張國芹 高國強

(中車長春軌道客車股份有限公司電氣研發(fā)部，130062，長春//第一作者，高級工程師)

近年來，我國高速動車組取得了快速的發(fā)展，但在運行過程中，也發(fā)生過一些因車載軸端速度傳感器被車體浪涌過電壓干擾后，輸出脈沖信號異常，導(dǎo)致其他車載設(shè)備無法正常工作的故障情況[1-4]。這類故障嚴(yán)重影響高速鐵路的正常運營。

日本鐵路技術(shù)研究所的Satoru Hatsukade分析了車體浪涌過電壓產(chǎn)生的原因，認(rèn)為過高的車體浪涌過電壓會引起車載設(shè)備尤其是車載電子設(shè)備故障和損壞[5-6]；北京全路通信信號研究設(shè)計院的楊劍和北京通號國鐵城市軌道技術(shù)有限公司的王晟各自通過對速度傳感器工作原理及安裝方式的分析，均認(rèn)為車體與轉(zhuǎn)向架之間的浪涌過電壓會影響速度傳感器的輸出信號甚至導(dǎo)致速度傳感器損壞[1,7]；青島四方機車車輛股份有限公司的馬云雙通過對動車組電磁干擾問題的研究，認(rèn)為車體產(chǎn)生過高的浪涌過電壓會導(dǎo)致速度傳感器內(nèi)部絕緣薄弱處被擊穿[4]；西南交通大學(xué)的嚴(yán)加斌對速度傳感器電磁干擾問題進(jìn)行了分析，認(rèn)為車體浪涌過電壓會通過屏蔽層與芯線間的寄生電容耦合到芯線內(nèi)，進(jìn)而對速度傳感器芯線中傳輸?shù)乃俣刃盘栐斐筛蓴_[3]；西南交通大學(xué)的朱峰研究了弓網(wǎng)離線電弧對速度傳感器電磁干擾的影響，認(rèn)為弓網(wǎng)離線電弧產(chǎn)生的輻射干擾會導(dǎo)致車體地電位升高，進(jìn)而對速度傳感器的正常工作造成干擾[2]。已有文獻(xiàn)表明，車體浪涌過電壓會引起速度傳感器輸出脈沖信號異常，也會導(dǎo)致速度傳感器損壞，但目前尚缺乏可用于定量分析的仿真模型。

本文首先介紹了速度傳感器的安裝方式，在此基礎(chǔ)上分析了速度傳感器發(fā)生電磁干擾的原因，然后建立了速度傳感器的電磁耦合仿真模型。通過試驗驗證了模型的正確性,同時采用仿真模型研究了車體浪涌過電壓幅值、信號傳輸電纜長度及信號傳輸電纜屏蔽層串聯(lián)電容對速度傳感器電磁干擾的影響。

1 速度傳感器工作原理及安裝方式

軸端速度傳感器以檢測輪軸轉(zhuǎn)速的方式，實現(xiàn)動車組運行速度及運行方向的檢測。其工作原理如圖1所示。

圖1 速度傳感器工作原理

由圖1可見，當(dāng)齒輪接近磁鐵時，磁力線就會集中到齒輪的齒部，并隨齒輪旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化。磁力線的移動變化經(jīng)磁阻元件檢測和電路處理后轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號輸出，傳感器R通道、S通道的輸出脈沖信號相位相差90°，可以用來判斷輪軸的旋轉(zhuǎn)方向。例如，當(dāng)動車組正向行駛時，R通道信號超前S通道信號90°，逆向行駛時，則R通道信號滯后S通道信號90°[4]。

速度傳感器電源與信號之間通過通過100 Ω電阻相連。當(dāng)速度傳感器前端的磁場改變時，傳感器依次輸出7 mA和14 mA兩個電流，該電流在電阻上形成0.7 V和1.4 V的兩個電壓，電源電壓減去電阻上的電壓得到速度信號的電壓[8]。如果在動車組運行過程中由于電磁干擾或其他原因?qū)е滤俣葌鞲衅鞯男盘栞敵霎惓?，則可能威脅到動車組的安全運行。

圖2為速度傳感器的安裝方式示意圖。從圖2可以看出，速度傳感器外殼使用鋼板固定于轉(zhuǎn)向架上，為減小傳感器信號電纜屏蔽層中流過的低頻干擾電流，在傳感器外殼與電纜屏蔽層之間串聯(lián)一個小封裝的4.7 pF電容。速度傳感器使用多芯屏蔽電纜，穿過列車車體機艙，與SDU模塊的X4連接器相連(SDU模塊為列車自動保護(hù)(ATP)系統(tǒng)的測速測距單元，能夠接收速度傳感器發(fā)出的脈沖信號[4])。

圖2 速度傳感器安裝示意圖

由于屏蔽層的一端與車體相連，另一端與轉(zhuǎn)向架地相連，車體浪涌過電壓會通過屏蔽層與芯線間的耦合電感和耦合電容對芯線內(nèi)傳輸?shù)乃俣刃盘栐斐筛蓴_。

2 電磁干擾仿真分析

2.1 仿真模型構(gòu)建

動車組在升降弓、主斷路器閉合以及接觸網(wǎng)遭到雷擊時車體容易產(chǎn)生浪涌過電壓[9-13]。經(jīng)現(xiàn)場測試，車體浪涌過電壓典型波形如圖3所示。通過對實測車體浪涌過電壓進(jìn)行傅里葉頻譜分析，可以得到圖4所示頻譜波形。

圖3 車體浪涌過電壓實測波形

圖4 車體浪涌過電壓頻譜波形

從圖4可以看出，車體浪涌過電壓頻率分量集中在1 MHz以內(nèi)。以最高頻率1 MHz來考慮，車體浪涌過電壓的最短波長為300 m。又由于速度傳感器信號傳輸電纜的長度小于單節(jié)車廂的長度(25 m)，所以車體浪涌過電壓的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過信號傳輸電纜的長度，因此，信號傳輸電纜上各點電壓和電流可看成恒定值，車體浪涌過電壓通過電纜屏蔽層對電纜芯線的干擾可以看成是由集總電容和電感引入的。建立的速度傳感器電磁干擾仿真模型如圖5所示。

圖5 速度傳感器電磁耦合仿真模型

圖5中，兩根導(dǎo)線平行，其中一根導(dǎo)線為等效屏蔽層，一端有干擾源Us，另一端有串聯(lián)電容Cseries，而Rshield和Lshield分別為屏蔽層等效電阻和電感;另一根導(dǎo)線為等效芯線，Rseries為芯線串聯(lián)電阻，Rwire和Lwire分別為芯線等效電阻和電感，K為屏蔽層與芯線間耦合電感的耦合因數(shù)，Ccoupling為屏蔽層與芯線間耦合電容。這里由于Rshield和Rwire遠(yuǎn)小于芯線串聯(lián)電阻Rseries，因此可以被忽略。

車體浪涌過電壓一方面引起電纜屏蔽層通過浪涌電流，進(jìn)而通過耦合電感影響到芯線的輸出信號；另一方面直接通過電纜屏蔽層與芯線間耦合電容在芯線上產(chǎn)生干擾。

2.2 仿真參數(shù)確定

根據(jù)速度傳感器發(fā)生電磁干擾的理論分析可知，多芯屏蔽電纜和屏蔽同軸電纜受到干擾的基本原理相同，因此，本文采用屏蔽同軸電纜進(jìn)行仿真分析。

動車組常用的編織型同軸電纜參數(shù)如下：電纜屏蔽層以及芯線材料均為銅[14]，屏蔽層直徑D=2.95 mm，厚度Δ=0.15 mm，內(nèi)芯直徑d=0.9 mm,電導(dǎo)率σ=5.8×107 s/m，磁導(dǎo)率μ0=4π×10-7H/m，芯線與屏蔽層間絕緣材料為聚乙烯，其相對介電常數(shù)為2.3。這里假設(shè)速度傳感器信號傳輸電纜長度為1 m。

Rseries為速度傳感器電源與信號之間的串聯(lián)電阻，阻值為100 Ω；Cseries為屏蔽層串聯(lián)電容，電容值為4.7 pF；Lwire為芯線自感，芯線為圓截面直導(dǎo)線，其計算公式和計算結(jié)果如下[15]：

15.2×10-6H=1.52 μH

式中：

l——導(dǎo)線長度，m；

r——導(dǎo)線截面半徑，m。

Lshield為電纜屏蔽層的自感，屏蔽層類似圓截面空心直導(dǎo)線，其計算公式和計算結(jié)果如下：

14.8×10-6H=1.48 μH

式中：

c——屏蔽層內(nèi)半徑q和外半徑r之比對應(yīng)的距離系數(shù)，由表1[15]取值。

表1 屏蔽層圓環(huán)截面幾何平均距離系數(shù)

K為屏蔽層與芯線間耦合電感的耦合系數(shù)，其計算公式和計算結(jié)果如下[16]：

式中：

Lwire——芯線自感；

Lshield——屏蔽層自感；

M——屏蔽層與芯線的互感。

由于所有屏蔽層上電流產(chǎn)生的磁通全部包圍著芯線，所以屏蔽層與芯線的互感等于屏蔽層的自感[17]。

Ccoupling為電纜屏蔽層與芯線的耦合電容，其計算公式和計算結(jié)果如下[18]：

式中：

ξr——聚乙烯材料的相對介電常數(shù)；

l——導(dǎo)線長度，m；

D——電纜屏蔽層直徑，mm；

d——電纜內(nèi)芯直徑，mm。

干擾源Us采用Pspice軟件自帶的指數(shù)電壓源。仿真模型中各元件參數(shù)如表2所示。

2.3 仿真結(jié)果分析

現(xiàn)場實測車體浪涌過電壓的持續(xù)時間為微秒級[19-20]，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定車載電子設(shè)備的浪涌試驗波形為5/50 μs[21]，因此，仿真所加信號源為單極性浪涌過電壓波形(見圖6)，其上升時間為5 μs，電壓峰值為10 V。

圖7所示為芯線串聯(lián)電阻Rseries兩端的串?dāng)_電壓波形。由圖可知，在車體浪涌過電壓峰值為10 V時，芯線串聯(lián)電阻感應(yīng)出峰值為0.012 V的浪涌電壓。可以推測，當(dāng)車體浪涌過電壓進(jìn)一步增大時，芯線干擾電壓也會隨之增大。當(dāng)芯線干擾電壓超過速度傳感器正常最低輸出信號電壓0.7 V時，則可能對速度傳感器正常工作造成干擾。

表2 電磁耦合仿真模型元件參數(shù)

圖6 車體浪涌過電壓仿真波形

圖7 電纜芯線串聯(lián)電阻兩端電壓

3 試驗驗證

為進(jìn)一步證實車體浪涌過電壓對速度傳感器的電磁干擾問題，本文還進(jìn)行了試驗驗證工作。試驗?zāi)Ｐ腿鐖D8所示。

圖8中信號發(fā)生器與屏蔽層及4.7 pF電容串聯(lián)，同軸電纜芯線串聯(lián)100 Ω的電阻Rseries，信號發(fā)生器輸出電壓的峰值為10 V，波形如圖9所示。

圖8 速度傳感器電磁干擾試驗?zāi)Ｐ?/p>

圖9 信號發(fā)生器輸出電壓仿真波形

圖10為芯線串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓的實測波形。由圖可知，當(dāng)信號發(fā)生器輸出浪涌電壓峰值為10 V時，在電纜芯線串聯(lián)電阻可以感應(yīng)出峰值為0.010 V的干擾電壓。試驗波形和仿真波形兩者均發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)振蕩衰減，衰減時間約0.3 μs。在幅值方面，仿真值0.012 V與試驗值0.010 V基本一致。

圖10 芯線串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓實測波形

4 干擾因素分析

4.1 車體浪涌過電壓的干擾

動車組在不同運行工況下，車體浪涌過電壓是不斷變化的。在電纜長度為1 m、屏蔽層串聯(lián)電容為4.7 pF的情況下，車體浪涌過電壓對芯線串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓的干擾仿真如圖11所示。

仿真結(jié)果表明，芯線串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓與車體浪涌過電壓幅值基本呈正比。當(dāng)車體浪涌過電壓為2 000 V時，芯線串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓為2.4 V，增幅為原來的10倍。而速度傳感器的正常輸出信號在串聯(lián)電阻上產(chǎn)生的電壓為0.7 V和1.4 V。由此可見，車體浪涌過電壓幅值過大會可能會影響速度傳感器的正常輸出信號。

圖11 車體浪涌過電壓的干擾仿真波形

4.2 電纜長度的干擾

動車組的速度傳感器與SDU單元通過信號傳輸電纜相連。由于速度傳感器安裝于不同的轉(zhuǎn)向架上，SDU單元安裝于列車自動駕駛(ATP)機柜內(nèi)部，因此，速度傳感器至SDU單元的電纜長度會發(fā)生變化。

圖12所示為在車體浪涌過電壓為10 V、屏蔽層串聯(lián)電容為4.7 pF的情況下，信號電纜長度與芯線串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓的關(guān)系。由圖可見，當(dāng)信號電纜長度從2 m至20 m變化時，芯線串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓從0.023 V增加到了0.180 V，增幅為原來的7.5倍。

圖12 電纜長度的干擾仿真波形

4.3 屏蔽層串聯(lián)電容的干擾

信號傳輸電纜屏蔽層串聯(lián)的電容大小不同，會直接影響到通過屏蔽層的浪涌電流的大小。由于屏蔽層的浪涌電流會通過感性耦合對傳感器芯線產(chǎn)生干擾，因此選擇不同大小的耦合電容分析其對芯線串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓的影響。

圖13中反映了在車體浪涌電壓為10 V、信號電纜長度為1 m時，電纜屏蔽層串聯(lián)電容對芯線串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓的干擾。由圖可以看出，當(dāng)電容值從100 pF至1 000 pF變化時，芯線感應(yīng)電壓從0.016 V增加到了0.043 V，增幅為原來的2.6倍。

圖13 電纜屏蔽層串聯(lián)電容的干擾仿真波形

5 結(jié)論

本文對動車組速度傳感器電磁干擾問題進(jìn)行了分析，建立了速度傳感器的電磁耦合仿真模型。基于仿真分析，得出以下結(jié)論：

(1) 車體浪涌電壓過越大，對速度傳感器的電磁干擾也越大。當(dāng)車體浪涌過電壓為2 000 V時，芯線串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓可達(dá)2.4 V。

(2) 信號電纜越長，對速度傳感器的電磁干擾也越大。當(dāng)電纜長度從2 m到20 m變化時，芯線串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓從0.023 V增加到了0.18 V，增幅為原來的7.5倍。

(3) 屏蔽層串聯(lián)電容越大，對速度傳感器的電磁干擾也越大。當(dāng)電容值從100 pF到1 000 pF變化時，芯線串聯(lián)電阻感應(yīng)電壓從0.016 V增加到了0.043 V，增幅為原來的2.6倍。

(4) 對比車體浪涌過電壓與信號電纜和屏蔽層串聯(lián)電容變化對速度傳感器的電磁干擾影響可知，車體浪涌過電壓的變化對速度傳感器的電磁干擾影響最大，且基本成正比例關(guān)系。

本文建立的仿真模型只考慮了傳導(dǎo)干擾對速度傳感器傳輸信號的影響，如增加考慮輻射干擾的影響，則分析結(jié)果會更加完善。