機車車輛噪聲計電流標準及實車測試分析*

余 俊，蘇發明，黃 金，陳煥玉，李 強

（1 動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室，北京100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094；3 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

鐵道機車車輛在線受流發生能量轉換以多種方式對外部空間發出電磁騷擾［1］。電氣化鐵路系統的牽引諧波電流可通過電磁感應對模擬通信線路產生噪聲影響［2］。通信系統工作功率一般在毫瓦級，相比功率為兆瓦級的機車車輛，相差懸殊。人耳音頻感受頻率20 Hz～20 kHz，機車車輛以50 Hz為基頻，主要分布在5 kHz 以內的諧波正好覆蓋人耳最敏感的音頻頻率范圍，標準文獻［3］和［4］分別用等效干擾電流或噪聲計電流量化諧波干擾對通信線路的影響。瑞典國家鐵路公司Svensson 在Moholm 至Skovde 的線路上測試了基于晶閘管電力機車噪聲計電流，評估其對通信系統的影響［5］。中國電力科學研究院崔鼎新針對我國在上世紀80 年代無等效干擾電流測試方法的問題，參考國際電報電話咨詢委員會的導則提出基于RC 網絡和電流互感器的測試方法［6］。中國鐵道科學研究院吳德范首次引入了牽引網等效干擾電流的概念，并通過1986—1988 年的電力機車諧波試驗以及電算程序分析1 臺或2 臺機車在同一供電臂運行時等效干擾電流的分布規律［7］。株洲電力機車研究所周書芹針對串聯兩段橋加功率因數補償裝置的相控機車進行諧波仿真，得出等效干擾電流的分布值［8］。

隨著我國軌道交通裝備的發展，動車組、城軌和地鐵列車相繼上線，諧波研究多集中在機車車輛設備以及牽引供電所繼電裝置誤動作、電力電子裝置產生諧波原理及抑制等方面，對等效干擾電流的分布特性并未過多關注，這與我國無線通信技術彎道超車，銅制電話電纜的鋪設已逐漸退出歷史舞臺，我國境內發生機車車輛干擾電話線事件報告寥寥無幾的客觀事實相符合。但是應當注意到，歐洲國家的有線電話普及率相對較高，在我國動車組“走出去”戰略實施的當下，噪聲計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，國際電報電話咨詢委員會（CCITT）更名為國際電信聯盟（ITU）后，標準文獻對雜音系數的修訂對等效干擾電流計算結果的影響也需要量化分析。

1 噪聲計電流及等效干擾電流

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

式中：Ipso為噪聲計電流，A；If為接觸網電流在頻率f時對應的電流分量，A；Pf為噪聲計加權系數，P800為接觸網電流在800 Hz 時對應的加權系數。國內動車組、電力機車的諧波測試屬于型式試驗項目［9］，其中就包括等效干擾電流測試。計算公式［10］為式（2）：

式中：Sn為雜音評價系數（CCITT 國際電報電信咨詢委員會提供）；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計算到100 次，等效干擾電流計算到61次。In基波的計算公式為式（3）：

φn為式（4），an、bn為傅里葉系數，分別為式（5）、式（6）

2 評價標準分析

目前，等效干擾電流試驗是動車組、電力機車型式試驗項點，而城軌及地鐵列車的噪聲計電流試驗一般在技術條件中做出規定，根據地鐵運用部分的需求開展測試，二者在物理意義上趨同，但在評價標準、方法、試驗設備、限值和評價系數上有響應區別。

逐一對噪聲計電流和等效干擾電流的標準內容進行對比分析，評價標準分析見表1。

表1 評價標準分析表

2.1 噪聲權系數對比分析

關于針對動車組和電力機車的等效干擾電流評價標準，2018 年以前，國內開展動車組、電力機車型式試驗的檢測機構一般按照《TB/T 2517—1995 電力機車功率因數和諧波測試方法》推薦方法進行等效干擾電流測試和計算，2018 年，《TB/T 3523.2—2018 交流傳動電力機車試驗方法第2 部分：輸入特性試驗》由國家鐵路局發布，TB/T 2517—1995 隨即廢止，2 個標準的差別是Sn雜音評價系數系數，前者只給出了1～61 次諧波中奇數次的雜音評價系數，后者給出了1～60 次奇數和偶數次諧波對應的雜音評價系數。

關于針對城軌車輛及地鐵列車噪聲計電流評價標準，國內外有資質的檢測機構一般采用《ITUT O.41-1994：使用的電話型電路—規格為測量設備—設備的計量模擬參數》推薦的Pf噪聲加權系數以及《EN 50121-3-1：軌道交通 電磁兼容—第3-1 部分：機車車輛 列車和整車》推薦的測試方法，Pf噪聲加權系數曲線如圖1 所示。

圖1 Pf 噪聲加權系數曲線

由于Pf是對數取值，而Sn是十進制取值，文獻［3］取800 Hz 為參考頻率點（人耳對800～1 200 Hz音頻最為敏感），對應功率為0 dBm（1 miliwatt）。便于對比分析，根據式（7）［12］，將對數形式的Pf加權系數轉換成十進制。

將Pf和Sn以十進制形式繪制在一張圖中對比可知，如圖2 所示，在人耳最敏感的800～1 200 Hz區間，Pf系數大于Sn系數，在3 000 Hz 內的其他頻率區間，Sn系數則大于Pf系數。

圖2 Pf 和Sn 噪聲加權系數曲線對比圖

雖然噪聲計電流和等效干擾電流的計算公式相同，但由于噪聲權系數的不同，即使測點位置和試驗對象一致，兩者計算結果勢必產生差異。

2.2 試驗設備和測點分析

動車組和地鐵列車包含多牽引單元，在整個列車分布安裝電流傳感器可行但工作效率并非最高。對于四象限變流器以交錯方式工作的機車車輛，由于不同動力單元產生的諧波相互抵消，總的噪聲計電流可能低于每個牽引單元噪聲計電流之和。

針對動車組和機車的等效干擾電流測試，目前普遍采用的方法是將被試車在中國鐵道科學研究院東郊分院環行線路上按照牽引、電制等工況運行，同一供電臂下只運行被試列車，變電所采集的電流測試結果即為總Ipso。而地鐵列車的噪聲計電流傳感器一般安裝在列車上的1 個電源接口。例如，1 500 V 供電的地鐵列車有2 臺受電弓，在1根受電弓下的供電電纜安裝柔性電流線圈測試1個動力單元的Ipso，總的噪聲計電流可根據公式（8）進行換算［3］。

式中：Ipso_total為總噪聲計電流；Ipso_one為1 個單元噪聲計電流［3］。

另外，頻率響應已不再制約本項測試，目前在市場上頻率響應在10 kHz 以上電流傳感器或電流鉗相比上世紀七八十年代更加普及。

3 不同列車等效干擾電流測試分析

分 別 對160、250、350 km/h 等8 編 組 動 力 分 散型動車組以及某型速度160 km/h 的8 軸電力機車等效干擾電流測試數據進行分析，繪制不同功率等級下的Jp值曲線，如圖3～圖5 所示，可以看出：

圖3 不同功率下電力機車正常運行及降級工況Jp 值

圖4 不同速度等級動車組在不同功率下的Jp 值

圖5 速度250 km/h 動車組在不同功率下的Jp 值

（1）在控制方式不變的情況下，機車單節運行的Jp值小于A、B 節同時運行的整車工況下的Jp值。

（2）針對不同速度等級的動車組，Jp值并不與速度等級或功率成明顯正相關性。

（3）速度250 km/h 動車組的整車網側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性。

可見，對機車車輛Jp值的優化并不是簡單地抑制整車諧波分量，而是應當關注較大的雜音權系數所對應的諧波頻率，如800～1 200 Hz 的諧波分量。

4 地鐵列車的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高壓輸入側電流，測試精度為0.5%。第1步根據式（2）中的諧波公式計算各次諧波分量。然后，根據Pf及Sn的系數設計在線濾波器，集成于測試軟件中［13］，可在線計算干擾電流瞬時值。

本研究為對比分析同一地鐵列車的等效干擾電流值和噪聲計電流值，利用MATLAB 軟件集成噪聲計濾波器，并結合實車速度和功率數據，離線計算車輛輸入電流，得出相應Jp值和Ipso值瞬時曲線，計算方法如圖6 所示。

圖6 MATLAB 數據處理流程圖

數據原始波形如圖7 所示，描述地鐵列車靜置加速到最高速的過程，該列車最高速度100 km/h，電機額定功率190 kW，由4 節動車2 節拖車組成，供電制式為DC 1 500 V。

圖7 地鐵列車加速曲線

Jp值和Ipso值瞬時曲線如圖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，二者變化趨勢基本一致。

圖8 Jp 和Ipso 曲 線

5 結 語

文中分析了等效干擾電流和噪聲計電流的參考標準，對試驗設備、測點以及噪聲加權系數分布進行對比，然后將160、250、350 km/h 以及某型速度160 km/h 的8 軸電力機車等效干擾電流測試數據進行分析，繪制不同功率等級下的Jp值曲線，最后針對同一列地鐵列車的加速運行數據分別計算Jp和Ipso值，數據分析表明Jp值大于Ipso值，變化趨勢一致。