CRH2A（2C）高速綜合檢測列車軌道幾何檢測系統(tǒng)電磁兼容性研究

張子亮

（中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京100081）

CRH2A（2C）高速綜合檢測列車軌道幾何檢測系統(tǒng)電磁兼容性研究

張子亮

（中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京100081）

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，高速綜合檢測列車得到了廣泛應用，在營業(yè)線周期性檢測、新線聯(lián)調(diào)聯(lián)試、科研性綜合試驗和其他檢測中發(fā)揮著重要作用。實際使用中發(fā)現(xiàn)CRH2A（2C）高速綜合檢測列車軌道幾何檢測系統(tǒng)電磁兼容問題較為突出，對檢測系統(tǒng)的正常工作造成了一定影響。針對實際工作中遇到的各種電磁兼容問題進行研究與分析，給出對應的改進措施，提高軌道幾何檢測系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。

高速鐵路；綜合檢測列車；軌道幾何檢測；電磁兼容；抗電磁干擾

1 概述

我國高速鐵路事業(yè)飛速發(fā)展，總里程已達2.2萬km，高居世界首位。一大批空間跨度大、運營速度高、運行環(huán)境復雜的高速鐵路相繼投入使用，引起世人矚目。對于高速鐵路而言，保證列車運行的安全性和舒適性至關重要，因此高速綜合檢測列車的運用尤為重要。

高速綜合檢測列車是經(jīng)專門設計并安裝多種特定用途檢測系統(tǒng)的路用動車組，包括動車組和車載檢測系統(tǒng)2部分，主要用于高速鐵路工務、供電和電務等基礎設備的技術狀態(tài)檢測[1]。車載檢測系統(tǒng)主要包括軌道幾何、接觸網(wǎng)、輪軌力、車輛動態(tài)響應、通信、信號、綜合等，具有檢測項目全、檢測精度高及等速檢測（檢測速度與線路允許運營速度一致）的優(yōu)點。自2007年第1列時速200km綜合檢測列車運用至今，我國已投入使用或即將投入使用的高速綜合檢測列車已達10余列，在營業(yè)線周期性檢測、新線聯(lián)調(diào)聯(lián)試、科研性綜合試驗及其他檢測中發(fā)揮了重大作用。但在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)，部分CRH2A（2C）平臺的高速綜合檢測列車電磁兼容性問題較為突出，對檢測系統(tǒng)的正常工作造成了一定影響。以車載軌道幾何檢測系統(tǒng)為例，對電磁兼容相關的故障現(xiàn)象、原因分析、應對措施等進行闡述。

2 電磁兼容故障現(xiàn)象

軌道幾何檢測系統(tǒng)電磁兼容問題由來已久，同一套檢測設備在實驗室調(diào)試時一切正常，工作穩(wěn)定，但裝載到綜合檢測列車上就會表現(xiàn)出不同程度的不穩(wěn)定現(xiàn)象。經(jīng)過長期觀察統(tǒng)計，大多數(shù)檢測系統(tǒng)故障發(fā)生在綜合檢測列車通過接觸網(wǎng)分相區(qū)、加減速、接觸網(wǎng)有硬點火花等電磁環(huán)境變化明顯的時刻，二者的關聯(lián)性較強。從車載軌道幾何檢測系統(tǒng)自身來看，由于包含眾多傳感器，且車內(nèi)、車外均有布置，具有分布廣、布線復雜、有限空間內(nèi)強弱信號共存、系統(tǒng)與車體共地等特點，因此更易受外部電磁環(huán)境變化的影響。

電磁干擾主要通過傳導和輻射2種方式影響軌道幾何檢測系統(tǒng)，故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)在以下幾方面。

2.1 信號處理板卡損壞

軌道幾何檢測系統(tǒng)信號處理板卡主要用于傳感器信號的濾波、轉換等。電磁干擾嚴重時，會發(fā)生板卡元器件損壞的情況。

2.2 激光攝像組件傳感器故障

激光攝像組件主要由激光器和攝像機2部分組成，主要用于提取鋼軌廓形[2]。電磁干擾嚴重時，會導致激光器或攝像機工作異常，無法正常進行廓形提取。

2.3 軸端編碼器故障

軸端編碼器與輪軸相連，主要用于計算速度和里程。電磁干擾嚴重時，會導致編碼器輸出方波失真，造成速度、里程的計算錯誤。

2.4 檢測波形異常

傳感器正常時，電磁干擾也會對系統(tǒng)輸出波形造成一定程度的影響（見圖1）。

圖1 波形干擾

3 電磁兼容故障原因

由于上述故障多發(fā)生在列車升降弓、通過分相區(qū)或運行過程中加減速及緊急制動的情況下，因此將故障原因定位在車輛的供配電系統(tǒng)及接地方式上。

CRH2A（2C）高速綜合檢測列車采用8節(jié)編組，6動2拖，1、8車為拖車，其余為動車。檢測列車基本布局見圖2。

軌道幾何檢測系統(tǒng)安裝于1車或8車，車下傳感器和車內(nèi)檢測機柜通過貫通線纜直連。檢測列車供配電示意見圖3。

圖2 檢測列車基本布局

圖3 檢測列車供配電示意圖

從圖3可知，該供配電方式的特點是檢測設備和其他車載電氣設備共用車體作為地線[3]。動車組通過受電弓從接觸網(wǎng)取流，經(jīng)主變壓器及車內(nèi)電力電子變流裝置為所有車載設備供電。所有動車車廂均裝有軸端接地裝置（碳刷），車廂與車廂之間通過接地電纜（虛線所示）連接，拖車不存在軸端接地裝置。主變壓器位于動車車廂，其一級線圈的電流通過軸端接地裝置—列車驅動軸輪對—鋼軌的方式形成回流。所有車載設備均通過共用車體地—軸端接地裝置—列車驅動軸輪對—鋼軌的方式進行回流。共用車體地作為回流的方式將會對車載設備帶來較大干擾。

圖4 檢測設備供配電等效電路

檢測設備供配電等效電路見圖4。其中，L為列車運行過程中的等效電感；C為主斷路器的分布電容；R1為拖車車廂與動車車廂之間的連接電阻；R2為動車車廂軸端接地裝置的等效電阻；R3為動車輪對和鋼軌之間的等效電阻；R4為拖車輪對和鋼軌之間的等效電阻；E為拖車車體和轉向架之間的等效電勢。

當列車通過分相區(qū)或受電弓與接觸網(wǎng)發(fā)生分離或接觸時（升降弓或運行過程中遇到接觸網(wǎng)硬點造成受電弓垂向振動），在空氣間隙內(nèi)均會發(fā)生瞬時的火花放電現(xiàn)象，同時主變壓器也存在一個瞬時的通斷過程[4]。由于列車在電氣特性上屬于大容量感性負載，瞬時的通斷必然會造成一個非常大的浪涌電流，同時引起電流畸變及射頻寬帶噪聲等電磁干擾現(xiàn)象，對車載設備造成較大沖擊。由于動車車廂安裝有接地裝置（接地阻值較?。擞侩娏魍ㄟ^時，動車車體和轉向架支架之間的電勢差（對應R2兩端的電勢差）可以被限制在一定范圍內(nèi)。同時，由于動車輪對和鋼軌之間接觸的不確定性，接觸電阻R3較R2大很多（當輪軌接觸關系不好時，輪軌之間的接觸阻值會進一步變大），導致浪涌電流通過時R3兩端存在較大的電勢差（即動車轉向架和鋼軌之間的電勢差），甚至造成輪對和鋼軌之間產(chǎn)生火花電熔。而拖車車體由于沒有軸端接地裝置，拖車車體和拖車轉向架之間相對絕緣。由于拖車車體通過接地線纜和動車車體相連（對應R1，阻值很?。虼丝梢砸曂宪囓圀w的電勢等同于動車車體的電勢或動車轉向架的電勢。拖車輪對與鋼軌直接接觸，可以視其與鋼軌同電勢。因此拖車車體和拖車轉向架之間的電勢差基本等同于動車轉向架和鋼軌之間的電勢差。惡劣情況下，拖車車體和拖車轉向架之間的電勢差將超過2000V。

當列車運行過程中進行加減速時，電力負荷和牽引電流將發(fā)生較大變化，牽引變流裝置產(chǎn)生的高頻諧波也會對車載設備造成一定的電磁干擾。另外，車內(nèi)檢測設備不論強電、弱電，都共用車體作為接地端，而車體作為一個大的電流載體，不同車廂或同一車廂不同部位的電氣性能均有差異，因此不同接地點之間會存在電勢差，也會造成地線環(huán)流，將干擾引入檢測系統(tǒng)，對弱電信號影響尤為明顯。

軌道幾何檢測系統(tǒng)車下傳感器多安裝在與轉向架直接相連的檢測梁內(nèi)，并且通過貫通線纜與車廂內(nèi)的檢測機柜相連。傳感器線纜采用雙端屏蔽接地，車廂內(nèi)屏蔽端通過檢測設備機柜與車體連通，車下屏蔽端通過傳感器外殼與轉向架連通。因此當拖車車體和拖車轉向架之間產(chǎn)生巨大電勢差時，此電勢差將直接作用于車下傳感器，輕則對傳感器輸出信號造成干擾，重則直接將傳感器燒毀。

4 電磁兼容改進措施和實際效果

針對CRH2A（2C）高速綜合檢測列車軌道幾何檢測系統(tǒng)存在的電磁兼容問題，采取“疏堵結合”的辦法[5]?！笆琛笔侵笍脑搭^上減少電磁干擾對檢測設備的影響，“堵”是指提高檢測設備自身的抗干擾性。

4.1 “疏”的措施

（1）與主機廠溝通，仿效動車車廂，增加拖車車廂的軸端接地裝置，以便減小拖車車體和拖車轉向架之間的電勢差。改造后的拖車軸端接地裝置見圖5。

（2）將檢測設備機柜就近接地。原檢測設備機柜與車輛其他設備共用接地線，為避免地線之間的串擾，在檢測設備機柜附近的車體上就近增設了接地銅軸（見圖6）。

圖5 拖車軸端接地裝置

圖6 接地銅軸

圖7 絕緣工裝

4.2 “堵”的措施

選用高耐壓等級的傳感器，降低設備損壞幾率。（1）使用軍品芯片，前端增加電子保護器件，提高電路板抗沖擊能力[6-7]。（2）設計專用轉接絕緣工裝（見圖7），使傳感器與轉向架保持絕緣，斷開干擾回路。（3）在信號傳輸通道加裝磁環(huán)，并增加軟件濾波環(huán)節(jié)來抑制信號干擾。

采取上述措施后，軌道幾何檢測系統(tǒng)的電磁兼容性得到了極大改善，由于電磁環(huán)境劇烈變化引起的信號處理板卡元器件燒毀、激光攝像組件異常、軸端編碼器無脈沖輸出等故障現(xiàn)象未再次出現(xiàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力得到了有效提高。圖8為列車經(jīng)過電分相區(qū)時的波形，可以看到波形平滑，較之前明顯改善。

圖8 過分相時的檢測波形

5 結束語

針對CRH2A（2C）高速綜合檢測列車軌道幾何檢測系統(tǒng)遇到的電磁兼容問題進行了深入研究，從CRH2A（2C）高速綜合檢測列車供配電系統(tǒng)及接地方式入手，分析電磁兼容問題產(chǎn)生的具體原因，并給出對應的解決方案。實踐驗證，“疏堵結合”的改進措施效果良好，有效提高了車載軌道幾何檢測系統(tǒng)的抗電磁干擾能力，傳感器故障率大為降低，系統(tǒng)穩(wěn)定性大幅提升。該研究為其他車載檢測系統(tǒng)提高電磁兼容性提供了經(jīng)驗和方法，具有一定的借鑒意義。

[1]侯衛(wèi)星. 0號高速綜合檢測列車[M]. 北京：中國鐵 道出版社，2010.

[2]魏世斌，李穎，趙延峰，等. GJ-6型軌道檢測系統(tǒng) 的設計與研制[J]. 鐵道建筑，2012(2)：97-100．

[3]楊劍. CRH2列控車載測速測距設備EMC實驗及防護 方法[J]. 鐵路通信信號工程技術，2010(10)：21-24.

[4]單秦. 高速動車組電磁兼容性關鍵技術研究[D]. 北 京：北京交通大學，2013.

[5]PAUL C R. 電磁兼容導論[M]. 聞映紅，譯. 北 京：機械工業(yè)出版社，2006．

[6]周旭. 電子設備防干擾原理與技術[M]. 北京：國防 工業(yè)出版社，2005.

[7]常媛媛. 高速鐵路系統(tǒng)間電磁兼容管理初探[J]. 中國鐵路，2015(1)：18-21.

The Study on Electromagnetic Compatibility of Track Geometry Inspection System on CRH2A（2C）Multipurpose Inspection Train

ZHANG Ziliang
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

With the fast development of China high-speed railway, high-speed multipurpose inspection train is widely applied, playing a significant role in regular test for operating lines, integration testing and commissioning for new lines, scientific comprehensive tests and other tests. The problem of electromagnetic compatibility is prominent for CRH2A（2C）multipurpose inspection train during practical use, which cause bad influences on inspection system. The paper comes up with corresponding improvement measures to enhance the capability of anti-electromagnetic interference for track geometry inspection system in accordance with the problem of electromagnetic compatibility encountered in actual work.

high-speed railway；multipurpose inspection train；track geometry inspection；electromagnetic compatibility；anti-electromagnetic interference

U273

A

1001-683X（2017）10-0045-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.10.045

中國鐵道科學研究院科技研究開發(fā)計劃項目（2014JJXM70）

張子亮（1982—），男，工程師，碩士。E-mail：zhangziliang@iicgqb.com

責任編輯 李葳

2017-05-21