)總線線纜等。機車上，不同類別的電纜實現(xiàn)了盡可能的單獨鋪設。不同類別電纜布設時所遵循的最小間距應按表1來進行選取。

表1 HXD3機車分類電纜隔離所遵循的最小間距

HXD3系列機車的高壓電纜主要位于側(cè)墻頂部，其他A類電纜分布于中間走廊地板下面，走廊地面采用鋁材覆蓋并通過接地線進行接地，以隔離輻射干擾;B類電纜主要位于側(cè)墻中部，C類電纜都布置在側(cè)墻下部，最大限度地保證不同類別之間的鋪設間距。通過對各種電纜的區(qū)分鋪設，有效降低了由電容性耦合、電感性耦合及電耦合產(chǎn)生的傳導干擾。進入司機室的控制電纜、網(wǎng)絡電纜從車體左側(cè)進入司機室;輔助電路電纜、列車供電電纜從中間走廊線槽進入司機室。

(四)機車屏蔽。屏蔽的原理是用屏蔽提將干擾源或者敏感源包封起來，防止干擾磁場通過空間向外傳播或使敏感設備免受外界空間電磁場的影響。HXD3系列交流傳動電力機車采用屏蔽處理的主要是信號電纜。對屏蔽體的設計要滿足以下幾點:一是保證屏蔽提的導電連續(xù)性，即整個屏蔽體必須是一個完整的、連續(xù)的導電體。二是屏蔽體必須良好接地。三是電纜屏蔽層的接地可以分為單端接地和雙端以上接地，音頻、視頻傳輸電纜采用單端接地;其他信號電纜、控制電纜及數(shù)據(jù)傳輸電纜采用雙端接地。

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［2］白同云，呂曉德．電磁兼容設計［M］．北京:北京郵電大學出版社，2001

［3］趙明生．電氣工程師手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2001