电气化列车电磁兼容.doc

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, 一个主要的要求是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内, 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电话线路中的干扰噪声。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、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, 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