工频谐波对机车信号干扰问题的分析与处置

邵嘉声

(中国铁建电气化局集团有限公司 北京 100043)

1 引言

我国交-直-交电力机车采用多重化单相PWM整流器，大大降低了电力机车发出的谐波电流总含量，但增加了整流器开关频率及倍频的高次谐波成分[1-3]。通过运用双边傅里叶级数(DFS)对交流机车的PWM整流器交流侧电压进行展开，详细推导网侧谐波电流解析式，探究得出谐波特性[4-6]。从牵引网自身抑制谐波谐振的角度，找出了通过改变牵引网供电臂长度来改变牵引网自身谐振点的方法[7]。采用车网系统阻抗频域模型的方式，研究了车网电气耦合系统的阻抗频率特性，从稳定性角度分析了牵引网参数及机车控制参数对高次谐波谐振的影响[8]。针对电力机车车载谐波治理装置的车载无源滤波器和有源滤波装置性能进行比较，根据不同滤波器的特点研制了车载混合滤波装置[9]。上述研究针对工频谐波产生的原理和谐波特性，针对谐波抑制采取了相应的措施。通过剖析轨道电路工频干扰问题，从干扰源、干扰途径、干扰形成原因进行测试分析，系统阐述了牵引工频电流谐波对轨道电路的影响[10]。针对接触网施工管理，基于BIM管理系统实现预配数据的集成，实现了接触网“一杆一档”资料管理和运营维护管理，从施工和维护方面改善了牵引网的谐波产生[11-12]。随着铁路的不断发展，50 Hz交流信号对轨道电路信号的干扰导致机车信号错误显示的问题越发复杂，给行车安全造成了极大的隐患。因此，分析工频谐波干扰产生的原因和寻找解决方案亟待进行。

2 故障现象描述

某高铁站连续发生多次列控车载ATP设备接收到干扰信号并解出低频信息的问题。为查找干扰信号来源，对地面以及列车进行排查测试。

3 故障测试与分析

3.1 自身干扰源排查

对地面轨道电路进行排查测试。在无车条件下轨面未测试到干扰信号，排除了轨道电路的自身干扰。

3.2 机载设备收码测试与分析

为进一步查找问题原因，对列车＋地面进行测试。本轨道列车保持静止不动，站场其他股道列车正常运行。监测对象包括车头TCR接收器电压、站台电力电缆中牵引电流和轨旁发送端扼流变压器钢轨引接线中牵引电流，测试位置见图1。

图1 测试位置示意

在测试过程中，列车共收码24次，其中包含L2码9次、LU码5次、L码4次、L3码2次、U码2次、LU2码1次、U2码1次，具体收码情况见表1。

表1 收码类型和时间统计

通过分析以上24次收码时刻的车载TCR接收电压、站台牵引电缆电流、轨面电压等数据，并与无码时刻的数据进行对比，选择三个持续时间最长的收码时刻为例，其TCR接收电压频谱分布如下所示:

(1)列车未收码时的车载TCR频谱分析图见图2，此时无明显轨道电路信号。

图2 无码车载TCR接收电压频谱分析

(2)列车收码类型为L码时，车载TCR频谱分析见图3、图4，此时低频分量分别为4 mV(见图3)和7 mV(见图4)，分别是1 750 Hz谐波107 mV的3.7%(见图3)和6.4%(见图4)。

图3 接收L码时车载TCR接收电压频谱分析(左起三个峰值分别是1 650、1 700、1 750 Hz)

图4 接收L码时车载TCR接收电压频谱分析(左起三个峰值分别是1 650、1 700、1 750 Hz)

(3)列车收码类型为L2码时，车载TCR频谱分析图见图5，此时低频分量仅5 mV，是1 750 Hz谐波107 mV的4.7%。

图5 接收L2码时TCR接收电压频谱分析(左起三个峰值分别是1 650、1 700、1 750 Hz)

站台电缆电流、轨面电压、TCR接收电压的谐波分量数据汇总见表2。

表2 测试数据汇总

由表2可得，在收码时刻，测试到站台电力电缆存在工频牵引谐波，站台牵引电缆的电流、1 G轨面电压及TCR接收电压的工频牵引谐波分量(1 650、1 700、1 750 Hz)会大幅升高。从以上频谱数据分析可知轨道电路低频信号远远低于工频牵引谐波分量信号。

综合以上测试分析，判断故障原因是由于列车收到工频谐波干扰信号时车载出现解码。干扰来源于站台下方的电力电缆，因工频谐波耦合到钢轨形成环流被机感线圈接收。

3.3 供电电缆测试

通过以上测试，判断干扰信号与牵引供电电缆产生的工频谐波相关联。为了查找并确定产生谐波干扰的具体线缆类型，分别对只有正馈线工作、只有PW线工作和正馈线以及PW线均不工作三种情形进行测试。在站台设置铁路干扰监测仪，采集站台下不同类型电缆的波形；同样在动车内部设置监测仪，采集TCR天线的感应波形。

(1)只有PW线投入工作

只有PW线投入工作时，PW线中谐波电流较小，同时TCR天线未感应到谐波干扰信号，如表3所示，说明PW线不是造成工频谐波干扰的主要线缆。

(2)只有正馈线投入工作

车载收到串码干扰时，正馈线电流中存在较大的谐波含量，开关控制线和断电状态下的PW线的谐波含量很小，只有毫安级，如表3所示，说明正馈线是造成工频谐波干扰的主要线缆。

表3 各线缆谐波含量

(3)正馈线和PW线均不投入工作

在测试过程中，正馈线与PW线均不工作，开关控制线谐波含量为零，列车全程未错误解码。同时TCR也未感应到干扰信号，见表3，可排除开关控制线电缆对车载接收的影响。

综上所述，造成工频谐波干扰故障的具体线缆为正馈线电缆。虽此次测试PW线缆未监测到谐波分量，但由于PW线中有电流，在某些场景下仍有可能成为干扰源。

4 解决方法

(1)结合现有条件联合电力部门对电力电缆进行局部外移处理，对不具备移设条件的，需对电力电缆实施电缆磁屏蔽或移除处理。

(2)优化车载解码逻辑。降低对工频谐波干扰信号的识别灵敏度或对工频谐波干扰信号进行逻辑处理，减小干扰信号对机车的影响。

(3)提高对低频信号的识别能力，对非低频信号不予处理。

5 总结

通过对轨道电路自身干扰、站台电力电缆及产生谐波干扰的具体线缆类型进行测试分析，找出正馈线是产生工频干扰的主要原因，并提出相应的解决措施。ZPW-2000A轨道电路经常受到的工频干扰多数是牵引电流流经其信号通道时产生的，然而ZPW-2000A区段工频干扰具有复杂多变性，如相邻线路干扰、相邻区段干扰等，碰到具体问题时，还需进行深入的理论分析和调查研究，找准问题症结，方可彻底整治。