巴西里约地铁牵引系统回流与轨道电路信号系统电磁兼容性测试

赵 强，王金田，杨晨辉，段洪亮，王海瑞

（长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062）

巴西里约地铁牵引系统回流与轨道电路信号系统电磁兼容性测试

赵 强，王金田，杨晨辉，段洪亮，王海瑞

（长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062）

在对巴西里约地铁1A线牵引系统及地面信号系统工作原理进行详细分析的基础上，确定了牵引系统回流与信号系统电磁兼容性影响的测试方法，并且通过现场动态及试验室静态测试验证了巴西地铁交流牵引不平衡电流在单列车运行时所产生的谐波成分对地面信号系统的影响在允许范围内。

牵引回流；电磁兼容性（EMC）；轨道电路

列车牵引系统回流与轨道电路信号系统的电磁兼容性问题一直是车辆制造商及运营商极为关注的问题，各个国家的信号系统、列车无线及其他铁路系统（轮轴计数器、轨道电路、列车控制系统等）在工作频率和波形上各有不同［1］，针对不同国家及地区应用的不同制式的信号系统，临界频率和最高电平应在用户及制造商协议中加以规定［2］，同时在进行理论分析证明的同时必须通过有效的、切实可行的EMC测试加以数据分析予以验证确认。

1 问题说明

巴西里约地铁现在的信号系统由两种轨道电路组成，一个是阿尔斯通公司的音频无绝缘轨道电路（CVCM），另一个是英国通用电气公司生产的继电器触发闭路式轨道电路（REED）。REED信号系统和CVCM信号系统的工作原理基本相同，但工作频率和系统结构有所不同。REED的工作频率范围在350～520 Hz之间，其工作频率分别为：375，378，381，384，387，500，503，506 Hz，其工作电流为150～200 m A；CVCM的工作频率范围在8.2～12.3 k Hz，其工作频率分别为：8.2，8.6，9.2，10.0，10.6，11.0，12.3 k Hz，其工作电流约为50 m A。

长春轨道客车股份有限公司制造地铁牵引系统采用三相交流逆变器控制的交流电机，牵引变流器使用脉宽调制（PWM）技术达到要求的波形，PWM模式由微处理器或者可编程逻辑予以在线生成，其切换频率范围是300～600 Hz，牵引变流器配备的内部时基允许其在非常高的功率水平下在零和数百赫兹之间生成任何频率处于保持状态的线电流（即牵引回流），经仿真分析确定结果高达1.8 A，单机测试结果在375 Hz这个频段上高达895 m A。由于牵引回流经回流线连至列车的轮轴至钢轨，而信号系统的系统信号传输是以钢轨传输介质进行传输的，且REED信号系统的工作电流也仅有150～200 m A，远远低于895 m A，由此判断牵引系统回流与信号系统可能会产生电磁兼容性影响。

2 实施测试

解决电磁兼容问题的关键就是测试，只有通过现场实际测试才能验证是否会造成电磁兼容性影响［3］。结合巴西地铁项目电磁兼容性问题关键3要素，干扰源——牵引系统回流、耦合途径——轨道电路，敏感设备——信号系统，以信号系统为核心接口确定了牵引系统对REED系统的干扰电流测试及REED轨道电路的电磁抗扰度测试方法，相关试验同时在试验室和现场进行。现场试验同时使用了长、短轨道电路，并进行了运营中轨道电路电流门限值的模拟和检测。在试验室的试验中，运用了REED的发射和接收电路，模拟现场的一些条件和表现。

2.1 测试配置

根据巴西地铁信号系统结构及REED电路具体特点，频谱分析仪选择安捷伦N9020A型，其频率覆盖范围从20 Hz到13.6 GHz，同时具有最大保持工作模式以保证能够实时采集到最大工作电流，配备标准的20 dB衰减器接头。具体测试配置见图1。

图1 牵引系统对REED系统的干扰电流测试配置图

信号系统的抗干扰电流测试，需要模拟REED信号系统信号，因此选用了Solar 8850－2型DC－15 MHz的函数发生器，同时考虑到需要利用磁场耦合效应将干扰电流耦合到信号系统的初级线圈接收端，因此采用了Solar 6220－1A型50 A的耦合变压器来实现此功能。此外，测试针对的是电流，选用Solar 7144－1.0/10.0型1.0/10Ω，80 W的精密电阻串联于信号系统输入端的初级线圈中，并采用Tektronix TDS3032B型示波器监控其两端电压。具体测试配置连接见图2。

图2 REED信号系统的电磁抗扰度测试配置图

2.2 测试方法说明

（1）牵引系统对信号系统干扰电流的测试

为确保牵引系统回流在信号系统工作频率上达到最大值时予以测试，此时列车需要达到AW3的载荷状态，经由第3轨供电列车应保持最大辅助载荷；更为重要的是在测试中需考虑到列车的不同工作条件，列车需要如图3所示进行两种模式测试：一种是现有列车以最大加速度加速穿过B区域然后保持匀速（22 km/h）直到整个列车离开B区域，最后在整个列车驶出B区域减速制动并停止；另一种是现有列车在驶入B区域前加速至22 km/h，然后保持该速度一段时间，最后减速静车在B区域，通过以上2种运行方式以保证对信号系统接收端及发送端的干扰都予以充分考虑。

图3 牵引系统对轨道电路的干扰电流测试列车运行状态图

测试针对使用的频谱分析仪需要定义频率宽度（FRBW）、扫描时间（ST）以及检测模式。在这项测试中，定义了牵引系统在信号系统工作频率375 Hz仿真及单机测试最大的频率为测试频率，最小的ST由FRBW确定。峰值检测模式和“最大保持”功能进行了施加，这项功能使我们可以选择在确定的时间间隔内每个频率测试的最大等级。在“最大保持”功能下，光谱每2 s存储一次。400～600 MHz，10 min收集的范围，并且电压为DC 1 500 V。按照上述说明进行测试，使用两个频谱分析仪以相同的100 k Hz FRBW通过电流钳连接至信号系统输入端的初级耦合线缆上，见图4。

图4 干扰电流测试现场设备布置图

（2）REED信号系统的抗干扰电流的测试

REED信号系统的抗干扰电流测试在里约地铁总部的REED试验室中进行。试验室中REED轨道电路初级线圈和次级线圈均在混合线圈中，模拟REED信号系统实际工作情况。REED信号系统设备和模块组成如图5所示。

图5 REED信号系统设备及模块组成实物图

REED试验室的轨道电路接收器由轨道滤波器，接收放大器，REED滤波器和继电器组成。REED滤波器的频率带宽响应非常窄，带宽为1 Hz。假设每个REED轨道电路对滤波器的频率响应都是一致的，仅中心频率时是不同的。该测试选择375 Hz的REED轨道电路。

测试执行中，首先断开发射机，将继电器设置为“拉低”状态，使其处于占用状态，音频信号源调至中心频率375 Hz，增加施加的信号功率直到REED在该频点上出现敏感现象，观察该敏感现象，若继电器被“抬高”，则轨道电路会在占用状态下显示清零，则视为敏感，从示波器记录敏感电流值，并存储数据。

3 数据分析及讨论

通过牵引系统对信号系统干扰电流的测试，测试环境是387 Hz的REED轨道电路，非常靠近于Colegio（车站名）和Iraja（车站名）之间的阻抗轨隙连接器。测试条件包括：列车需要具备AW3的载荷状态；列车保持最大辅助负载（HVAC、照明等）；列车需按如图3所示进行两种运行模式测试。

测试时，司机在运行过程中很难将速度维持在一个定值，列车的速度近似等于22 km/h。可以确定的是测试过程中，列车加速行驶阶段保持最大加速度。

图6和图7为两种运行模式下的测试结果。在运行模式1中，在374.76 Hz时，最大干扰电流为30.9 d BμA。在运行模式2中，在377.7 Hz时，最大干扰电流为22.609 dBμA。

图6 牵引系统对REED系统的干扰电流在运行模式1条件下的测试数据

从频谱仪测得是经衰减器衰减和电流探头阻抗变换后的电压值，故低压回流线电流ILac（dBμA）为

动车高压回流线电流IHac（d BμA）为

本测试采用的衰减器衰减系数为S＝60 d B，d BμA变换为m A：

列车为6小节车厢，每节车厢有2个低压回流线和2个高压回流线，所以，列车分别有12个低压和高压回流线。列车产生的总干扰电流可以粗略地用式（4）表示：

根据上式，测试结果在分辨率带宽选择为10 Hz条件下，375 Hz频点的干扰电流为最大干扰电流1 380.8 m A。

图7 牵引系统对REED系统的干扰电流在运行模式2条件下的测试数据

4 结束语

为了确认牵引系统回流对信号系统的电磁兼容性影响程度，对牵引系统回流对信号系统的干扰电流和REEDREED信号系统的抗干扰电流的测试结果进行了对比分析。REED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，最大干扰电流可在列车制动减速或已加速至70～80 km/h时测得。分辨率带宽为1 Hz时轨道电路的最大电流值（大约为441 m A的三分之一）要远小于分辨率带宽为1 Hz时列车受流器上的最大传导电流值389 m A。在REED试验室中，频率为375 Hz的最小敏感电流值为615 m A。当初级线圈的干扰电流超过615m A的电流阈值时，列车继电器会错误的进入拉高状态，轨道电路会在被占用时显示空车信息。在1 k Hz到20 k Hz频率范围内，CVCM轨道电路的最大干扰电流为2.2 m A，比要求的50 m A的传导限值要小很多，并且CVCM轨道电路在100 m A的干扰电流下不会发生敏感。

［1］ EN 50121－3－1.铁路应用－电磁兼容性－第3－1部分：铁路车辆－列车和整车［S］.2006.

［2］ IEC 61133.Electric traction－rolling stock－Test Method for electric and thermal/electric rolling stock on completion of construction and before entry into service，MOD［S］.1992.

［3］ V.Deniau，N.Ben Slimen，S.Baranowski，H.Ouaddi，J.Rioult和N.Dubalen，“影响铁路通讯系统安全的EM干扰”［C］.电磁系统可靠性讨论会，法国巴黎.2007，05.

EMC Measurements in Brazil for Traction Return Current between Track Circuit Signal Systems

ZHAO Qiang，WANG Jintian，YANG Chenhui，DUAN Hongliang，WANG Hairui
（Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062 Jilin，China）

On the basis of detailed analysis of the working principle of traction system and the ground signal system in Rio Brazil Metro Line 1A，this paper illustrated the EMC measurement method of traction system between signal systems.Through static test in laboratory and dynamic test at spot verified that the Brazil train＇s ac traction system unbalanced harmonic current are within the permissible range when a single train operated and can＇t influenced the signal system on the ground.

traction return current；EMC；track circuit

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.01.12

1008－7842（2014）01－0059－04

�）男，高级工程师（

2013－08－29）