某型城市轨道交通车辆停于分相区时的弓网干扰影响因素分析

邱作成 马 强 刘 杰

(中车长春轨道客车股份有限公司， 130062， 长春∥第一作者， 硕士研究生)

某型城市轨道交通车辆停于分相区，当进行分、合闸操作时，各车的轴端速度传感器信号会受到干扰，误报出速度传感器故障。为验证干扰现象，特在车辆上安装测试传感器，捕捉干扰信号。通过测试工作接地与保护接地的接地电流，以及4车、5车之间的车钩电流情况，判断分相区在分、合闸时对各位置速度传感器造成的影响。

1 试验方法及测点布置

1.1 电压测量

车体轴端电压测试原理如图1所示。用接线铜鼻子从A、B点处获取电压信号，并与分压器输入端(变比为2 000∶1)相连接，分压器输出端通过同轴电缆与数据采集器相连接，再与PC机相连接。

图1 车体轴端电压测试原理图

1.2 电流测量

为了测得工作接地与保护接地电流的幅值及相位，需构建一套完整的测试与记录系统。该系统包括独立数据采集模块、小型UPS(不间断电源)、电流传感器、同轴电缆，其测试原理图如图2所示。电流钳夹于接地电缆上，当有电流流过时，通过电流钳的电磁感应，输出±5 V左右的交流电压信号，该信号通过同轴电缆传送到采集器并保存。采集盒内的电源模块将DC 220 V转换成DC 12 V，给数据采集器供电。

图2 车体轴端电流测试原理图

1.3 测点布局及布线安装

选择车组中的2车、3车、4车、5车、6车、7车共6节车为测试对象，在每节车上均安装一套独立测试系统(包括电源、采集模块、电流钳)。测点布局图如图3所示。

图3 测点布局图

1) 电流测试布线。所有电流采集均采用Fluke的卡钳式电流传感器，电流传感器的信号由同轴电缆经过塞拉门引入车上，并连接至数据采集盒，数据采集设备置于车上；卡钳式电流传感器套在转向架轴端地线接构架处，传感器连接线缆沿构架用扎带固定至数据采集盒。

2) 电压测试布线。在转向架轴端接地线所接构架处接高压测试线，在构架裸铜线所接车体接地块处接另一个高压测试线，线缆沿构架用扎带固定，经过裙板和塞拉门固定后至车上高压分压器和数据采集盒。

2 测试结果及数据分析

2.1 试验现象

工况一：列车停于分相区中，升起3车受电弓，各个车均没有速度传感器故障码。

工况二：列车停于分相区中，升起6车受电弓，4车、5车、6车、7车、8车均出现速度传感器故障码，6车受电弓与供电线产生持续的弓网拉弧现象，伴随明显的火光，并连续发出很大的“嗞、嗞”的放电声音。现场弓网拉弧的现象如图4所示。

工况三:列车驶出分相区停车，反复进行升降弓和开断主断操作，各个车均没有速度传感器故障码。

2.2 速度传感器误报原因分析

列车在分相区中出现速度传感器误报，与6车受电弓所在的位置有关。如图4所示，无电区长度为23 m，跨在5车上方，6车受电弓升起时在供电线和中性线的交接处，6车受电弓距离无电区不足6 m。故此时6车受电弓与B相供电线之间存在间隙，导致绝缘击穿，产生电弧，形成持续的过电压冲击，传递到高压电缆缆芯上；高压电缆缆芯与屏蔽层耦合，在高压电缆屏蔽层上产生较高的感应过电压，传递到车体上，形成持续的浪涌过电压；浪涌过电压通过车体传导到轴端，导致列车各个车体轴端电位有持续的3 kV左右的浪涌过电压冲击，引发列车速度传感器等设备误报。

图4 弓网拉弧示意图

2.3 电压测试结果

1) 升6车受电弓电压测试结果(以5车为例)如图5～6所示。由图5可知，升起6车受电弓后、闭合主断之前，每隔1 ms左右，5车4轴车体轴端就会出现幅值在1 kV左右的浪涌过电压。由图6可知，闭合主断之后，每隔1 ms左右，5车4轴车体轴端就会出现幅值在1.43 kV左右的浪涌过电压。同时，车体轴端持续存在幅值为100 V左右的正弦电压。

图5 闭合主断之前5车4轴车体轴端各速度传感器输入端

图6 断开主断之前5车4轴车体轴端各速度传感器输入端

2) 升3车车受电弓电压测试结果(以5车为例)如图7～8所示。由图7可见，升起3车受电弓后、闭合主断之前，每隔1 ms左右，5车4轴车体轴端每隔，就会出现幅值在200 V左右的浪涌过电压。由图8可知，闭合主断之后，每隔1 ms左右，5车4轴车体轴端就会出现幅值1.4 kV左右的浪涌过电压。同时，车体轴端持续存在幅值为8 V左右的正弦电压。

图7 闭合主断之前5车4轴车体轴端各速度传感器输入端

图8 断开主断之前5车4轴车体轴端各速度传感器输入端

升弓未闭合主断包括升弓后闭合主断前以及断开主断后降弓前两种情况。由于每种情况浪涌过电压波动范围较大且持续时间较长，存在一个浪涌过电压幅值波动范围，且这两种情况的浪涌过电压平均幅值大致相同。因此，为了方便分析数据，取两种情况的平均值作为升弓未闭合主断时刻的浪涌过电压幅值。

2.4 电压测试结果理论分析

1) 在闭合主断后，绝大部分车体轴端浪涌过电压平均幅值比未闭合主断时的浪涌过电压平均幅值大。这是因为在未闭合主断时，过电压只能通过高压电缆与屏蔽层之间的耦合向下传播；而当闭合主断后，过电压能沿高压电缆缆芯及缆芯与屏蔽层间的耦合向下传播，导致车体轴端电压显著升高。

2) 当单独升3车受电弓时，闭合主断后出现的正弦电压幅值比升6车受电弓时小很多。这是因为轨道接地回流吸上线的位置靠近1车，当单独升3车受电弓时，闭合主断后接地电流传递到钢轨，大部分接地电流流向1车方向进入轨道接地吸上线；只有少部分电流流向8车方向，并在所流过的各个保护接地轴端之间形成环流，其中4车和5车各个保护接地轴端中的环流较大，故在4车和5车的车体上产生一个幅值较大的正弦电压。此时总工作接地电流大。由于轨道接地回流吸上线离1车较近，接地电流通过各个保护接地轴端在整列车上形成环流，在每节车的车体上都产生一个幅值较大的正弦波电压，幅值最大达到222 V。

由以上测试数据分析可以看出，4车和5车的速度传感器两端的浪涌过电压幅值大，这是因为4车和5车没有设置保护接地，车体上的浪涌过电压不能很好地泻放到钢轨，故出现传感器误报的几率大；6车离弓网拉弧位置近，故在6车位置产生的浪涌过电压的幅值更大；浪涌过电压会在头车发生折反射，从而使头车的车体浪涌过电压幅值增大。

2.5 电流测试结果理论分析

1) 当列车升起6车弓后、闭合主断之前，接地电流波形出现少量干扰，干扰波形幅值较小。在闭合主断之后，各车接地电流波形干扰增多，干扰波形幅值增大。这是因为在闭合主断后，过电压可以通过高压电缆缆芯向下传播至各个接地轴端，并在各个接地轴端的缆芯中产生高频过电压，故在电流信号测试传感器中产生较大干扰。

2) 在闭合主断状态下，各个轴端接地电流在列车升6车受电弓时比单升3车受电弓时干扰大。以5车4轴保护接地电流为例，升6车弓、闭合主断后5车4轴接地电流与升3车弓、闭合主断后5车4轴接地电流相比，前者干扰波形多，如图9～10所示。

图9 升6车弓、闭合主断后5车4轴接地电流波形图

3) 列车闭合主断之后，各个轴端接地电流和车钩中的电流均出现正弦电流波形，这是因为闭合主断后，工作接地电流通过轴端泻放到钢轨，并在各个接地轴端、车体之间的等势线和车钩中形成环流。各个轴端的环流大小、流向以及车轴端电位抬升的幅值大小由列车的升弓状态、吸上线的位置、轨道特性等因素共同影响。

图10 升3车弓、闭合主断后5车4轴接地电流波形

3 解决方案研究

1) 通过在线路中性线和钢轨之间加装阻容性的吸收装置来抑制过电压。当列车经过既有线路产生电弧时，浪涌过电压可以通过中性线与钢轨之间的电容来吸收；在线路空载时，电阻对电容的泄漏电流有阻隔作用。阻容性的吸收装置的具体参数有待本次试验数据的深入分析后提供。

2) 在列车驶离分相区时，注意控制主断闭合时间，保证受电弓与供电线分离距离足够大后，再闭合主断，这样会在一定程度上减少浪涌过电压的冲击。

3) 在列车车载电气设备输入端(如速度传感器的输入端)加装卡钳式滤波磁环，在高频浪涌过电压冲击时，该磁环自动呈现高阻抗，对过电压进行有效的阻挡。正常工作时，该磁环阻抗很低，不会影响传感器的正常工作，可以有效抑制车载电气设备被浪涌过电压干扰。卡钳式滤波磁环的阻抗和吸收频带的设计有待对试验数据进行傅里叶频谱展开深入分析后得出。

4 结论

1) 车辆停在分相区内合闸操作时速度传感器故障误报是由6车受电弓所在的特殊位置引起的。6车受电弓升起时在供电线和中性线的交接处，6车受电弓距离无电区不足10 m，此时6车受电弓与B相供电线之间纵向的电气绝缘间隙不够，导致绝缘击穿，产生电弧，形成持续的过电压冲击；过电压一部分通过互感器的接地点、电缆层分布电容及电缆接地点耦合到车体上，当主断闭合时，过电压另一部分传递到高压电缆缆芯上；高压电缆缆芯与屏蔽层耦合，并通过屏蔽层与车体的接地点及屏蔽层与车体的分布电容传递到车体上，形成持续的浪涌过电压，导致车体瞬态电位剧烈波动。浪涌过电压通过车体传导到轴端，导致列车各个车体轴端电位有持续的3 kV左右的浪涌过电压冲击，引发列车速度传感器等设备误报。

2) 当列车闭合主断的时候，列车接地电流传递到钢轨，在回流的过程中会在列车各个接地轴端、车体等势线和车钩中形成环流，同时使车体产生一定的电位抬升。各个轴端的环流大小、流向以及车体电位抬升的大小受列车的升弓状态、吸上线的位置、轨道特性等因素影响。