350 km·h-1中国标准动车组整车对外电磁骚扰试验及抑制措施

余　俊，陆　阳，陈　波，周　毅

(1.北京纵横机电技术开发公司，北京　100081；2.中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京　100081)

动车组从主电路到辅助回路，再到控制系统、信号通讯系统，各种电气和电子设备工作频带越来越宽，这就使得其成为1个带有复杂电磁能力的巨大移动发射源[1]。

虽然以往针对动车组电磁骚扰的研究不多，但是已经开始引起人们的重视。文献[2]利用Matlab/Simulink仿真软件建立动车组升弓仿真模型，分析了高压电器系统串联电感和并联RC滤波器对升弓电磁暂态的改善效果。文献[3]利用有限元法的三维电磁仿真软件构建模型，评估司机室在高频电磁环境下的安全性。这些研究注重仿真，缺少试验数据，且研究对象为部件级，未上升到整车级，与实际电磁骚扰特性存在差距。

本文首次对我国拥有自主知识产权的350 km·h-1中国标准动车组(以下简称动车组)展开整车电磁骚扰研究，从整车级对外电磁骚扰的本质出发，基于试验室牵引组合系统实测数据以及动车组实际运行数据，分析和验证对外电磁骚扰抑制措施，为动车组设计制造提供依据。

1　整车对外电磁骚扰试验

在动车组整车型式试验中，对外电磁骚扰试验依据文献[4]和文献[5]进行。

试验时，在距轨道中心10 m的位置架设用于测试不同频段的不同型号天线，其中包括R&S公司的HFH2-Z2型环形天线(测试结果为磁场强度换算值)，HK116型双锥天线以及HL223型对数周期天线(测试结果为电场强度换算值)。接收机采用R&S公司的ESR型EMI认证级接收机。测试天线和接收机摆放位置如图1所示。图中：x为天线长度。

电场强度换算值与电场强度的换算关系为

E′=20lgE

(1)

式中：E′为电场强度换算值， dBμV·m-1；E为电场强度，μV·m-1。

磁场强度换算值与磁场强度的换算关系为

H′=20lgH

(2)

式中：H′为电场强度换算值， dBμA·m-1；H为电场强度，μA·m-1。

图1　测试天线和接收机的摆放位置

试验时，测试动车组静态和动态工况下9～106kHz的对外电磁骚扰。测试频段分9个，分别为9～59，50～150，150～1150 kHz和1～11，10～20，20～30，30～230，200～500，500～1 000 MHz(其中第3，第4和第5频段为AM广播占用频段，第7频段为FM广播及电视信号占用频段，第8频段为民用对讲通讯占用频段，第9频段为手机通讯占用频段)。

不同工况下的测试方法如下。

(1)静态工况：动车组的所有系统和设备处于正常工作状态，辅助变流器满负荷运行，牵引变流器通电，但不启动牵引电机。对该工况采用接收机的准峰值检波器模式进行测试，捕捉动车组静态时的准峰值射频骚扰，以兼顾试验测试精度和效率。

(2)动态工况：动车组以(50±10) km·h-1速度运行，当经过测试天线时，在该给定速度范围内动车组以约1/3最大牵引力进行加速或减速。对该工况采用接收机的频谱仪峰值检波器模式进行测试，捕捉动车组整列通过时的峰值射频骚扰。数据采集过程：在动车组1号车经过天线前开始采集数据，直至8号车完全通过时停止采集数据，以充分评估整列动车组对外电磁骚扰的特性。

2　试验结果及分析

静态工况的测试结果显示，所有频段的电场强度换算值及磁场强度换算值均满足GB 24338.3—2009《轨道交通 电磁兼容 第3-1部分：机车车辆 列车和整车》中的限值要求。

动态工况的测试结果显示，9～59，50～150，150～1150 kHz和30～230 MHz频段的电场强度换算值和磁场强度换算值超标，1～11，10～20，20～30，200～500，500～1 000 MHz频段的电场强度换算值和磁场强度换算均满足GB 24338.3—2009中的限值要求。

整车对外射频骚扰测试超标结果如图2所示。

图2　整车对外电磁骚扰测试超标频段的测试结果

动车组内牵引组合系统(变压器、四象限变流器、牵引逆变器、电机)和辅助负载(空调、充电机、风机、逆变电源、压缩机、照明、ATP车地通讯、旅客信息系统、司机室对讲台等)都可能是骚扰源[6]。而从图2可见，不合格频段的换算值波形呈宽频带阶跃状脉冲，而非窄带单频点超标脉冲，因此可以排除ATP车地通讯、旅客信息系统、司机室对讲台等设备的电磁辐射影响。

静态工况的测试结果未超出限值，而动态工况的测试结果超出限值，由此分析动态和静态测试过程中动车组设备的运行状态可知，对静态工况和动态工况进行测试时辅助负载都是全部启动的，差别就在于由变压器、变流器、电机组成的牵引组合系统在静态工况下不整体运行、而在动态工况下进入整体运行工作状态。那么，动车组对外电磁骚扰的主要骚扰源可以确认为牵引组合系统。因此有必要对牵引组合系统的对外电磁骚扰进行抑制。

3　牵引组合系统对外电磁骚扰抑制的实验室试验

虽然标准GB 24338.3—2009要求整车采用10 m法进行测量，但根据IEC 62236-3-2—2008 《Railway Applications-Electromagnetic Compatibility Part 3-1：Rolling Stock-Apparatus》[7]的要求，对牵引变流器整机不要求进行对外电磁骚扰试验。由于不同整改措施在动车组上进行实车施工有周期长、影响运行等不利因素，因此仍需在实验室环境下对骚扰源即牵引组合系统进行整改试验。

目前电磁兼容领域的电磁骚扰抑制技术主要有屏蔽技术、接地技术、滤波技术3种。由于动车组的动力学和弓网试验都已经通过验收考核，考虑到采用滤波器会增加车体重量，影响整车电气布局，故不将滤波技术作为牵引组合系统对外电磁骚扰抑制技术的首选，以免影响动车组其他电气及机械性能。牵引组合系统的强电流通路为变流器的电机侧电缆和变压器侧电缆，故着重对牵引变压器至牵引变流器间的电缆以及变流器至电机的电缆更换为屏蔽电缆，并对电缆进行双端接地。另外，考虑到变流器箱体内部大功率高频率IGBT开关元器件对外部空间的电磁骚扰，还对变流器箱体上进出线口处的缝隙进行了铝箔屏蔽处理，即在变流器进出线口处采用双面导电的铝箔，且保证铝箔与接地螺栓连接，施工图如图3所示。

为获得牵引组合系统对外电磁骚扰数据，以验证整改优化措施的有效性，在封闭的交流传动试验室对牵引组合系统带负载运行时产生的电磁骚扰进行了测试。试验时采用的异步电机背靠背、交流能量互馈系统原理[8]如图4所示。

图3　进出线口加铝箔屏蔽的施工图

图4　异步电机背靠背、交流能量互馈系统原理

3.1　变流器电机侧电缆屏蔽的抑制效果

电机侧采用屏蔽电缆后，在所测试的9个频段中，9～59和50～150 kHz低频段的对外电磁骚扰有10～20 dBμA·m-1的优化效果(如图5所示)，其他频段的优化效果不明显。

图5不同频段下变流器电机侧电缆屏蔽后对外电磁骚扰抑制效果对比

3.2　变流器变压器侧电缆屏蔽的抑制效果

变压器侧采用屏蔽电缆后，在所测试的9个频段中，对外电磁骚扰改善良好的频段包括150～1 150 kHz和1～11，10～20，30～230 MHz，抑制前后效果如图6所示。其中，150～1 150 kHz和10～20，30～230 MHz频段的优化效果最明显，部分频率有15～30 dBμA·m-1(dBμV·m-1)的改善效果。

图6不同频段下变流器变压器侧电缆屏蔽后对外电磁骚扰抑制效果对比

3.3　变流器箱体电磁屏蔽的抑制效果

对比整改前后的测试数据，在所测试的9个频段中，30～230 MHz频段的电场强度换算值有2～5 dBμV·m-1的优化，如图7所示；其他频段的抑制效果不明显。

图7　增加铝箔后30～230 MHz对外电磁骚扰抑制效果

4　实车整改及试验

为了将交流传动国家重点试验室的研究成果应用到整车对外电磁骚扰抑制中，结合动车组电气设计原理及现场施工情况，制定实车整改策略，具体如下。

(1)考虑到屏蔽电缆具有良好的对外电磁骚扰抑制性能，依据实车无法全部更换屏蔽电缆的实际情况，将牵引组合系统的电缆用双端接地的铜网进行屏蔽。

(2)通过交流传动系统的试验室试验可知，在变流器箱进出线口处采用铝箔，对电磁骚扰有一定的抑制效果。因此利用铝箔对变流器箱体缝隙进行屏蔽。

(3)为了更好地让车体起到电磁屏蔽的作用，对牵引变流器两侧的裙板(共4块，每侧各2块)添加接地线。

(4)在动车组设计阶段，为了平衡车体电势差，避免过大的车体电压烧损绝缘层较弱的传感器，动车组为多点接地(每个动力单元有多个保护接地和1个工作接地，见图9)。可根据电磁兼容经典理论，由于多点接地会引入更多的环路通道，形成天线效应，从而增大动车组的对外电磁骚扰，因此实车整改时动车组变更为单点接地(每个动力单元有1个保护接地和1个工作接地，见图10)。

为了研究动车组上述整改策略特别是多点接地和单点接地方式对电磁骚扰特性的影响，2016年1月，在大西客运专线分别测试动车组保留1，2，7和8车保护接地(多点接地)以及摘除1，2，7和8车保护接地(单点接地)的对外电磁骚扰特性，试验结果如图11所示。由图11可见：保护接地摘除后(即动车组由多点接地改为单点接地后)9～59 kHz及30～230 MHz对外电磁骚扰有5～10 dBμA·m-1(或 dBμV·m-1)的抑制，其他7个频段抑制效果不明显。并且整车试验中传感器未出现过电压烧损现象。

图8　实车整改措施

图9　动车组多点接地方案

图10　动车组单点接地方式

图11　不同频段保护接地摘除前后对外电磁骚扰对比

整改后，动车组9～106kHz全部9个频段的电场强度换算值及磁场强度换算值均符合国家标准要求。

综上所述，电磁骚扰整改策略只是动车组设计制造完成后出现测试不合格现象时的补救措施。为提高动车组整车的对外电磁骚扰性能，最有效手段仍然是在设计研发过程中考虑牵引组合系统的对外电磁骚扰，提前采取抑制措施。联系本文所进行的试验及结论，建议在量产动车组前，应将牵引变流器的输入、输出电缆设置为屏蔽电缆，并对牵引变流器箱体进行电磁屏蔽设计。

5　结　语

本文对350 km·h-1中国标准动车组进行了对外电磁骚扰试验，通过对测试数据的分析，确定了以牵引组合系统为主体的对外电磁骚扰源。采取电磁骚扰抑制技术对牵引组合系统进行整改，并在交流传动国家重点试验室完成系统级对外电磁骚扰测试，确认变流器输入输出电缆使用铜网双端接地的屏蔽电缆、变流器箱体用铝箔屏蔽等措施的有效性。结合动车组电气设计原理以及现场施工条件，制定了电缆铜网双端接地、箱体铝箔屏蔽以及整车单点接地的抑制对策，实车整改后，整车对外电磁骚扰的电场强度换算值和磁场强度换算值均符合国家标准限值要求。

[1]单秦. 高速动车组电磁兼容性关键技术研究 [D].北京：北京交通大学，2013.

(SHAN Qin. Key Technologies in EMC of High Speed EMU [D]. Beijing: Beijing Jiaotong University,2013. in Chinese)

[2]吴命利，史丹，郭晨曦，等. 动车组升弓电磁暂态的仿真与测试 [J].中国铁道科学，2014,35(6):91-98.

(WU Mingli, SHI Dan, GUO Chenxi, et al. Simulation and Measurement of Electromagnetic Transients at Pantograph Lifting for Electric Multiple Unit [J]. China Railway Science, 2014,35(6):91-98. in Chinese)

[3]周文颖，逯迈，陈博栋.地铁列车司机室高频电磁暴露安全性评估[J].中国铁道科学，2015,36(5):116-121.

(ZHOU Wenying, LU Mai, CHEN Bodong. Safety Evaluation on High Frequency Electromagnetic Exposure in Driver’s Cab of Subway Train [J]. China Railway Science, 2015,36(5):116-121. in Chinese)

[4]中华人民共和国铁道部.GB/T 24338.3—2009 轨道交通 电磁兼容 第3-1部分：机车车辆 列车和整车 [S]. 北京：中国标准出版社，2009.

(The Ministry of Railways of the People’s Republic of China. GB/T 24338.3—2009 Railway Applications-Electromagnetic Compatibility Part 3-1：Rolling Stock-Train and Complete Vehicle [S]. Beijing: China Standard Publishing House，2009. in Chinese)

[5]CENELEC.EN 50121—2006 Railway Applications-Electromagnetic Compatibility Part 3-1：Rolling Stock-Train and Complete Vehicle [S]. Brussels: Technical Committee GEL/9, 2006.

[6]ADE Ogunsola.Electromagnetic Compatibility in Railways: Analysis and Management [M]. Genoa：Springer-Verlag，2012.

[7]The International Electrotechnical Commission. IEC 62236-3-2—2008 Railway Applications-Electromagnetic Compatibility Part 3-1：Rolling Stock-Apparatus [S]. Geneva: IEC Technical Committee 9: Electrical Equipment and Systems for Railways, 2008.

[8]李伟，张黎. 铁道牵引交流传动试验台的发展[J].铁道机车车辆，2008，28(增):121-124.

(LI Wei, ZHANG Li. The Development of Railway AC Traction Test System [J]. Railway Locomotive & Car,2008，28(Supplement):121-124. in Chinese)