劉 飛 ，毛瑞雷 ，張金寶 ，肖建軍

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2. 北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

在鐵科院環(huán)形鐵道試驗基地進(jìn)行的輻射發(fā)射試驗中，我國自主研發(fā)的某型動車組在個別頻段的電磁場輻射發(fā)射水平偏高約15 dB左右.高速鐵路(簡稱高鐵)電磁環(huán)境直接影響高鐵系統(tǒng)的電磁兼容性，對于高鐵系統(tǒng)本身和周圍的敏感設(shè)備都至關(guān)重要.動車組電磁輻射發(fā)射水平是影響高鐵電磁環(huán)境的重要因素之一，國際電工委員會、歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會、中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會等世界主要標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)相繼制定和發(fā)布了用于規(guī)范列車整車對外界電磁發(fā)射限值的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).其中，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50121-3-1:2017詳細(xì)闡述說明了軌道系統(tǒng)對外界的發(fā)射情況，規(guī)定了列車整車對外界電磁發(fā)射的限值[1]；國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC 62236-2采納EN 50121-3-1:2006標(biāo)準(zhǔn)；中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 24338.3—2018在參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)EN 50121-3-1:2017的基礎(chǔ)上，根據(jù)我國國情進(jìn)行了合理的修訂[2].

動車組牽引電流的諧波騷擾是動車組最主要的電磁騷擾源之一.動車組通常以金屬殼體作為地平面，系統(tǒng)內(nèi)的電力電子設(shè)備均以不同的方式接地，不同接地點之間總會存在一定的地回路阻抗，當(dāng)牽引回流中的諧波騷擾流過會產(chǎn)生地電壓，從而產(chǎn)生電磁騷擾[3].諧波騷擾電流耦合進(jìn)入列控設(shè)備，影響甚至破壞鐵路周邊的電子設(shè)備，嚴(yán)重威脅動車組的可靠運(yùn)行[4-5].動車組通常采用整車車體作為車載設(shè)備的“地”，車載設(shè)備通過各種接地方式連接到車體上，由于動車組運(yùn)行工況的變化，牽引電流諧波騷擾在車體、設(shè)備和公共地之間會發(fā)生很大的變化并且伴有大量的諧波發(fā)射[6].動車組牽引變流器的4個象限變流器單元和逆變器單元處于工作狀態(tài)時，產(chǎn)生豐富的諧波電流騷擾，諧波電流沿著牽引回路流動，產(chǎn)生明顯的電磁場輻射騷擾[7].動車組接地電阻的阻抗特性是影響車體過電壓的重要因素[8].所以，接地電阻阻抗特性將對動車組輻射發(fā)射產(chǎn)生顯著的影響.

綜上，本文作者通過動車組電磁場仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)的比對分析，得出導(dǎo)致動車組電磁場輻射水平偏高的主要因素為牽引騷擾電流回路產(chǎn)生的輻射電磁場.通過分析動車組動力電纜布線，提出基于接地電阻裝置的動車組輻射發(fā)射優(yōu)化方案.

1 某型動車組輻射發(fā)射試驗

依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 24338.3—2018規(guī)定的試驗方法，對我國自主研發(fā)的某型動車組進(jìn)行輻射發(fā)射試驗，測量列車在9 kHz～1 GHz頻段內(nèi)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定各類工況下的電磁輻射發(fā)射水平.

1.1 輻射發(fā)射測量系統(tǒng)

試驗中使用的測量天線覆蓋9 kHz～1 000 MHz頻率范圍，其中，30 MHz以下頻段使用磁場天線測量，30 MHz以上使用電場天線測量.測量電磁場強(qiáng)時，記錄電磁場強(qiáng)的準(zhǔn)峰值.測量系統(tǒng)見圖1.

1.2 現(xiàn)場試驗環(huán)境

為了避免測量結(jié)果受到環(huán)境電磁噪聲的影響，試驗環(huán)境應(yīng)盡可能在現(xiàn)有的軌道環(huán)境限制下滿足“自由空間”的要求.如果不能滿足該要求，應(yīng)在每次試驗前記錄試驗環(huán)境的背景電磁噪聲.在規(guī)定的試驗頻段內(nèi)，環(huán)境背景電磁場強(qiáng)應(yīng)低于標(biāo)準(zhǔn)限值以下6 dB，即環(huán)境背景電磁場對受試列車的輻射發(fā)射測量結(jié)果無影響.如果存在部分頻點或頻段的環(huán)境背景電磁場強(qiáng)不滿足上述要求，那么這些頻點和頻段的試驗數(shù)據(jù)應(yīng)予以刪除[2].試驗如圖2所示.

1.3 動車組輻射發(fā)射試驗概況

環(huán)形鐵道試驗基地現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，我國自主研發(fā)的動車組的電磁輻射發(fā)射水平，在個別頻段明顯偏高，典型的測量數(shù)據(jù)如圖3所示，典型試驗結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)動車組在個別頻段的空間磁場發(fā)射水平偏高約15 dB，列車輻射發(fā)射偏高的頻段主要集中在50～150 kHz以內(nèi)的頻段.

2 動車組輻射發(fā)射影響因素分析

為分析某型動車組輻射發(fā)射偏高的原因，分別針對全列車不同負(fù)載投入等工況進(jìn)行現(xiàn)場試驗，包括環(huán)境背景測試、全列負(fù)載投入工況并切斷不同車的牽引變流器測試、啟動試驗、空調(diào)測試、充電機(jī)測試、逆變電源測試、切除全列牽引電機(jī)風(fēng)機(jī)等8種工況下輻射發(fā)射測試.

2.1 動車組輻射發(fā)射試驗數(shù)據(jù)分析

圖4為不同工況的測試結(jié)果.可知，當(dāng)切除1～2臺牽引變流器(CI)時，動車組輻射發(fā)射幾乎沒有變化，切除3臺牽引變流器(CI)，輻射發(fā)射出現(xiàn)下降，當(dāng)切除全列牽引變流器，輻射發(fā)射迅速降到背景噪聲水平.切除其他任何負(fù)載(空調(diào)、逆變電源、電機(jī)送風(fēng)機(jī)、充電機(jī))，輻射發(fā)射幾乎沒有變化；進(jìn)行啟動試驗，輻射發(fā)射出現(xiàn)上升；換弓測試，輻射發(fā)射幾乎沒有變化.通過以上幾種不同工況的對比測試，初步判斷輻射發(fā)射偏高問題是由牽引騷擾電流回路所引起.多次試驗結(jié)果表明，牽引騷擾電流回路與輻射發(fā)射水平偏高問題存在明顯的因果關(guān)系.

2.2 動車組輻射發(fā)射影響因素分析

動車組牽引供電采用所采用的是25 kV、50 Hz交流供電，正常運(yùn)行時，動車組采用單弓受流，另一個受電弓處于折疊的狀態(tài)[9].當(dāng)動車組通過受電弓從接觸網(wǎng)上獲得能量供給車載設(shè)備后，通過接地電阻再經(jīng)由接地碳刷流入鋼軌，并通過貫通線流入大地，將牽引回流送至牽引變電所.列車等效電路見圖5.

車頂?shù)母邏贺炌ň€纜、牽引系統(tǒng)、設(shè)備線纜都會與金屬車體之間以及車體自身存在著分布參數(shù)，分布參數(shù)導(dǎo)致車體電路中存在大量感性、容性等效負(fù)載[10].所以，當(dāng)列車等效電路出現(xiàn)不同電壓源瞬態(tài)騷擾時，會導(dǎo)致電路中電壓和電流不能迅速的恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，產(chǎn)生豐富的諧波騷擾電流[11].這些騷擾電流沿著車體傳播，進(jìn)一步導(dǎo)致輻射發(fā)射測量結(jié)果水平偏高問題.需要注意的是，列車在運(yùn)行時隨著牽引功率的增加，騷擾電流強(qiáng)度相應(yīng)增大.根據(jù)圖5所示，牽引騷擾電流在車體上形成多個環(huán)路[12]：

1)環(huán)路1：變流器—車體—保護(hù)地線—輪對—鋼軌—輪對—工作地線—變壓器—變流器，或變流器—車體—保護(hù)地線—轉(zhuǎn)向架—工作地線—變壓器—變流器.

2)環(huán)路2：變流器輸入端PWM波引起的諧波騷擾電流，使得接觸網(wǎng)—變壓器—鋼軌形成電流環(huán)路.

3)環(huán)路3：由于工作地各接地點存在電位不等，使得兩構(gòu)架間存在電勢差，從而形成騷擾電流環(huán)路：工作接地2—電機(jī)2—轉(zhuǎn)向架—保護(hù)地1—車體—保護(hù)地2—轉(zhuǎn)向架—電機(jī)3—工作接地3—鋼軌—工作接地2.

列車供電系統(tǒng)頻率為工頻，輻射發(fā)射水平偏高的頻率范圍約為幾十kHz.這意味著，輻射發(fā)射水平問題并不是由牽引和供電直接導(dǎo)致.而是由列車等效電路的瞬態(tài)騷擾直接導(dǎo)致.需要指出的是，騷擾電流是直接影響動車組輻射發(fā)射的主要因素之一，車體接地會顯著影響動車組騷擾電流.因此通過切斷地環(huán)路，優(yōu)化接地電阻裝置，減小騷擾電流，降低動車組輻射發(fā)射.

動車組的接地系統(tǒng)簡圖如圖6所示[8].

由圖6可見該接地系統(tǒng)的特點如下：①牽引變壓器直接通過接地碳刷從相應(yīng)輪對實現(xiàn)牽引電流回流(變壓器初級回路與車體無連接)，僅有M車每軸都有接地裝置；②車體通過0.5 Ω電阻接到接地碳刷；③安裝軸端速度傳感器的轉(zhuǎn)向架軸箱蓋與鋼軌通過軸承油膜電阻連接；④每個牽引單元接地碳刷通過2 500號線短接，車體通過500號線短接；⑤每個車控制負(fù)線通過100號線在車體短接.

這就意味著，如果不采用接地電阻裝置，可能會使得相鄰M車軸間的車體阻抗小于這段距離之間的鋼軌阻抗，導(dǎo)致在鋼軌軌面上流動的牽引回流以及其他噪聲電流，會被吸上車體而構(gòu)成若干個重重相套的環(huán)流.這不但會帶來軸承電蝕等機(jī)械問題，也會使得電氣及控制系統(tǒng)的EMC設(shè)計無從控制.所以，采用一個適當(dāng)阻值的接地電阻以提高M(jìn)車軸之間的車體阻抗，可以控制這部分被引上車體的電流大小，同時能夠?qū)崿F(xiàn)車體的接地，使車體保持在一個接近地電位的安全電位上.

3 動車組輻射發(fā)射優(yōu)化

由前文給出的測試結(jié)果可知，受試動車組輻射發(fā)射水平主要在低頻段(150 kHz以下)偏高.依據(jù)電磁輻射發(fā)射原理，電流是影響低頻段電磁輻射發(fā)射的主要因素.根據(jù)前文針對列車等效電路的仿真結(jié)果，可以得出，車體接地會顯著影響車體騷擾電流的幅度、頻率.因此，本文提出解決動車組電磁輻射發(fā)射問題的一個關(guān)鍵手段是改善受試動車組接地電阻器的阻抗特性.通過改善動車組接地電阻從而減小騷擾電流，進(jìn)而改善動車組輻射發(fā)射水平.

3.1 動車組輻射發(fā)射仿真分析

騷擾源在車體上產(chǎn)生的車體過電壓沿著車體與鋼軌所構(gòu)成的傳輸線結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳播[8-9]，由于動車組高壓大電流牽引設(shè)備集中安裝在三車，該車廂是騷擾電流主要集中的位置，所以將三車作為主要騷擾來進(jìn)行動車組輻射發(fā)射仿真分析.

通過現(xiàn)場多次試驗對比可知，在低頻段即1.15 MHz以內(nèi)的騷擾是難以消除的，故將分析以及仿真1.15 MHz以內(nèi)的頻率.對車體電流時域信號做傅里葉變換得到在該頻段頻譜圖如圖7所示.

由圖7可知伴隨著主斷路器開關(guān)的動作，車體產(chǎn)生的車體電流出現(xiàn)明顯的諧波騷擾電流，其中，諧波騷擾電流最強(qiáng)的頻率約為70 kHz.因此仿真選擇該頻率分量作為騷擾輸入源，對比有無接地電阻時，整車輻射發(fā)射的變化，可以得出接地電阻阻值對整車輻射發(fā)射的大小的影響.

為了清晰了解接地電阻對整車輻射發(fā)射的影響，根據(jù)車廂牽引線纜在車廂分布對其添加逆變器輸出源，并添加牽引電機(jī)作為負(fù)載，建立輻射發(fā)射的電磁場數(shù)值仿真模型，分別對比安裝與未安裝接地電阻時對外輻射的大小，如圖8所示.

分別仿真動車組三車車廂輻射發(fā)射偏高頻段：9～59 kHz、從50～150 kHz、150 kHz～1.15 MHz,在10m 處輻射發(fā)射的大小，其仿真結(jié)果見圖9.

通過以上仿真數(shù)據(jù)，可以分析得出接地電阻會對車體過電壓以及輻射發(fā)射產(chǎn)生明顯的影響.更換接地電阻位置、數(shù)量、數(shù)值時會對車體過電壓產(chǎn)生明顯的影響.基于以上仿真分析分別對比在安裝和未安裝接地電阻時牽引大電流對整車輻射發(fā)射的影響，通過仿真對比可知，當(dāng)安裝接地電阻后整車輻射發(fā)射值有了較大的改善，并且與未安裝電阻時的對比有較大的不同，滿足大部分頻點小于未安裝電阻時的輻射值.綜上，當(dāng)采用五處車廂增加接地電阻的接地方式能夠準(zhǔn)確有效的將車體過電壓降到最小，并且能有效的降低牽引電流產(chǎn)生的輻射.

3.2 動車組輻射發(fā)射優(yōu)化

動車組牽引系統(tǒng)對車載弱電系統(tǒng)的電磁干擾可以通過地環(huán)路傳播并耦合進(jìn)弱電系統(tǒng)，車體和鋼軌地組成一個高頻交流地環(huán)路：“鋼軌-轉(zhuǎn)向架-傳感器外殼-電容-電纜屏蔽層-動車車體-電阻-轉(zhuǎn)向架-鋼軌”，會造成典型的交流地環(huán)路干擾.雖然各動車組的接地方式不同，但是各型動車組接地基本上是通過接地電阻來連接的，從而接地電阻的特性對動車組的接地特性會有相當(dāng)大的影響.經(jīng)以上分析可知通過在保護(hù)地間增加接地電阻，使得系統(tǒng)環(huán)路阻抗增大，從而減小環(huán)路電流，當(dāng)發(fā)射路徑一定的情況下，環(huán)路電流的變小使得對外輻射減小.

按照以上測試方法仿真得優(yōu)化方法，通過改變接地電阻的阻值對整車輻射發(fā)射有較大的改善，在9～59 kHz頻段時，在接入50 mΩ電阻后整體輻射發(fā)射的總體測量結(jié)果均小于未接入電阻時的輻射值.同樣在50～150 kHz和150 kHz～1.15 MHz頻段，對整車輻射發(fā)射的影響還是有很大的改善，尤其在50～150 kHz頻段，接入電阻后的輻射值幾乎全部小于未接入電阻時的輻射值.

4 動車組輻射發(fā)射特性優(yōu)化后驗證

根據(jù)第3節(jié)給出的仿真和理論分析，通過優(yōu)化接地電阻的阻值，進(jìn)一步優(yōu)化輻射發(fā)射.優(yōu)化后高速動車組整車輻射發(fā)射試驗結(jié)果如圖10所示.

對比圖9(b)的仿真結(jié)果與圖10的試驗結(jié)果，可以得出結(jié)論，通過優(yōu)化動車組接地電阻阻值，能夠顯著改善動車組電磁輻射水平.其中，圖9(b)在50～150 kHz頻段仿真結(jié)果表明，通過優(yōu)化動車組接地電阻阻值，電磁輻射發(fā)射的平均改善程度約為10 dB.圖10給出的該頻段現(xiàn)場試驗測量結(jié)果表明，動車組電磁輻射發(fā)射的平均改善程度約為10～15 dB.仿真結(jié)果和測試結(jié)果的數(shù)據(jù)曲線的趨勢走向的一致性相同，仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)呈現(xiàn)較好的一致性.仿真與試驗測量結(jié)果表明，通過優(yōu)化動車組接地電阻，能夠有效的改善整車電磁輻射發(fā)射水平偏高的問題.仿真結(jié)果與實測數(shù)據(jù)存在差距的原因主要在于仿真參數(shù)和邊界條件的差異.仿真使用理想地面、理想金屬車體；然而，實際測量時，空間電磁場受到非理想地面反射、地表面波傳播衰減以及車體的影響.

5 結(jié)論

1)通過研究動車組輻射發(fā)射特性，結(jié)合某型動車組輻射發(fā)射特性的試驗數(shù)據(jù)，得出影響動車組整車輻射發(fā)射特性的因素.基于理論研究和分析的結(jié)論，對動車組輻射發(fā)射進(jìn)行了優(yōu)化.試驗結(jié)果和測量數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化后的動車組輻射發(fā)射得到了較好的改善.

2)受試動車組輻射發(fā)射水平偏高問題并不是由牽引和供電直接導(dǎo)致，而是由列車整車等效電路的瞬態(tài)騷擾直接導(dǎo)致.通過在保護(hù)地間增加接地電阻，并優(yōu)化電阻阻值，結(jié)果證明在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加接地電阻個數(shù)并降低接地電阻的阻抗值對降低環(huán)路電流有很好的效果.當(dāng)發(fā)射路徑一定的情況下，環(huán)路電流的變小使得對外輻射減小.試驗測量數(shù)據(jù)表明，優(yōu)化接地電阻，能夠有效改善整車輻射發(fā)射水平偏高問題，輻射騷擾測量值平均改善程度約為10～15 dB.