邱作成 馬 強(qiáng) 劉 杰

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司， 130062， 長(zhǎng)春∥第一作者， 碩士研究生)

某型城市軌道交通車輛停于分相區(qū)，當(dāng)進(jìn)行分、合閘操作時(shí)，各車的軸端速度傳感器信號(hào)會(huì)受到干擾，誤報(bào)出速度傳感器故障。為驗(yàn)證干擾現(xiàn)象，特在車輛上安裝測(cè)試傳感器，捕捉干擾信號(hào)。通過(guò)測(cè)試工作接地與保護(hù)接地的接地電流，以及4車、5車之間的車鉤電流情況，判斷分相區(qū)在分、合閘時(shí)對(duì)各位置速度傳感器造成的影響。

1 試驗(yàn)方法及測(cè)點(diǎn)布置

1.1 電壓測(cè)量

車體軸端電壓測(cè)試原理如圖1所示。用接線銅鼻子從A、B點(diǎn)處獲取電壓信號(hào)，并與分壓器輸入端(變比為2 000∶1)相連接，分壓器輸出端通過(guò)同軸電纜與數(shù)據(jù)采集器相連接，再與PC機(jī)相連接。

圖1 車體軸端電壓測(cè)試原理圖

1.2 電流測(cè)量

為了測(cè)得工作接地與保護(hù)接地電流的幅值及相位，需構(gòu)建一套完整的測(cè)試與記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括獨(dú)立數(shù)據(jù)采集模塊、小型UPS(不間斷電源)、電流傳感器、同軸電纜，其測(cè)試原理圖如圖2所示。電流鉗夾于接地電纜上，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，通過(guò)電流鉗的電磁感應(yīng)，輸出±5 V左右的交流電壓信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)同軸電纜傳送到采集器并保存。采集盒內(nèi)的電源模塊將DC 220 V轉(zhuǎn)換成DC 12 V，給數(shù)據(jù)采集器供電。

圖2 車體軸端電流測(cè)試原理圖

1.3 測(cè)點(diǎn)布局及布線安裝

選擇車組中的2車、3車、4車、5車、6車、7車共6節(jié)車為測(cè)試對(duì)象，在每節(jié)車上均安裝一套獨(dú)立測(cè)試系統(tǒng)(包括電源、采集模塊、電流鉗)。測(cè)點(diǎn)布局圖如圖3所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)布局圖

1) 電流測(cè)試布線。所有電流采集均采用Fluke的卡鉗式電流傳感器，電流傳感器的信號(hào)由同軸電纜經(jīng)過(guò)塞拉門(mén)引入車上，并連接至數(shù)據(jù)采集盒，數(shù)據(jù)采集設(shè)備置于車上；卡鉗式電流傳感器套在轉(zhuǎn)向架軸端地線接構(gòu)架處，傳感器連接線纜沿構(gòu)架用扎帶固定至數(shù)據(jù)采集盒。

2) 電壓測(cè)試布線。在轉(zhuǎn)向架軸端接地線所接構(gòu)架處接高壓測(cè)試線，在構(gòu)架裸銅線所接車體接地塊處接另一個(gè)高壓測(cè)試線，線纜沿構(gòu)架用扎帶固定，經(jīng)過(guò)裙板和塞拉門(mén)固定后至車上高壓分壓器和數(shù)據(jù)采集盒。

2 測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

工況一：列車停于分相區(qū)中，升起3車受電弓，各個(gè)車均沒(méi)有速度傳感器故障碼。

工況二：列車停于分相區(qū)中，升起6車受電弓，4車、5車、6車、7車、8車均出現(xiàn)速度傳感器故障碼，6車受電弓與供電線產(chǎn)生持續(xù)的弓網(wǎng)拉弧現(xiàn)象，伴隨明顯的火光，并連續(xù)發(fā)出很大的“嗞、嗞”的放電聲音?，F(xiàn)場(chǎng)弓網(wǎng)拉弧的現(xiàn)象如圖4所示。

工況三:列車駛出分相區(qū)停車，反復(fù)進(jìn)行升降弓和開(kāi)斷主斷操作，各個(gè)車均沒(méi)有速度傳感器故障碼。

2.2 速度傳感器誤報(bào)原因分析

列車在分相區(qū)中出現(xiàn)速度傳感器誤報(bào)，與6車受電弓所在的位置有關(guān)。如圖4所示，無(wú)電區(qū)長(zhǎng)度為23 m，跨在5車上方，6車受電弓升起時(shí)在供電線和中性線的交接處，6車受電弓距離無(wú)電區(qū)不足6 m。故此時(shí)6車受電弓與B相供電線之間存在間隙，導(dǎo)致絕緣擊穿，產(chǎn)生電弧，形成持續(xù)的過(guò)電壓沖擊，傳遞到高壓電纜纜芯上；高壓電纜纜芯與屏蔽層耦合，在高壓電纜屏蔽層上產(chǎn)生較高的感應(yīng)過(guò)電壓，傳遞到車體上，形成持續(xù)的浪涌過(guò)電壓；浪涌過(guò)電壓通過(guò)車體傳導(dǎo)到軸端，導(dǎo)致列車各個(gè)車體軸端電位有持續(xù)的3 kV左右的浪涌過(guò)電壓沖擊，引發(fā)列車速度傳感器等設(shè)備誤報(bào)。

圖4 弓網(wǎng)拉弧示意圖

2.3 電壓測(cè)試結(jié)果

1) 升6車受電弓電壓測(cè)試結(jié)果(以5車為例)如圖5～6所示。由圖5可知，升起6車受電弓后、閉合主斷之前，每隔1 ms左右，5車4軸車體軸端就會(huì)出現(xiàn)幅值在1 kV左右的浪涌過(guò)電壓。由圖6可知，閉合主斷之后，每隔1 ms左右，5車4軸車體軸端就會(huì)出現(xiàn)幅值在1.43 kV左右的浪涌過(guò)電壓。同時(shí)，車體軸端持續(xù)存在幅值為100 V左右的正弦電壓。

圖5 閉合主斷之前5車4軸車體軸端各速度傳感器輸入端

圖6 斷開(kāi)主斷之前5車4軸車體軸端各速度傳感器輸入端

2) 升3車車受電弓電壓測(cè)試結(jié)果(以5車為例)如圖7～8所示。由圖7可見(jiàn)，升起3車受電弓后、閉合主斷之前，每隔1 ms左右，5車4軸車體軸端每隔，就會(huì)出現(xiàn)幅值在200 V左右的浪涌過(guò)電壓。由圖8可知，閉合主斷之后，每隔1 ms左右，5車4軸車體軸端就會(huì)出現(xiàn)幅值1.4 kV左右的浪涌過(guò)電壓。同時(shí)，車體軸端持續(xù)存在幅值為8 V左右的正弦電壓。

圖7 閉合主斷之前5車4軸車體軸端各速度傳感器輸入端

圖8 斷開(kāi)主斷之前5車4軸車體軸端各速度傳感器輸入端

升弓未閉合主斷包括升弓后閉合主斷前以及斷開(kāi)主斷后降弓前兩種情況。由于每種情況浪涌過(guò)電壓波動(dòng)范圍較大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，存在一個(gè)浪涌過(guò)電壓幅值波動(dòng)范圍，且這兩種情況的浪涌過(guò)電壓平均幅值大致相同。因此，為了方便分析數(shù)據(jù)，取兩種情況的平均值作為升弓未閉合主斷時(shí)刻的浪涌過(guò)電壓幅值。

2.4 電壓測(cè)試結(jié)果理論分析

1) 在閉合主斷后，絕大部分車體軸端浪涌過(guò)電壓平均幅值比未閉合主斷時(shí)的浪涌過(guò)電壓平均幅值大。這是因?yàn)樵谖撮]合主斷時(shí)，過(guò)電壓只能通過(guò)高壓電纜與屏蔽層之間的耦合向下傳播；而當(dāng)閉合主斷后，過(guò)電壓能沿高壓電纜纜芯及纜芯與屏蔽層間的耦合向下傳播，導(dǎo)致車體軸端電壓顯著升高。

2) 當(dāng)單獨(dú)升3車受電弓時(shí)，閉合主斷后出現(xiàn)的正弦電壓幅值比升6車受電弓時(shí)小很多。這是因?yàn)檐壍澜拥鼗亓魑暇€的位置靠近1車，當(dāng)單獨(dú)升3車受電弓時(shí)，閉合主斷后接地電流傳遞到鋼軌，大部分接地電流流向1車方向進(jìn)入軌道接地吸上線；只有少部分電流流向8車方向，并在所流過(guò)的各個(gè)保護(hù)接地軸端之間形成環(huán)流，其中4車和5車各個(gè)保護(hù)接地軸端中的環(huán)流較大，故在4車和5車的車體上產(chǎn)生一個(gè)幅值較大的正弦電壓。此時(shí)總工作接地電流大。由于軌道接地回流吸上線離1車較近，接地電流通過(guò)各個(gè)保護(hù)接地軸端在整列車上形成環(huán)流，在每節(jié)車的車體上都產(chǎn)生一個(gè)幅值較大的正弦波電壓，幅值最大達(dá)到222 V。

由以上測(cè)試數(shù)據(jù)分析可以看出，4車和5車的速度傳感器兩端的浪涌過(guò)電壓幅值大，這是因?yàn)?車和5車沒(méi)有設(shè)置保護(hù)接地，車體上的浪涌過(guò)電壓不能很好地瀉放到鋼軌，故出現(xiàn)傳感器誤報(bào)的幾率大；6車離弓網(wǎng)拉弧位置近，故在6車位置產(chǎn)生的浪涌過(guò)電壓的幅值更大；浪涌過(guò)電壓會(huì)在頭車發(fā)生折反射，從而使頭車的車體浪涌過(guò)電壓幅值增大。

2.5 電流測(cè)試結(jié)果理論分析

1) 當(dāng)列車升起6車弓后、閉合主斷之前，接地電流波形出現(xiàn)少量干擾，干擾波形幅值較小。在閉合主斷之后，各車接地電流波形干擾增多，干擾波形幅值增大。這是因?yàn)樵陂]合主斷后，過(guò)電壓可以通過(guò)高壓電纜纜芯向下傳播至各個(gè)接地軸端，并在各個(gè)接地軸端的纜芯中產(chǎn)生高頻過(guò)電壓，故在電流信號(hào)測(cè)試傳感器中產(chǎn)生較大干擾。

2) 在閉合主斷狀態(tài)下，各個(gè)軸端接地電流在列車升6車受電弓時(shí)比單升3車受電弓時(shí)干擾大。以5車4軸保護(hù)接地電流為例，升6車弓、閉合主斷后5車4軸接地電流與升3車弓、閉合主斷后5車4軸接地電流相比，前者干擾波形多，如圖9～10所示。

圖9 升6車弓、閉合主斷后5車4軸接地電流波形圖

3) 列車閉合主斷之后，各個(gè)軸端接地電流和車鉤中的電流均出現(xiàn)正弦電流波形，這是因?yàn)殚]合主斷后，工作接地電流通過(guò)軸端瀉放到鋼軌，并在各個(gè)接地軸端、車體之間的等勢(shì)線和車鉤中形成環(huán)流。各個(gè)軸端的環(huán)流大小、流向以及車軸端電位抬升的幅值大小由列車的升弓狀態(tài)、吸上線的位置、軌道特性等因素共同影響。

圖10 升3車弓、閉合主斷后5車4軸接地電流波形

3 解決方案研究

1) 通過(guò)在線路中性線和鋼軌之間加裝阻容性的吸收裝置來(lái)抑制過(guò)電壓。當(dāng)列車經(jīng)過(guò)既有線路產(chǎn)生電弧時(shí)，浪涌過(guò)電壓可以通過(guò)中性線與鋼軌之間的電容來(lái)吸收；在線路空載時(shí)，電阻對(duì)電容的泄漏電流有阻隔作用。阻容性的吸收裝置的具體參數(shù)有待本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析后提供。

2) 在列車駛離分相區(qū)時(shí)，注意控制主斷閉合時(shí)間，保證受電弓與供電線分離距離足夠大后，再閉合主斷，這樣會(huì)在一定程度上減少浪涌過(guò)電壓的沖擊。

3) 在列車車載電氣設(shè)備輸入端(如速度傳感器的輸入端)加裝卡鉗式濾波磁環(huán)，在高頻浪涌過(guò)電壓沖擊時(shí)，該磁環(huán)自動(dòng)呈現(xiàn)高阻抗，對(duì)過(guò)電壓進(jìn)行有效的阻擋。正常工作時(shí)，該磁環(huán)阻抗很低，不會(huì)影響傳感器的正常工作，可以有效抑制車載電氣設(shè)備被浪涌過(guò)電壓干擾?？ㄣQ式濾波磁環(huán)的阻抗和吸收頻帶的設(shè)計(jì)有待對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉頻譜展開(kāi)深入分析后得出。

4 結(jié)論

1) 車輛停在分相區(qū)內(nèi)合閘操作時(shí)速度傳感器故障誤報(bào)是由6車受電弓所在的特殊位置引起的。6車受電弓升起時(shí)在供電線和中性線的交接處，6車受電弓距離無(wú)電區(qū)不足10 m，此時(shí)6車受電弓與B相供電線之間縱向的電氣絕緣間隙不夠，導(dǎo)致絕緣擊穿，產(chǎn)生電弧，形成持續(xù)的過(guò)電壓沖擊；過(guò)電壓一部分通過(guò)互感器的接地點(diǎn)、電纜層分布電容及電纜接地點(diǎn)耦合到車體上，當(dāng)主斷閉合時(shí)，過(guò)電壓另一部分傳遞到高壓電纜纜芯上；高壓電纜纜芯與屏蔽層耦合，并通過(guò)屏蔽層與車體的接地點(diǎn)及屏蔽層與車體的分布電容傳遞到車體上，形成持續(xù)的浪涌過(guò)電壓，導(dǎo)致車體瞬態(tài)電位劇烈波動(dòng)。浪涌過(guò)電壓通過(guò)車體傳導(dǎo)到軸端，導(dǎo)致列車各個(gè)車體軸端電位有持續(xù)的3 kV左右的浪涌過(guò)電壓沖擊，引發(fā)列車速度傳感器等設(shè)備誤報(bào)。

2) 當(dāng)列車閉合主斷的時(shí)候，列車接地電流傳遞到鋼軌，在回流的過(guò)程中會(huì)在列車各個(gè)接地軸端、車體等勢(shì)線和車鉤中形成環(huán)流，同時(shí)使車體產(chǎn)生一定的電位抬升。各個(gè)軸端的環(huán)流大小、流向以及車體電位抬升的大小受列車的升弓狀態(tài)、吸上線的位置、軌道特性等因素影響。