地鐵車輛低頻設備電磁環境復合測試裝置及方法

黃健，陳立，劉嘉琦

（威凱檢測技術有限公司，廣州 510300）

前言

截止 2021 年年底，中國已有 51 個城市開通軌道交通，運營線路總長度 8 708 公里。作為維持列車運行的重要安全保證，Balise 應答器用以地面向列車信息傳輸的點式設備，一種能向車載子系統發送報文信息的傳輸設備，既可以傳送固定信息，也可連接軌旁單元傳送可變信息。

應答器的電磁兼容抗干擾水平也是當下的重要議題。應答器傳輸模塊（Balise Transmission Module, BTM）作為列車超速保護（Automatic Train Protection, ATP）設備的重要組成部分,在列車實際運行過程中,因其處于一個復雜的電磁環境,可能會在車地通信時受到電磁干擾發生通信故障,從而引起 ATP 系統故障報警。ERTMS/ETCS 下的技術資料 Test Specification for Eurobalise FFFIS（REF : SUBSET-085）和（REF : SUBSET-036）中提出了應答器系統的電磁兼容性要求。并且歐洲標準EN 50121 系列中的也對軌道車輛環境的電磁兼容性做了要求。車輛在運營前必須通過電磁兼容的相關測試才能上崗運行。

1 測試目的

此EMC電磁兼容性試驗的目的是測量軌道交通車輛底部設備包括牽引電機和牽引逆變器以及輔助逆變器發出的低頻干擾磁場，并確保此類低頻干擾磁場不會影響安裝在車底上和與之對應的地面BTM應答器傳輸系統的正常工作。BTM系統的敏感工作頻率在（3.5～5）MHz之間。

2 主流測試方式

目前主流機構的測試方法如圖1所示。通過移除 BTM 天線并在原位置安裝 MFP Loop 天線來測試車輛運行中對 BTM 天線的輻射發射值。

應控制車輛輻射水平，使之與軌旁應答器上行線路信號強度相兼容。根據 BTM 信號系統對車輛的要求，車輛在頻率范圍為（3.5～5）MHz 的輻射一般有具體相對應的限值要求。

目前市面上使用的技術是通過圖1所示，MFP loop 天線通過射頻線纜連接接收機的方式進行。記錄整段工況的瞬時最大值。對人的操作要求比較高，也無法用記錄輻射與車輛速度等 相關的參數信息。

圖1 主流測試方法

3 本方案裝置介紹

針對上述缺點，這里設計出一種專門針對城軌 BTM 的低頻測試系統。符合技術規范的 要求，擴展性強，適用于各種城軌車輛?？梢韵扔涗浲瑫r分析結果，也可以保存原始數據后 期分析，節省測試時間。滿足城軌車輛的以及軌道工程車輛的低頻 EMI 診斷。具有EMI 檢測工況溯源，實現高效、自動化測量，具有易操作、模塊化的優點，具有顯著的應用價值。

同時，此測量系統的造價市面價值遠小于由接收機或者頻譜儀組成的測試系統。

本系統涉及地鐵車輛應答器等低頻設備工作環境符合性測試裝置及方法， 所述低頻設備 指最高工作頻率在 10 M 以內的設備，所述裝置包括天線、NI 采集設備和上位機， 所述天線、 NI 采集設備和上位機依次連接，所述 NI 采集設備的前置阻抗為 50 Ω，動態范圍大于 60 dB。 本系統實質是發現了示波器在地鐵車輛應答器這類低頻設備工作環境符合性測試時的一種 應用，然后以低成本的這種示波器設備即 NI 采集設備，取代傳統測試裝置中的接收機，從而極大程度的節省裝置成本。

下面結合具體實施例和附圖對本設計作進一步詳細說明。下面實施例涉及一種地鐵車輛應答器工作環境符合性測試裝置，如圖 2 所示，該裝置包括天線、 NI 采集設備和上位機， 天線、 NI 采集設備和上位機依次連接。

圖2 原理圖

1）天線采用 MFP loop 天線。

2）NI 采集設備為 NI 采集卡，其插裝在上位機的卡槽中。

3）上位機采用筆記本電腦。

本實施例采用的 NI 采集卡型號為 NI PXI 5105，它是一種數字示波器。它的前置阻抗為 50 Ω，與接收機相同，這對本設計方案而言，是非常必要的。

這種帶有前置抗混疊濾波器的采集卡的參數如圖 3 所示。此采集卡在使用 50 Ω前置 阻抗的情況下的動態范圍為 72 dBc，高于 CISPR 16-1-1 標準中最小范圍 60 dB 的要求， 也接近 于 R&S ESR 系列接收機 75 dB 的范圍，表明該采集卡測量精度能滿足相關標準要求。

圖3 NI PXI 5105采集卡參數

根據奈奎斯特采樣定理，在進行模擬/數字信號的轉換過程中，當采樣頻率大于信號中 最高頻率的 2 倍時，采樣之后的數字信號能完整地保留原始信號中的信息，一般實際應用中， 采樣頻率為信號最高頻率的 2.56～4 倍為佳?？梢姡瑢τ谧罡哳l率在（4～6）MHz （地鐵車輛應答器系統的工作頻率一般小于5 MHz）的待測信號， NI PXI 5105 采集卡 60 Ms/s 的采樣速率完成可以滿足信號的完整記錄。

由上可見，上述采集卡能滿足相關技術規范對應用于上述測試的數據采集設備的要求。

在采用接收機采集天線的輸出的傳統模式下，本實施例實質是發現了示波器在地鐵車輛應答器這類低頻設備（通常而言，最高工作頻率應在 10 MHz 以內，否則，示波器成本將升高，會逐漸失去用其取代接收機的意義）工作環境符合性測試時的一種應用，尋求以低成本的這種示波器，取代傳統接收機的一種可能性。本實施例推出的這種針對特定工況的測試裝置， 在滿足相關技術規范要求的同時， 能極大程度降低裝置成本， 裝置成本只有接收機的六分之一到八分之一。

除此之外，采用本實施例裝置取代接收機，還能帶來一些附加好處：

1）本實施例裝置采用數字濾波器持續采集方式， 最終獲得的數據是輻射騷擾信號大小與時間的關系曲線，而且支持多通道采集，在同一時鐘頻率下可同時采集多路信號，借助上位機程序植入的便利性，可方便的開展輻射與行車工況等的分析，有利于溯源低頻輻射干擾來源，達到診斷目的。

2）本實施例裝置相比于接收機，不僅裝置成本低，而且裝置的可擴展性強。

4 具體實施方法

利用上述裝置進行地鐵車輛應答器等低頻設備工作環境符合性測試，方法介紹如下：

1）移除 BTM 天線，并在原位置安裝 MFP loop 天線；

2）連接 MFP loop 天線與 NI 采集卡；

3）通過上位機控制采集卡，獲得采集數據；

4）在電腦端分析采集數據，研判結果是否符合預期。

此外，通過上位機控制 NI 采集卡的采樣速率和采樣時間等，也可以獲得輻射騷擾信號大小與時間的關系曲線。這種可反映測試過程中數據實時變化的記錄，相比于接收機獲得的區段最大值，具有更好的應用價值。

NI 采集卡具有 8 個通道，同一時鐘頻率下可同時采集多路信號。比如通過連接速度傳 感器可加入列車的速率信號，也可以通過在列車進線處加裝電流鉗增加入線電流信號。通過絕對時間軸下的速率和入線電流，可判斷行車工況，評估所測低頻磁場與列車工況的聯系， 便于找出最大發射工況，以便溯源低頻輻射干擾來源，達到診斷目的。

5 測試數據處理和分析

現代地鐵列車一般有四種基本行車工況。入線電壓基本維持在額定范圍。入線電流在保障輔助設備持續運行的基礎上， 隨著牽引電機的功率而呈現比例關系。如表 1 所示，列車啟動過程中，伴隨著牽引功率的增加和入線電流的增大，列車持續加速。一段加速時間后，進入電流穩定輸入和牽引持續輸出的工況。列車員停止加速后，列車進入惰行區間，此時牽引電機停止工作，入線電流僅為輔助設備所需電流，行車速度會緩慢減小。隨著列車員進行制動減速操作，列車啟動常用電制動程序。牽引電機變為能量回收的發電機，提供制動反向阻力。同時電流反向輸出給供電網絡，進行能量回收，入線口電壓會有所增加。

列車上的主要電力設備和干擾源有如表 1所示。

表1 行車參數關系表

電制動系統：

1）牽引系統（高速斷路器、牽引逆變器、牽引電機和電抗器）；

2）輔助電源系統（濾波電抗器、輔助逆變器和充電機）；

3）空調系統；

4）軌道信號系統；

5）門禁系統和乘客信息交互系統。

上述系統特別是牽引系統對外輻射情況是與行車工況息息相關的。所以，結合行車工況，有利于對干擾的溯源，可大大提高列車低頻輻射診斷的效率。如在低頻輻射超標的情況下，可通過通斷各個列車子系統，進行特性工況測試，從而快速找出發射源，從而更為有的放矢的實施下一步的整改工作。

經過采集的數據，以 TDMS 文件形式存儲在筆記本電腦上，保存的 TDMS 文件是具有時 間刻度的連續時域信號。通常情況下，該數據在實時采集后，同時在上位機端進行 FFT 變換和峰值保持處理，得到一張二維頻譜圖。

也可以在用戶選擇后，在測試過程中，僅采集和保存數據（以 TDMS 文件形式存儲）， 在后期再進行數據處理。數據的后期處理流程如圖 4 所示。

圖4 數據處理流程

1）設置時域數據起始點，以過濾掉前期不符合測試工況的數據；

2）進行 FFT 變換和峰值保持處理；

3）進行濾波，僅保存監測頻段內的數據；

4）將時間數據插入步驟 3）所得的二維頻譜圖中，得到一張涉及時間、頻率和信號幅 值的三維頻譜圖；

5）將采集的速率、入線電流等數據，通過對齊時間軸的方式，插入所述三維頻譜圖中。

6 結束語

本文設計的方法，其優點在于節省測試成本。相比于接收機，不僅裝置成本低，而且裝置的可擴展性強。獲得的數據是輻射騷擾信號大小與時間的關系曲線，而且支持多通道采集，在同一時鐘頻率下可同時采集多路信號， 借助上位機程序植入的便利性，可方便的開展輻射與行車工況等的分析，有利于溯源低頻輻射干擾來源，達到診斷目的。