高速动车组的电磁干扰源浅析

于晓丹 沙 斐

[摘 要]电磁干扰以多种形式存在于高速动车组的内部和外部空间,使得高速动车组的电磁环境日趋复杂。本文主要分析了高速动车组的电磁干扰源及其形成原因和抑制措施。

[关键词]高速动车组电磁干扰不平衡电流受电弓接触网

[中图分类号]U270.383 [文献标识码]A [文章编号]1007-9416(2009)11-0094-02

1 引言

高速列车内部集中了多种电子电气设备和电缆线束,使得强电和弱电信号相互交织。由于高速列车电磁环境的复杂,高速动车组电磁兼容性问题日益显著。因此,高速列车电磁干扰源的研究变得越来越重要。

2 电磁干扰源的基本概念

2.1 电磁干扰的定义及三要素

电磁骚扰是任何可能引起装置、设备或系统性能降低或对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象。电磁干扰是电磁骚扰引起的设备、转输通道或系统性能的下降。可见,电磁骚扰仅仅是客观存在的一种电磁现象,它可能引起降级或损害。而只有在影响敏感设备正常工作时才构成“电磁干扰”。任何电磁干扰的形成都要具备三个基本要素:电磁干扰源,耦合途径和敏感设备,如图1所示。

2.2 电磁干扰源的分类

电磁干扰源的种类繁多,通常电磁干扰源可分为自然干扰源与和人为干扰源。如雷电和静电放电(ESD)是自然干扰源。任何电气电子设备都有可能成为电磁干扰源。

另外,从电磁干扰属性来分,可分为功能性干扰源和非功能性干扰源。功能干扰源是指设备实现功能过程中造成对其他设备的直接干扰;非功能性干扰源是指用电装置在实现自身功能的同时伴随产生的副作用,如开关通断产生的电弧放电。从电磁干扰信号频谱宽度,可分为宽带干扰源和窄带干扰源。从电磁干扰的传输方式,可分为传导干扰源和空间干扰源。

3 基于高速动车组的电磁干扰源分析

在高速动车组复杂的电磁环境中,动车组不仅是潜在的被干扰对象同时也是干扰源。动车组作为干扰源会对铁路信号系统、无线电广播等数字系统产生影响;同时动车组也会受列车系统外部干扰源与机车内部设备间相互干扰的影响。

3.1 基于高速动车组的电磁干扰源

高速动车组运行中,很容易受到列车系统以外的其他设备、系统或自然现象的干扰,高速动车组系统外部的电磁干扰源包括:

(1)自然干扰源:如雷电能够造成电气化设备发生短时间停电甚至列车断电。

(2)空间电磁波的辐射干扰:例如,列车运行时易受到附近大功率广播发射机带来的强电磁波的辐射干扰。

(3)列车不平衡牵引电流造成的谐波干扰。

(4)列车受电弓滑过接触网时由于跳动或接触不良火花放电产生的脉冲干扰。

同时,高速动车组也会受到机车内部电磁干扰的影响,内部电磁干扰是指机车内部各设备、元件之间的互相干扰,包括:

(1)工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电以及造成的干扰。

(2)信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合造成的干扰。

(3)开关的通断操作引起的瞬变、高频干扰,直接向空间辐射干扰其他敏感设备。

本文主要介绍了两种典型电磁干扰源的形成原因和抑制措施,即弓网离线造成的脉冲干扰和不平衡牵引电流带来的谐波干扰。

3.2 弓网离线造成的脉冲干扰

在电气化铁路系统中,弓网“离线”造成的电弧放电是一种普遍现象,尤其在高速、重载的情况下更为突出。而电弧放电造成的电磁干扰,既可以是传导干扰也可能是辐射干扰,特别是设备直接由火车的电源上直接供电时,发生传导干扰的可能性更大。如果是传导干扰可以用电源滤波器隔离设备和火车的电源。如果是辐射干扰可以就屏蔽敏感设备。

可见,弓网离线造成的电弧放电火花是一种重要的电磁干扰源,降低弓网的离线率能够有效地抑制电弧的产生。

3.2.1 弓网离线的形成原因

(1)受电弓-接触网系统振动不匹配引起弓网离线

在列车的高速运行中,接触网和受电弓是一对动态振动系统,且各自有自己的固有振动参数。当弓网振动不匹配时,可能造成受电弓滑板与接触导线发生机械脱离,即弓网“离线”现象,并伴电弧放电。

(2)导线不平顺引起弓网连续离线

受电弓受到导线不平顺扰动后,弓网会产生剧烈的振动,造成弓网的连续离线。弓网的长时间连续离线会加速离线火花和电弧的产生,并引起强烈传导干扰和辐射干扰。通常,导线的不平顺是由于接触线施工放线操作不当造成的。

3.2.2 弓网离线的抑制措施

对于受电弓—接触网系统振动不匹配带来的弓网“离线”现象,可以通过提高接触导线的波动传播速度、改善接触网的定位点结构、改善受电弓的随动性等方法加以改善,尽量使受电弓与接触网系统达到匹配振动。

在接触网的放线过程中,应尽量防止导线扭曲或折弯,特别是要注意由于施工人员的踩踏而造成接触网导线的扭曲或折弯。从而消除导线不平顺引起的弓网“离线”现象。

3.3 不平衡牵引电流造成的谐波干扰

随着列车运行速度的提高,牵引电流也随之加大,伴随着不平衡电流的加剧。可见,不平衡牵引电流造成的谐波干扰是轨道电路接收设备的直接干扰源。

3.3.1 不平衡牵引电流的形成机理

牵引电流总要经过扼流变压器、钢轨及大地流回变电所,且与信号电流共用一段铁轨返回变电所的。理论上,由于扼流变压器的两个线圈匝数相等(阻抗相等),两根钢轨的长度相等(钢轨阻抗相等),所以两根钢轨上通过的牵引电流应是相等的。在实际中,由于钢轨接续线接触不良,就会形成不平衡电流,在变压器次级产生感应电压,牵引电流不平衡造成的这个感应电压,会通过传导方式直接侵入轨道电路的回路并干扰其敏感设备。

3.3.2 不平衡牵引电流的抑制措施

不平衡牵引电流中所含有的高次谐波成分,通过各种耦合方式,既可能是共地线耦合、线间串扰等方式,也有可能是空间辐射被天线或电缆接收而窜入机车内部设备。

对于谐波干扰的共地线耦合方式,通常采用隔离变压器、共模扼流圈和光电耦合器来抑制谐波形成的地环路干扰。

串扰是两条信号线之间的耦合,可分为电容性耦合和电感耦合两种方式。

容性耦合就是由于在两根导线间形成了一个寄生电容,这个电容使一根导线的能量能够耦合到另一根导线上而出现的耦合方式。抑制电容性耦合的方法有:减小线间电容;尽量避免导线平行走线;屏蔽干扰源,且屏蔽体要良好接地。

电感耦合是因为一根导线上的电流发生变化,引起周围磁场变化,这时处在该变化磁场中的另一导线上就会感应出相应的电动势,从而使一根导线的信号耦合进了另一根导线中的耦合方式。抑制电感性耦合的方法有:减小互感,进而减小耦合干扰;对干扰源进行屏蔽。

4 结语

高速动车组电磁环境的日益复杂使电磁干扰问题凸现重要。只有具体分析干扰源的形成机理,区分对待不同的电磁干扰源,才能最大限度且有效地降低高速动车组的电磁干扰。

[参考文献]

[1] 沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术,北京:中国电力出版社,1999.

[2] 杨君,苑丰彪.高速动车组电磁兼容性设计研究.机车电传动,2009(2):13-16.

[3] 韩通新.弓网受流中出现连续火花的原因分析.铁道机车车辆,2003(3):58-61.

[4] 陈丽华,骆开源,张秀峰.牵引供电系统中的电磁兼容性问题,铁道建筑技术,2006(6):64-66.