HX型电力机车实车运行电磁兼容问题调研分析

吴月明，张可飞

（中车大连电力牵引研发中心有限公司，辽宁 大连 116000）

0 引 言

随着国内电气化铁路的迅猛发展，高速、重载已成为当今轨道交通装备的发展主题。大功率电力电子器件及牵引传动系统和装置，以及数字化、智能化的网络控制系统和部件，已广泛应用于机车装备。机车的电磁兼容性逐渐成为业内人士关注的热点，其优劣直接影响机车的运行安全。

近年来，由于电磁兼容问题引起的机车故障种类繁多、屡见不鲜。如果此类问题涉及出口机车，将会影响中国铁路装备走出去的进程，进而对国家的声誉产生影响。同时，电磁兼容问题可能会对司乘人员的生命、健康构成潜在隐患。为了有针对性地研究并解决机车电磁兼容问题，现对交流传动机车实车电磁兼容问题进行调研。本次电磁兼容问题汇总以HX型交流机车为主要对象，将按车型以实例形式进行表述。

1 HXD1型电力机车电磁兼容问题及实例分析

HXD1型电力机车是由两节完全相同的4轴电力机车通过内重联环节连接组成的8轴重载货运电力机车。采用“交直交”电传动主电路形式，网络控制采用TCN结构形式。在HXD1型电力机车实车运行过程中，出现了过多起电磁兼容问题[1]。

1.1 信号线干扰故障实例分析

2014年，HXD1型电力机车运行过程中，受电弓突然自动降落，且IDU显示器无故障提示。工作人员查看对应时间区段机车ERM数据发现，机车节点状态从5300（主断闭合）直接跳变为2100（主电路配置复位），与机车的正常降弓方式即5300（主断闭合）、5100（分主断命令）、5000（主断已断开）……3100（降弓命令）、3000（受电弓已下降）、2300（主电路已配置）的顺序降弓方式不符。同时，查看故障记录，并未发现会引起主电路配置复位的故障。经分析，可能是由于线路上的毛刺信号引发机车模式的变化。后期整改过程中，对机车模式改变时间进行了3 s的延时滤波处理，故障再未发生。

电力机车在运行过程中经常发生主断路器跳闸、受电弓自动降落、中央控制单元（CCU）/牵引控制单元/制动控制单元通信异常等现象。经排查，此类故障是传导干扰所致。图1为电力机车传导测试方法示意图。

图1 电力机车传导测试示意图

传导干扰是电力机车常见的电磁兼容问题之一，主要以控制信号为受扰对象。上述故障现象是由信号线受扰引发。在电磁兼容检测标准中，设立了信号线脉冲群抗扰度、线缆传导骚扰抗扰度等专门针对此类电磁兼容问题的测试项点，可见这种电磁干扰的普遍性与严重性。在实车运行过程中，由传导骚扰产生的故障现象纷乱繁杂，故障点定位难度较大。设计人员应根据实践经验，通过屏蔽、滤波等手段强化线缆的抗扰能力，尽量避免此类问题的发生。

1.2 接地设计不当引发故障实例分析

在工作人员查看HXD1型机车网络故障数据时，发现4、5、6轴均报速度传感器故障。检修人员检查速度信号通道、更换3个轴的速度传感器，故障依旧存在。最终检查发现，机车Π架的3台电机均未安装与转向架之间的接地线。重新加装电机接地线后，故障消除。在电力机车运行过程中，也出现过由于接地设计不当导致积累静电荷无法正常泄放而使核心元器件击穿损毁等现象。

在所有电气设备运行过程中，接地设计不当是缩减设备使用寿命的主要原因之一。电力机车运行过程中，由于其工作、运行方式的特点，线路中会存在多种静电类、传导类干扰，无疑是对车辆接地系统设计的严峻考验。在车辆电磁兼容设计过程中，接地设计应当首先考虑重要环节。接地是否良好，直接决定了车辆电磁抗扰度的优劣。因此，优化接地设计是降低机车运行故障率、提高机车整体质量的重要途径[2-3]。

2 HXD2型电力机车电磁兼容问题及实例分析

HXD2型电力机车采用了基于IGBT元件的大功率水冷变流器、大扭矩异步牵引电机、卧式牵引变压器、微机网络控制系统、电子控制的制动系统等先进技术。在HXD2型电力机车实车运行过程中，出现了过多起电磁兼容问题。

在HXD2型电力机车段内调试过程中，当车辆受电弓与接触网接触或分离的瞬间，数字量输出模块出现死机，110 V数字量输出不受控。故障出现后，须工作人员手动复位，故障才可消除。经测量，监测模块5 V供电电压在升弓或降弓瞬间也出现大范围波动，而当机车稳定运行后，此现象消除。

受电弓一直都是电力机车电磁干扰源之一，其干扰主要发生在弓网结合和分离瞬间[4-5]。在这一瞬间，受电弓上会有大幅度的电流瞬变情况发生。由此而产生的瞬变电流，不仅会对车内敏感器件、线缆产生影响，也会以电磁波的形式对外辐射，进而对外界电磁环境造成污染。

3 HXD3型电力机车电磁兼容问题及实例分析

HXD3型电力机车是中国铁路的干线货运用电力机车车型之一。它的牵引电传动系统由东芝公司提供，制动系统由克诺尔公司提供。在HXD3型电力机车实车运行过程中，出现了过多起电磁兼容问题。

通信系统故障是比较常见的机车故障之一。在HXD3C/HXD3D机车网关优化升级过程中，出现过典型的通信系统故障实例。

HXD3C/HXD3D机车在批量换装RS485/MVB网关后，批量出现机车运行中误惩罚制动问题。问题发生时，没有任何征兆或正常引发惩罚制动的信号被激活。在制动机显示屏上显示“惩罚制动：司机室转换”“紧急制动：列车管线”等消息。后期经过确认后发现，是网关抗干扰能力不足，在经过分相区主断分断闭合瞬间发生异常，内部传送信号状态发生突变，并通过MVB通讯发送给了制动机。制动机收到该错误后，认为操纵端发生了变化，触发了惩罚制动。

HXD3D机车批量投入运行初期，也出现过车辆总线上两个最远端设备通信不稳定、通信超时等通讯异常问题。其中，有些能自动恢复，有些则必须要蓄电池重启后才能恢复。

机车通信系统是车辆的“神经”，是信息传输的通道。通信系统故障引发的事故不胜枚举，其中不乏重大伤亡事故。通信系统故障可能由内部传导干扰引起，也可能由外界辐射干扰引发。随着电气化铁路电磁环境的日益复杂，通信系统电磁抗扰能力的优化也成为一个亟需解决的问题。

4 结 论

综上所述，机车电磁兼容问题主要分为两个方面：传导干扰和辐射干扰。传导干扰可能引发车辆通信系统、控制系统、制动系统、显示系统等多方面故障。细化来说，涌流干扰、浪涌冲击、电快速瞬变脉冲群、静电干扰、接地不良等都会引起传导干扰的发生。辐射干扰主要指机车对外辐射问题，会对周围环境造成电磁污染，危及司乘人员人身安全。机车受电弓、牵引变流器、主变压器等高压大功率设备，都是典型的辐射源[6-7]。

在实车运行过程中，电磁兼容问题无处不在。相比于国外比较完整的电磁兼容标准体系，国内整车电磁兼容体系建设存在明显漏洞。在今后的车辆产业化道路中，一方面，设计人员应充分考虑车辆的电磁兼容特性，保证车辆运行的可靠性；另一方面，有关部门也应尽快完善整车电磁兼容标准体系，学习国外先进检测方法，从质量上把控机车车辆的电磁兼容性。只有将“研”与“检”结合，才可以促进国内轨道交通行业与国际接轨，进而引领国际市场的动向。

参考文献：

[1] 郭汉挺.HXD1型电力机车受电弓故障原因分析[J].电力机车与城轨车辆，2008，31（5）：54-55，58.

[2] 中国南车集团株洲电力机车有限公司.HXD1B型交流传动电力机车维修手册[K].株洲：中国南车集团株洲电力机车有限公司，2009.

[3] EN50121-3-1：2015，Railway Application-electromagnetic Compatibility 3-1 Rolling Stock-Train and Complete Vehicle[S].2015.

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

[5] 路宏敏.工程电磁兼容[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

[6] Jun-Young L，Yu-Seok J.An Isolated DC/DC Converter Using High-Frequency Unregulated LLC Resonant Converter for Fuel Cell Applications[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2011，58（7）：2926-2934.

[7] 康劲松，陶生桂，王新祺.大功率IGBT直流特性和动态特性的PSPICE仿真[J].同济大学学报，2002，30（6）：710-714.