赵强，刘亚飞，马志瑜，李锋

(中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062)①

伊斯兰教历时十二个月，以百万计的穆斯林前往沙特麦加朝觐，中车长客制造轻轨列车为往返于朝觐地点的穆斯林提供运营服务.朝觐运营最高峰单向输送旅客达72 000 人·次/h，最短追踪间隔时间70 s，超强性负荷快速运载对列车运营安全性提出了更高要求，任何影响运营安全的因素都必须予以高度关注并在朝觐运营前得到根本解决.

朝觐运营演练车辆、信号、供电及站台设备系统安全问题研讨会中，信号系统供应商提出车辆运营过程中发现存在轨道电路信号变换延时、自动驾停车车门对位超限问题，认为列车牵引系统产生电流谐波分量频率与地面信号系统的工作频率处于同一频率范围内的干扰信号超过信号系统抗干扰限值要求,影响信号系统的正常工作.

为充分保证朝觐期间运营安全性，将发生风险的可能性降低到最小，中车长客根据沙特业主要求针对列车与轨道电路信号系统EMC问题开展分析、测试、评估工作确定问题解决方案.

1 牵引系统与轨道电路EMC干扰问题

电磁兼容指目标应具备的一种能力，即目标在既定工作环境下不因工作电磁环境发生不可接受的性能降级或失效，也不会产生不可接受的电磁发射[1].

沙特轻轨的电磁兼容问题一方面是列车及其牵引系统会产生电磁干扰，一方面是地面信号系统的抗电磁干扰能力薄弱.因此，应采取措施降低对外部的电磁干扰，同时也应提高信号系统的抗干扰能力.

1.1 牵引系统谐波电流产生机理

沙特轻轨牵引采用直-交型传动方式，系统设计在满足车辆动力性能、故障运行/救援能力及实现预期的行驶速度的前提下，充分考虑参数匹配、特殊运行工况及电磁兼容性要求.

牵引系统中逆变器产生的干扰电流经回流线流入铁轨，影响到轨道电路的正常工作[2].逆变器作为牵引系统关键部件之一，其主要功能是实现直流和交流间的电能量转换，整个控制转换过程通过逆变桥、控制逻辑和滤波电路等核心部件共同作用实现.在牵引高压直流输入电通过IC高频放大推动MOS管转换为高频交流电的过程中，附加产生了交流电工频谐波分量，其中一些谐波成分落在信号工作频带内，会通过不平衡电流的方式对轨道电路设备造成电磁干扰.

牵引谐波电流对信号系统的干扰影响不仅需要考虑产生谐波分量频率范围，也要结合列车在不同的工况下(启动、加速、匀速、减速、制动)引起的各次谐波分量比例、幅值的变化规律进行全面分析.因此，为确定谐波电流是否会对信号系统产生影响，需要严格把握牵引系统工作时的各种状态，分析各种不同状态下逆变器产生的干扰电流.

1.2 轨道电路工作机理

列车回流线流经地面信号系统的干扰电流是否会影响地面信号系统的正常工作，不能只考虑干扰电流的大小，更应考虑地面信号系统的抗干扰水平[3].沙特轻轨地面信号系统主要为Thales轨道电路，电路频率范围为350～520 Hz，工作电流值范围为150～200 mA，其原理如图1所示.

图1 轨道电路原理图

轨道电路的发射机发出低频信号经放大器、浪涌保护器、轨道滤波器、浪涌分流器等传送至铁轨后到接收端；接收端连接铁轨的一端是初级线圈，另一端是浪涌分流器、阻抗谐振器，通过铁轨流经初级线圈的电流会在初级线圈中产生磁场.次级线圈与初级线圈共同包裹在一个复合线圈内，次级线圈与初级线圈的磁场切割面相同，线圈匝数不同；次级线圈中的感应电流经滤波器、放大器到达轨道电路的继电器，继电器由于受到电流的作用会产生“上拉”和“下拉”动作.当继电器接收到了所发送的信号时，说明该段轨道上没有列车经过，信号顺利经铁轨抵达接收端，继电器显示为“下拉”状态；当继电器没有收到所发送的信号时，则发射机发出的信号没有顺利通过轨道，说明该段轨道上有列车经过，列车与铁轨的回路将所发送信号短路，此时继电器显示为“上拉”状态.

基于这样的原理，实际的轨道电路中就存在着两种可能出现的问题.第一种情况是正面失误，即该段轨道上无列车通过，但继电器仍没有正常接收到信号，错误的显示为“上拉”状态，在实际轨道上无车的情况下，轨道电路显示有车的状态.虽然正面失误会造成轨道电路的误判操作，但是这种情况并不会造成严重的后果；第二种情况则需要特别的注意，称为负面失误，即该段轨道上有列车通过，发射机所发出的信号被列车短路应不会被继电器接收到，但由于干扰电流的存在或其他方面原因，致使继电器被错误地“下拉”或不能被“抬高”，错误地显示该段轨道上没有列车经过.此时就面临着十分危险的情况，极容易造成两车的相撞，故负面失误问题是轨道电路极力规避的错误.

2 问题解决方法及测试方案

根据牵引谐波电流产生原因和轨道电路工作机理的分析可知，牵引系统可能是主要电磁干扰源，其工作时附加产生的高次谐波分量如果与轨道电路的工作频率处于同一频率范围内，会通过回流线和轨道对轨道电路造成干扰.轨道电路接收端滤波器的频率带宽响应非常窄，缺点是只需要较小与其工作频率相同的干扰电流就有可能错误地启动接收器，从而引发负面失误，干扰使轨道继电器不能正常拉低或者在有车被占用时处于抬高状态，这样导致轨道电路在被占用时却显示空车状态.

从解决沙特轻轨电磁兼容问题角度而言，确定问题解决方法及具体实施方案需要明确三个主要问题：

(1)列车回流线产生的干扰电流A究竟是多少？

(2)回流线上的干扰电流如何流至地面信号系统的接收端，接收端的干扰电流B是多少？

(3)轨道电路信号系统的传导抗扰度C是多少？

剖析以上三个问题发现，问题(1)的干扰电流A是应该大于问题(2)中的干扰电流B，因为问题(1)中的干扰电流A是问题(2)中干扰电流B的来源.同时，问题(3)中的抗扰度值C需要大于问题(2)中的干扰电流B，才能使轨道客车处于正常工作状态.另外，问题(3)中的抗扰度值C与问题(2)中的干扰电流B之差，正是沙特业主十分关注的地面信号系统的安全裕度.

因此，为了明确上述3个问题，相应地提出了问题解决测试方案：

问题(1)列车(AW3)回流线的传导发射测试；

问题(2)列车(AW3)对轨道电路干扰电流测试；

问题(3)轨道电路信号系统的电磁抗扰度测试.

其中，AW3指的是每平方米有9个人的负载，列车处于AW3状态时已处于超载和状态，相比AW0AW1AW2载荷状态，列车运行时会需要更大的牵引或制动能量，说明列车的运行已进入相对恶劣情况，对此时条件下的列车进行电磁传导发射和传导抗扰度测试，相对而言可以获得更可靠的测试结果.

3 电磁兼容问题影响分析

在充分明确电磁兼容问题解决方法和测试方案的基础上，为了全面深入地进行问题影响分析评估，需要分别从列车谐波干扰电流、轨道电路接收端内干扰电流及轨道电路电磁抗扰度三方面进行了仿真分析及试验测试，以期通过数据分析确定轨道电路在牵引谐波存在条件下工作敏感性结论.

3.1 列车产生谐波干扰电流

为了确定最坏条件下列车在轨道上的干扰电流限值，首先对其牵引系统(包括逆变器VVVF和辅助逆变器SIV)在轨道电路工作频率上进行了异步模式和单脉冲模式仿真预测.仿真计算得出整车的干扰回流值不超过车辆设计对牵引系统所提的技术限值1.8 A，这在理论层面上说明谐波电流不会对信号系统产生干扰.为进一步对比仿真数据同时验证真实工况下牵引产生谐波干扰电流值,分别独立地采用A方式和B方式在轨道电路工作频率点上进行了列车回流线传导发射测试，两者的测试数据结果如表1所示.

表1 列车回流线传导发射测试的测试结果

从表1可以发现，二者列车回流线传导发射的测试结果处于同一数量级，整车回流数值差在0.057～0.725之间.需要强调的是：牵引电流的谐波含量十分丰富，频带和幅值变化范围很大.测试结果不仅与采集信号传感器精度有关，同时与频谱仪所设置的分辨率带宽有一定的关系，分辨率带宽越宽，进入该频谱仪中频滤波器能量越多(包括随机噪声和其他频率相邻的信号)测试数据的幅值则越高.A方式和B方式采用分辨率带宽分别为4 Hz和10 Hz，故A方式测试数据结果略高.对于384 Hz频点上测试结果的接近性，说明此频段上采集信号经滤波后的有效谐波分量可分辨带宽集中于4 Hz附近；而387 Hz频点上数值达到0.725的情况则正好相反.

3.2 轨道电路接收端内干扰电流

部分轨道电路信号系统工作频点上谐波电流高于其正常工作电流并不能说明一定会造成干扰，真正会造成干扰的是流经轨道电路接收端内的干扰电流.该电流不仅与列车的谐波电流有关，而且与地铁的轨道实际情况有关，电流的大小更取决于后者.因此，有必要对轨道电路接收端内的干扰电流进行更进一步地测试分析.

因此，分别应用不同测试方法在列车AW3工况下针对轨道电路接收端干扰电流运行了测试.图2示意了两种测试方法电流钳测量干扰电流值所夹位置，并简明地反映了列车的电流是如何提供和如何返回的.如果两个铁轨上的轨道回流是完全平衡的，在阻抗轨隙连接器处各电流成分会汇聚在一起.实际上，两个铁轨上的轨道回流是不可能完全平衡的，一部分回流会流入到轨道电路，但是能够肯定的是，轨道电路上的干扰电流要比列车的传导发射电流小得多[4].

图2 列车干扰电流两种不同的测试现场

方式2采用半列车进行了三次传导发射测试，从测试结果可以看出频率为375 Hz的干扰电流和列车速度之间关系，如图3所示.

(a) 列车加速至72 km/h和减速至44 km/h

从图3(a)可看出，当列车加速至72 km/h并准备开始减速时，最大干扰电流值为0.275 A，其他相对较大的干扰电流值分别对应的是44 km/h时的0.250 A，55 km/h时的0.248 A；从图3(b)可看出，72 km/h时，最大干扰电流为0.225 A，另一个相对较大的干扰电流值是43 km/h时的150 mA.从图3(c)可看出，当列车加速至85 km/h并准备开始减速时，最大干扰电流值为0.275 A，其他相对较大的干扰电流值分别对应的是70 km/h时的0.232 A，45 km/h时的0.15 A.总的来说，当列车开始制动或加速到70～80 km/h时产生最大干扰电流，由于不同的列车加速和测试条件，最大干扰电流值出现在不同的速度.

因为是用半列车进行测试，因此整车的最大干扰电流计算公式如下：

此外，方式2选择分辨率带宽为1 Hz和4.8 Hz频率上进行传导发射测试，如图4所示，不同分辨率带宽下，出现最大干扰电流时的列车速度是不同的.鉴于滤波器的带宽为1 Hz，因此轨道电路传导发射电流测试的分辨率带宽最好也应选为1 Hz.

(a) 列车最大加速状态

在轨道电路的干扰电流测试过程中，列车运行过程大致可分为三个阶段：最大加速，以22 km/h匀速运行，制动减速.频谱分析仪设置为最大保持状态，所以当列车制动减速时能够捕获最大电流.

方式1测试中采用分辨率带宽为3 Hz时，初级线圈在374.6 Hz时最大干扰电流为0.441 A；分辨率带宽设置为3 Hz，干扰电流约是分辨率带宽为1 Hz时的3倍.对比方式2的测试结果，分辨率带宽为1 Hz时轨道电路的最大电流值(大约为0.441 A的三分之一)要远小于分辨率带宽为1 Hz时列车的最大电流值0.389 A.

3.3 轨道电路电磁抗扰度

轨道电路敏感与否是通过其内部继电器从初始的“拉高”状态跳转至“拉低”状态来判定的.其电磁抗扰度测试通过向电路接收端的初级线圈向轨道电路注入干扰方式进行测试.由于轨道电路拥有多个工作频率分布在375～506 Hz之间，相邻导轨的信号如果频率相同，则可能通过滤波器进入继电器，造成错误.因此必须使相邻导轨之间工作频率错开，同时由于信号沿铁轨传递衰减，满足一定距离后，信号单元可采用相同工作频率而不发生相互干扰.间隔距离判断的主要依据就是轨道电路的灵敏度，此外，信号系统的频率响应也是重点需要考虑的因素[5].

由于电路的频率响应带宽十分窄(仅1 Hz)，那么就需要在主要工作频率附近每隔3 Hz进行测试，同时在其他位置选择多个频点测试以确保充分考察轨道电路的抗扰度.假设滤波器的频率响应曲线都是一致的，故可以选取工作频率为375 Hz的轨道电路进行测试.

通过重复4次敏感电流值的测试，中心频率为375 Hz的轨道电路的敏感电流值见表2,其他60～525抽样频率上测试得出的敏感电流值均为5 A，平均敏感电流曲线如图5所示.

表2 重复测试4次，375 Hz时的敏感电流值

图5 轨道电路平均敏感电流曲线

可以看出，在中心频率375 Hz时，最小敏感电流值为0.615 A，平均敏感电流值为0.639 A.当轨道电路工作在中心频率时，初级线圈的干扰电流超过了0.615 A的电流阈值，列车继电器会错误地进入拉高状态，轨道电路会在被占用时下显示空车信息.

从轨道电路接收端滤波器频率响应角度考虑，其频率响应的曲线如图6所示，频响带宽非常窄，所以在轨道电路敏感电流曲线中，只在非常窄的带宽才内会发生敏感现象.

图6 滤波器频率响应

3.4 数据综合对比分析

综合牵引谐波干扰电流、轨道内干扰电流及轨道抗干扰电流测试数据分析结果，可以得出以下结论：①牵引谐波电流设计上满足轨道电路轨道限值要求，轨道电路可能受影响最为严重的工作频率在375 Hz附近；②轨道电路接收器初级线圈的最大干扰电流应小于列车的最大传导电流，最大干扰电流在列车加速或减速至70～80 km/h附近时测得，分辨率带宽为1 Hz时轨道电路的最大电流值0.147 A,要远小于列车受流器上的最大传导电流值0.389 A;③轨道电路抗扰度在频率为375 Hz时的最小敏感电流值为0.615 A，当初级线圈的干扰电流超过了0.615 A的电流阈值，列车继电器会错误的进入拉低状态，轨道电路会在被占用时显示空车信息；④在确定的测试环境和测试条件下，最大传导电流值0.要比375 Hz的最小敏感电流0.615 A小得多.

综上可知，沙特轻轨轨道电路在列车牵引谐波存在条件下不会产生电磁兼容敏感.

4 结论

列车牵引系统谐波电流与地面信号系统电磁兼容问题一直是影响列车运营安全的关键性问题，车辆系统制造商不仅要在车辆集成设计阶段对牵引系统在轨道电路工作频率内的干扰电流提出限值要求，同时还要在车辆交付试验阶段与地面信号系统供应商共同进行实地测试、数据采集、进行全面深入分析以验证车辆与轨道电路兼容性满足车辆运营安全性要求.

本文以沙特轻轨列车谐波电流对轨道电路信号系统的EMC影响问题为实际应用案例，从谐波干扰电流仿真和测试、轨道电路接收端干扰电流及轨道电路电磁抗扰度三个角度进行分析，考虑不同的速度和列车的运行状态的影响，综合不同测试方法形成的数据结果形成了一个全面完整的分析结论，对车辆建造项目交付过程进行列车与轨道电路兼容性验证具有一定实践应用参考意义.