列车与轨道信号系统电磁兼容设计和控制.doc

列卑与耗遭信咢系统电磁暴容锬针和控碉 郭振通(南车南京浦镇车辆有限公司城轨技术部,210031，南京/工程师） 97 摘要对列车与轨道信号系统的电磁兼容性设计进行了 分析，重点探讨了减小骚扰源产生的谐波设计、轨道回流均 流化设计及L-C滤波器参数设计。提出了列车与信号系统 电磁兼容性的设计和控制方法。关键词轨道信号系统；电磁兼容；牵引变电站；信号兼 容性中图分类号U 231.7Design and Control of EMC between Train and Track CircuitSystemsGuo ZhentongAbstract The design of track circuit signaling system, the electromagnetic compatibility of train and signaling system are analyzed in this paper, some parts are specially dis-cussed, such as how to reduce the conducted harmonic from the emission source, the design of two track equal return current and the L-C filter parameters. A presentation a-bout the train and track circuit electromagnetic compatibili-ty design and control method is given finally.Key words track circuit system; electromagnetic compati-bility; traction substation; signaling compatibility Authors address CSR Puzhen Electric Research & Devel-opment Department, 210031, Nanjing,China随着城市轨道交通的快速发展，列车自动控制 系统(ATC)的应用逐渐普及。电力牵引也已成为 目前世界上最理想的牵引方式。但是，从电磁兼容 (EMC)角度，牵引变电站及列车牵引系统对于轨道 交通信号系统来说，却是一个非常强的干扰源。根 据现场反馈统计，牵引及供电系统产生的谐波干扰 轻者对信号系统的正常运行产生影响，影响运输效 率;重者产生错误信号，威胁列车行车安全1。其主 要原因在于轨道既作为ATC系统对列车控制信号 的传输介质，也是列车牵引供电的回流通道。牵引 变电站和列车中的牵引变流器在工作中产生大量谐 波，一旦轨道回流中的谐波电流超出信号系统的限值，就会对信号系统产生干扰。目前，针对列车与轨道信号的电磁兼容设计，供 应商一般在各自设备研制中分别进行考虑，很少跨 越不同子系统之间加以综合考虑。本文对列车与信 号系统电磁兼容性的综合设计展开探讨，并提出了 电磁兼容性的控制方法。1轨道信号系统简述车地通信利用轨道作为信号的传输介质，传 递的信息主要有目标距离、目标速度、最大限速、 紧急停车、轨道电路编号等列车运行所需的控制 信息。列车通过ATP(列车自动保护）天线接收 这些数据，并通过计算形成相应的ATP速度保 护曲线和ATO(列车自动运行）速度曲线，控制 列车有序、正点、可靠运行，同时保证乘客乘车的 舒适性。车地通信过程如下:轨旁发送装置首先发送“轨 道空闲”检测信号，轨旁接收装置进行接收和判断， 当列车未驶人该区段时，接收装置接收的轨道信号 幅值超过设定值，做出“轨道空闲”判断，并将轨道空 闲信息传送给列车自动监控系统(ATS)，继续发送 “轨道空闲”检测信号;当列车驶人该区段时，轨道信 号被轮对短路，轨旁接收装置接收的信号低于设定 值，做出区段被占用判断，并发送给ATS。列车驶 入该区段后，轨旁发送装置改发ATP报文，车载 ATP通过天线进行接收2。轨道电路信号的调制方式一般为最小频移键控 (MSK)，载波中心频率在9 kHz到20 kHz之间，按 传输数字数据的值(或1)调制载波频率，并有约 100 Hz的频偏，并以频偏正代表1，频偏负代表0进 行数据的传递。对每个中心频率的谐波电流限值，不同公司的 轨道电路不尽相同，一般以300 Hz作为带宽进行测 量，谐波电流应小于1 mA。興.2012 年2列车与轨道电路电磁兼容设计和控制为实现列车牵引系统与信号系统的电磁兼容， 可以从两方面着手:一是提高信号系统的抗干扰能 力，二是减小轨道回流中的谐波电流。本文重点分 析如何降低轨道中牵引回流的谐波电流，并提出实 现列车与轨道信号系统电磁兼容性的控制方法。降低轨道回流中谐波电流的方法主要有三种： 一是减小骚扰源产生的谐波;二是轨道回流均流化 设计;三是合理设计L-C滤波器参数。2.1降低骚扰源产生的谐波整个牵引供电回路中的骚扰源主要有牵引变电 站和列车的牵引变流器。2.1.1 降低牵引变电站产生的谐波牵引变电站的主要设备是变压整流机组，其作 用是将35 kV交流电降压整流，变为1 500 V(或 750 V)直流电压给接触网供电。变压整流机组在 工作过程中产生谐波电压。谐波电压沿着供电回路 进行传导，对轨道信号产生骚扰。整流机组产生谐波的次数与其输出脉波数有 关。理想情况下，反映到整流机组高压侧的谐波次 数为& P 1的整数倍(其中P为整流机组脉波 数，fc为正整数)3。整流机组脉波数越高，产生较 低次谐波越少。目前,国内的轨道交通供电系统一般采用12脉 波或24脉波两种整流方式。对12脉波和24脉波 整流进行仿真计算，结果如图1所示。由图1可知，12脉波和24脉波整流装置的电压波动分别为30 V 和1 V左右。其中24脉波整流装置优势明显。 1 560 舀 1 500 也1 1 440卜耀鼸装2置4蜜蝥義I装0.06 0.0660.0720.078时间/s0.0840.090图1 12脉波整流器和24脉波整流器谐波仿真计算结果对两种整流装置在轨道电路工作频率范围的谐 波进行分析计算。12脉波和24脉波整流器在9 20 kHz频率范围的谐波仿真计算结果如图2所示。 24脉波整流装置在音频范围内的谐波电压小于12 脉波整流装置，其中最大值处两者相差约1 mV。B90.412,丨躍k馨讓囍I量量-0.80.139 20.140 00.140 80.141 60.142 4时间/s图2音频范围12脉波整流器和24脉波整流器谐波仿真计算结果在深圳某项目中，对12脉波整流和24脉波整 流两种供电方式进行了对比测试，如图3所示。结 果表明，24脉波整流供电明显优于12脉波供电:24 脉波整流供电条件下13. 5 kHz频率的谐波电流约 为12脉波整流条件下的一半。图3 12脉波和24脉波整流13.5 kHz谐波电流测试结果306090时间/S(b) 24脉波整流因此，牵引变电站采用24脉波整流装置是降低 轨道中谐波电流的方法之一。从技术的角度，整流 脉波越高，电压纹波越小，但综合经济及技术两方 面，24脉波整流装置性价比较高。因此，目前新建 设的城市轨道交通牵引变电站采用的整流方式基本 都趋向24脉波整流。2.1.2降低列车牵引变流器产生的谐波一般的列车牵引变流器主电路图如图4所示。 列车牵引变流器一般采用正弦脉宽调制(SPWM)方 式将输入的直流电压变为电压、频率可调的三相交 流电，驱动4台异步牵引电机。牵引变流器输出的 三相交流电压波形如图5所示。 101 VqiInnnnninnnnnipuuu 11UUUUU1 uuiinnnnnii nnnri uuuuu?ronxm图5牵引变流器三相驱动信号变流器输出的电压脉冲的幅度相等，宽度变化 呈正弦分布，各脉冲面积与一个载波周期内正弦波 下的面积成比例。由于电机是感性负载，具有滤波 作用，因而流过电机定子的基波电流波形为正弦波， 但含有丰富的谐波成分。谐波电压反馈到牵引供电 回路中，对轨道信号产生骚扰。变频器有同步调制、异步调制和分段同步调制 等三种调制方法。低速采用异步调制，髙速采用分 段同步调制，以提高载波频率，减小电机脉动，减小 谐波电压。在采用优化控制策略的同时，对主电路合理布 局，对开关元件的连接线路进行环路最小化设计，最 大限度减小变流器换向回路的杂散电感和特征阻 抗，可有效地减小换向过电压、电磁能量。同时，采 取增加滤波器、屏蔽、接地、隔离等措施，减小电磁干 扰能量的传播。2.2轨道回流均流化设计轨道信号电流沿着闭合的轨道电路传输，车载 ATP采用两幅天线接收2个轨道上传输的信号。2 个线圈的连接方式如图6所示。两轨道中轨道信号电流方向相反，2个线圈接 收ATP报文感应信号电压的方向相同，互相叠加。而两轨道中的回流谐波电流方向相同，在两个接收 天线中的感应谐波电压方向相反，互相抵消。可见， 实际对轨道电路造成骚扰的有效成分是两轨道谐波 电流的差值。因此，信号兼容性设计的另一个重点 是尽可能使牵引回流在两轨道中均匀分布。为此采 取以下措施：(1) 在列车上，应将牵引变流器布置在车下的 中部，回流线在底架两侧对称分布，使从变流器到两 导轨的回流线阻抗相等。(2) 在轨道上，每间隔一定距离设置一个S型 均流棒，对两钢轨中回流进行均流。(3) 尽量保证钢轨接续线完好，紧固扼流箱中 点连接线(连接板）以及扼流箱连接端子，使其接触 良好。工务轨端鱼尾板螺栓紧固，供电接触网杆塔 火花间隙良好;地线不能直接与钢轨相连，以便尽量 减少轨道电路的横向不平衡，降低牵引电流不平衡 对轨道电路的干扰4。2.3合理设计线路滤波电抗器在列车牵引主电路中串接线路滤波电抗器L (以下简为“电抗器”）。L与逆变器内部的支撑电 容C共同组成L-C滤波器，如图7所示。L音频数字轨道电路的工作频率一般为920 kHz，L-C滤波器的谐振频率应设计为远小于音频 数字轨道电路的工作频率。考虑到牵引供电主回路 中含有50 Hz成分，因此将谐振频率设计在30 Hz 以下。可根据式初步计算电抗器的取值范围。=(4 000丌2尸C)-1(1)i!曜式中：L电抗器电感，mH;f L-C滤波器谐振频率，Hz;C支撑电容容量，户F。如某一项目牵引变流器内支撑电容容量为 7 800 F，根据式(1)，该项目电抗器电感的取值为 jL3.6 mH。另外，在设计阶段，应根据所选用的轨道电路的 工作频率及谐波电流限值要求，对主电路建模进行 仿真计算，分析变流器在各种工况下输出的传导谐 波电流，并根据仿真结果调整设计最优化的L-C滤 波器的参数。除了以上三种方法外，在列车的布线上应注意 以下几点:滤波电抗器输人输出电缆隔离;回流 电缆线与车体绝缘;回流电缆与电机电缆隔离; 车体接地线与回流线分开设置,综合利用隔离、屏蔽 和接地等措施降低轨道回流中的谐波。本项目综合考虑了以上因素，电抗器电感取值 为5 mH。实车测试结果表明，列车输出的传导谐波 电流达标。3结语列车与轨道信号系统的电磁兼容性关系到列车 的行车安全，必须高度重视。要把电磁兼容工作贯 穿于列车的设计、制造以及试验全过程中。采取有 效措施抑制骚扰源的谐波，采用双轨回流均流化设 计降低回流谐波对轨道信号的骚扰，合理设计L-C 滤波器参数，可有效降低轨道回流中轨道电路工作 频率范围的谐波电流。同时，应综合利用隔离、屏蔽 和接地等措施降低轨道回流中的谐波，确保列车与 信号系统的电磁兼容。参考文献1 姜贺彬.牵引供电系统对铁路信号系统的电磁干扰分析D. 成都:西南交通大学电气工程系，2009.2 林瑜筠.城市轨道交通信号M. 2版.北京：中国铁道出版 社，2010.3 李建民，尹传贵.城市轨道交通牵引供电系统谐波分析J.城 市轨道交通研究，2004(6): 46.4 卫明博.铁路牵引供电对信号系统电磁干扰抑制的施工工艺 研究J.中国高新技术企业,2010(4):172.(收稿日期:2011-03-21)(上接第48页）重要保障。目前，国内对于公共交通产品的交互设 计研究还处在起步阶段，尤其是对用户行为、用户心 理，以及人机数据的调研、分析相对不足，从而影响 公共交通产品的功能和对用户需求的满足。综观现 代信息技术与产品设计发展趋势，以用户为中心的 交互设计方式因其科学性、合理性和人性化正受到 越来越多的重视，其产生的良好效应也得到不断的 验证，因而应用领域不断扩大。由于篇幅有限，本文 无法详述设计改进方案，只是总结了实践中的几点 心得，希望能抛砖引玉，为交互设计的发展和公共交 通产品功能的完善做一点有益的探索。参考文献Dan Saffer.交互设计指南M. 2版.陈军亮，陈媛嫄，李敏，等，译.北京: