《电气化列车电磁兼容》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电气化列车电磁兼容（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、word铁路电气化牵引以其高速、重载、节约一次能源和减轻环境污染等优点被越来越广泛地应用在现代铁路运输中。1. 高速铁路牵引系统存在的电磁兼容方面的问题1.1. 电气化线路与相邻的信号系统之间耦合电磁干扰第一种是回流对轨道电路的干扰。机车的回流或者信号系统的回流, 都是把轨道作为导体使用, 从而引起两者之间的电导性耦合。采用轨道电路的线路空闲显示系统, 就属于这种情况。采用这种技术, 一个主要的要一条轨道的两根钢轨相互要有足够的绝缘。此外, 在接触网所在的区域, 所有不带电的结构部件都必须与轨道一道接地。如果这些部件具有很小的接地传送电阻, 可能使两条钢轨之间的回路负载不均匀, 导致轨道电路错
2、误地转入占用状态, 而在这个区域段中其实并没有列车存在。不仅牵引电流的基波可能引起干扰, 而且现代机车车辆传动控制产生的高达几千赫兹的谐波中, 如果有一种谐波的频率与轨道电路的工作频率相同, 且其电平超过规定的数值, 那么它对轨道电路的干扰是可以想象得到的。但是这只在技术上(如幅值、相位) 和运行上的特定状态同时出现时, 才是可能的。第二种情况是电抗性耦合引起的干扰。由于交流电气化线路的对地不对称的供电系统结构对与铁路线平行的信号和通信电缆有干扰, 因而必须考虑以下几种可能的情况:在强电设备(包括机车) 正常运行时, 接触网中的电流产生的长时间的干扰;由于接触网短路产生的短时间的干扰;机车正常
3、运行时工作电流谐波产生的干扰。电抗性干扰的影响可分为: 危及人身和设备(损坏信号和通信设备) 的干扰、对功能的扰乱以及主要由机车工作电流的高次谐波引起的线路中的干扰噪声。电气化线路引起的电抗性干扰通过干扰源(接触网)、受扰体(通信线路) 和公共地建立两个相互具有电抗性耦合的回路。回路1: 牵引变电所接触网机车地;回路2: 通信线路地(相对于谐波分量)。钢轨本身象其他任何金属导体一样, 可形成自己的电路, 并与其他所有的电路产生电抗性耦合。就通信电路来说, 电流流过接触网和地组成的回路将在通信电缆、钢轨和管道中感应出纵向电压, 且此电压与接触网电流的大小以及耦合途径的阻抗有关; 其次, 当钢轨、
4、电缆和管道构成的闭合电路中流过电流时, 同样会在通信电缆中感应出纵向电压。1.2 电力牵引交流传动系统的干扰电磁环境对铁路信号系统的安全、利用率和可靠性有着重大影响。在这种环境中, 轨道电路不受牵引回路电流的干扰, 是十分重要的。为了避免任何轨道系统的误动作, 必须保证牵引系统产生的与信号设备工作频率相同的那部分谐波的能量比规定的允许值小。实际上, 这部分能量可能是来自机车或列车上逆变器、斩波器产生的高次谐波, 也可能是来自直流牵引供电的多相整流桥的谐波。对于固定频率的斩波控制系统来说, 只要规定工作频率使之避开牵引产生的谐波分量就足够了; 但对于交流传动, 必须确定一种消除谐波的控制策略,
5、才能达到相同的效果。为了估计电力牵引、特别是交流传动系统对周围环境的电磁干扰程度, 必须利用状态空间模型或频域分析方法计算逆变器输入, 特别是PWM 波形的谐波分量以及向机车供电的接触网的电流。众所周知, 自然采样和规则采样的PWM 波形受功率开关器件需要的最小换流宽度的限制。当必须考虑与信号系统的电磁兼容要求时, 这一点是很重要的。显然, 不采取消除谐波的PWM 技术, 可能存在某些引起干扰的谐波分量。随着微处理器的功能的提高, 目前已经开发出了易于在微处理器上执行的接近于最佳开关角的算法。对于由脉冲整流器向逆变器供电的交直交系统,如果取消由L、C 谐振电路构成的二次谐波滤波器, 那么在输入
6、电流中将出现低频分量。增大中间回路的支撑电容器, 可以使这些低频谐波分量减少。还有一个评价牵引传动系统和信号设备之间的电磁兼容性能很重要的因素, 是传动系统的不稳定性。这种不稳定性可能反映到接触网电流的频谱中。对于逆变器来说, 某些开关模式可能造成不稳定的结果, 但在其余的大多数模式中都是稳定的。鉴于电气化线路供电接触网中可能存在谐波, 以及整流器回路的非线性特点, 不论在直流供电电压中,还是在交直交变流器中间环节回路的电压中, 都有基波和谐波电压, 并都会在轨道电路中引起相应的谐波电流。为了计算这些谐波电流, 必须知道机车的输入阻抗。在考虑与信号系统的电磁兼容时, 机车的输入阻抗有着特殊的意
7、义。对于逆变器传动系统和信号系统之间的电磁兼容, 除了上述已经讨论的方面之外, 以下一些影响因素也是值得考虑的:(1) 逆变器的不对称工作状态, 使电机绕组出现直流偏移, 从而使输入电流产生具有逆变器基波频率的谐波分量。(2) 电机相阻抗的不平衡, 引起两倍基波频率的谐波分量。(3) 轮径偏差导致不同的逆变器输出频率, 使得在其输入电流中出现具有差频率的谐波分量。1.3.瞬变电磁场干扰。牵引网由于移动负荷和工作环境差致使故障率高,牵引变电所用于正常或短路时接通或断开主电路的断路器、隔离开关等开关电器操作频繁。它们是二次系统的主要干扰源。断路器开断，短路电流迅速减少至零。此瞬变电流(di/dt值
8、很大在触头间感应出幅值很高的尖峰脉冲电压（尖峰持续时间几秒），使触头间产生电弧而使电压下降，当电压下降到不能维持电弧时，电弧熄灭;触头再次感应出电压脉冲，再次起弧。从熄弧到再次起弧的间隔时间为微秒级。开关动作伴随着多次电弧重燃，每次熄灭、重燃都产生尖峰脉冲电压和高频振荡电流，其中还包含有工频及低频振荡电流。一次线路中的这种振荡和短脉冲电压，恰好与微机监控系统经常要处理大量的开关量和脉冲量同频段，使监测和保护等二次系统特别容易受到影响，尤其对高速运行和传递数字逻辑信号的微机、计算机干扰更为严重。这种干扰侵人电源网线，通过电源影响微机、计算机的正常工作或带来毁坏性的破坏。同时，通过地网电流和电感藕
9、合对二次系引起共模干扰电压。因此，开关电器操作是牵引变电所微机综合自动化系统最主要和危害最大的干扰源。此外还有突发干扰，电力机车主断路器等机械触头快速通断会产生干扰脉冲：开关上的感性负载和馈电线上的电感使触头上的电压陡峭升高，导致电火花，然后熄灭。这一过程可能在几毫秒时间重复出现成百上千次，一直持续到触头完全断开或闭合，不出现闪烙电压为止。这种干扰脉冲可通过容性耦合到相邻的平行导线上去，机械触头和平行导线的电压分别可达到4kV和1kV。这些脉冲的前沿上升时间约为5ns，所以脉冲群的频谱最高达100MHz。如果这样的脉冲侵入数字电路，装置部将不可避免地受到干扰。1.4. 其他的干扰1.4.1 浪
10、涌式的干扰其主要表现是大电流回路中电气部件迅速断开而产生的高能量的电压和电流脉冲。若迅速断开极大的电流（例如熔断器烧断），引入线上的电感会产生一个蓄能量较大的电压或电流脉冲（电压和电流可达4kV 和2kV），导致损坏电器部件。脉冲上升时间为12s，脉冲持续时间为2050s，而频谱最高约达100kHz。这种浪涌式的干扰脉冲主要是电耦合传播给馈电线的。1.4.2 静电放电在一定的环境和天气条件下，人体静电充电可高达8kV。这时，一旦人体与导电部分接触，在极短时间放电，在不到1ns 时间电流可增加到15A。这些脉冲包含达几百兆赫兹的高频分量，但蓄能量小。牵引侧的高压(27.5kV)在其周围空间形成电
11、场，通过高电压部位与二次系统之间的互电容搁合对其产生静电感应电压或流过静电感应电流。当这种感应电压或电流达到某一数值时，会造成二次设备的误动作或毁坏。牵引变电所中所有高电压部位均是静电感应干扰源。1.4.2 辐射干扰辐射干扰主要是由无线电广播、电视发射台、手机和移动通信设备产生的强电磁场，其频率围为100 kHz-l.8 GHz，磁场强度与距发射台的距离有关。在公众可达到的围以及距可移动设备大于20cm时，应考虑的最大电磁场强度为20V/m。同样，电子和电气部件产生的电磁场也会干扰无线电广播、移动和小型便携式无线电台(如机车运转调度无线电和行政及安全部门用的无线电)的接收，或影响其接收质量。这
12、不仅涉及到路外设各，也涉及到铁路本身的设备。目前频率围是100 kHz-2 GHz,估计今后这个颜率围会向上扩展。1.4.3 对电网的反作用干扰电流由于牵引驱动装置中静止变流器的功率器件频繁开关，会在供电电网中产生干扰电流。这些干扰电流大多经钢轨和接触导线流回变电站，其频率从几赫兹到几十赫兹。它们会干扰铁路围的信号装置和通信设各，尤其是干扰轨道直流电路、连续式列车自动控制和列车运行自动控制系统(ATO)。1.4.4 电感性传导干扰机车上的大电流变流器和电动机或制动电阻产生的脉冲电流以及由变流器电容性祸合到接地系统的杂散电流，都会在钢轨中和机车底架中产生磁场。原则上这种磁场会干扰所有电感性工作的
13、通信和信号系统。我国电气化铁道采用工频单相交流供电，供电回路采用接触网一钢轨(回流线)方式。接触网供电回路在其周围空间产生的电场和磁场，对附近的通信、信号线路都会产生电磁影响。铁路无线列车调度通信系统中，为解决长大隧道的场强覆盖问题，一般采用在隧道架设漏泄同轴电缆并且安装隧道中继器的方式。漏泄同轴电缆沿隧道壁铺设，与接触网基本平行，漏泄同轴电缆到接触网输电线的垂直离仅为0.61.5m，因此电气化铁道的牵引电流将会在漏缆的导体上产生感应纵电动势。按照相关标准规定，接触网正常工作时，在所有通信导线中产生的感应纵电动势，不得超过60V，否则将会影响通信设备的正常工作，甚至发生危险。1.4.6 机车电
14、缆的电磁干扰机车用电缆的种类大致可以分为3类:一般电缆线、普通屏蔽线和双绞屏蔽线。很多时候，电缆的选择和端接往往不受重视，从而导致电磁环境的恶化及控制装置的失效。同一设备各电路之间的相互干扰常用近场藕合的方式处理，近场条件是离骚扰源的距离r/(2)，如果频率为300 MHz,则波长为1 m,电路之间的距离小于十几厘米就可看作近场。近场有电场和磁场，骚扰源通过电场的藕合常被看作为电容藕合。通过磁场的拙合为互感藕合。1.4.7 谐波负序电气化铁路上运行的电力机车是牵引供电系统中的一大非线性负载，在运行时会产生大量的高次谐波，就谐波源类型来分，电力机车可认为奇次谐波电流源。而且电力机车对于电网还是不
15、对称负荷，在运行时还会产生负序分量，这些谐波电流和负序分量通过牵引变电所牵引变压器的合成和变换注入电力网，从而大大影响了电能质量。这些高次谐波对于运行牵引电机，将引起附加损耗，使电动机转矩减小；对测量仪表，将产生虚假的谐波功率，出现随机误差；对于补偿电容，将使其运行电流增大，温升增高；对于继电保护装置，将影响其整定值，引起误动；对于周边通讯网络，将影响其电磁效应和正常的载波通信。牵引变电所一次系统与二次系统的电磁干扰 载流导体电磁感应干扰。牵引网上带有负荷时, 牵引变电所载流导体(如母线、电缆等) 流过交流大电流, 通过电感耦合,一次大电流在二次线路上感应出干扰电压。由于在一个供电区运行的列车
16、数目常常变化,而且各列车在运行中受到不断变化的阻力影响,其运行状态也在不断变化, 使牵引负荷变化随机性大。由此产生的磁场及其产生的感应电压也随之变化。所以载流导体是不可忽视的电磁干扰源。地网电流对二次系数的干扰。电力机车通过受电弓从接触网上取得牵引电流驱动机车。接触网和钢轨构成回路, 牵引电流经钢轨、回流线、变压器回到接触网。但是由于钢轨与地之间并不绝缘,这就使牵引电流还有一部分经钢与之间的过度电阻流向, 经接地网返回变电所,从而形成地网电流及相应的地电流场。对二次线路有影响的地网电流有二种:一种是短路时流过地网的工频电流; 另一种是侵入接地网的雷电流。牵引供电系统比一般电力系统短路故障率高、短路电流比正常工作电流大得多;雷电流是幅值很大,作用时间极短的冲击电流。当雷电击中变电所后，大电流经由接地点进人电网，使接地点电位急剧升高。若二次回路接
