Converting Basic Technology Column | Updated:2024-09-12
    • Measurement and suppression technology of induced voltage generated by traction system in rail transit applications

    • LIU Songlin

      ,  

      ZHU Bingquan

      ,  

      WANG Tao

      ,  

      YUAN Keliang

      ,  
    • Electric Drive for Locomotives   Issue 4, Pages: 51-58(2024)
    • DOI:10.13890/j.issn.1000-128X.2024.04.006    

      CLC: U231
    • Published:10 July 2024

      Received:10 January 2024

      Revised:27 June 2024

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  • LIU Songlin, ZHU Bingquan, WANG Tao, et al. Measurement and suppression technology of induced voltage generated by traction system in rail transit applications[J]. Electric drive for locomotives,2024(4): 51-58. DOI:10.13890/j.issn.1000-128X.2024.04.006.

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    Abstract

    This paper focuses on mitigating inductive interference caused by the traction systems of rail transit trains on track circuits. The initial analysis explored the interference mechanisms through inductive coupling. Based on the real layout and wiring of DC traction systems in metro applications, a 1:1-scale induced voltage testing platform for traction systems was built, as the first of its kind in domestic laboratories. This platform was employed to simulate transient inductive interference generated by train traction systems at the receiving end of track circuits under static laboratory conditions. These simulations revealed the induced voltage levels produced by different interfering components and coupling loops on track circuits, under different operating conditions of the traction systems and various relative positions of the track circuits. Moreover, the coupling circuit formed by the DC chopper and braking resistor during resistance braking was identified the maximum source of inductive interference from metro DC traction systems affecting track circuit systems. Additionally, by analyzing the relationship between the spectrum characteristics of induced emissions from the traction systems and the IGBT switching frequencies for chopping, a spectrum management method was adopted to reassign induced emissions characteristic frequencies of traction systems, resulting in staggered sensitive frequency bands for the track circuits. The experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed inductive interference suppression strategy in reducing the risk of inductive interference caused by train traction systems on the track circuits.

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    Keywords

    traction system; track circuit; induced voltage; DC chopper; spectrum management

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    0 引言

    日渐成熟的电力牵引、控制及信号系统促进了世界轨道交通技术的不断发展。欧盟委员会指令96/48/EC明确提出:高速列车服务的前提是基础设施与机车车辆之间的良好兼容性,而该兼容性取决于性能水平、安全性、服务质量和成本[

    1]。作为列车检测信号系统的一部分,轨道电路属于行车安全设备。列车运行速度和密度不断提高,对地面轨道电路电码化信息参数的要求也越来越高,轨道电路运行的稳定与否直接影响到列车运行的安全和铁路提速的可能[2]。国外对于轨道电路的电磁兼容性开展了广泛的研究,但大多研究只侧重于车辆对轨道电路的传导干扰,如文献[3]研究了轨道电路与四象限控制交流传动列车的兼容性;文献[4-6]研究了谐波电流在轨道和输电网中的传播特性和分析方法,指出了供电系统中的谐振问题;文献[7]研究了变电站与编码轨道电路的电磁兼容性;欧洲标准化委员会以EN 50238和EN 50617系列为主建立了机车车辆与轨道电路的兼容性标准体系[8-9]等。这些研究成果阐明了车辆牵引系统大功率开关器件产生的牵引回流谐波对轨道电路的传导干扰作用机制与抑制干扰方式,全面分析了整个传导链路中包括轨道不平衡度、线路网络阻抗等对干扰电流的影响,最终建立了干扰电流的测试标准与指标限值。现有对于机车车辆与轨道电路之间的感应干扰方面研究较少,仅文献[10]提出了基于直流斩波控制的地铁车辆与音频轨道电路之间的感应干扰机制,并由此发展出了美国城市轨道交通协会(UMTA)推荐方法和标准。文献[11]对美国洛杉矶地铁线路上配置的轨道电路进行了抗扰度测试,建立当地轨道电路的感应电压抗扰度指标。
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    我国机车车辆与轨道电路的兼容性研究起步较晚,但相较于欧美地区供电和轨道电路制式的复杂性,国内机车车辆与轨道电路在运行兼容性方面有着先天优势[

    12],电磁兼容性问题出现较少。但随着轨道交通产业在国际市场的不断拓展,我国出口到欧美地区的电气化车辆越来越多。由于欧美地区轨道电路的使用寿命远超铁路车辆,因此出口到这些地区的车辆必须符合与现有轨道电路的电磁兼容性,这给我国轨道交通车辆牵引系统的电磁兼容设计带来了严苛的挑战。
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    本文基于机车车辆与轨道电路兼容性中关注较少的感应干扰问题,深入分析车辆牵引系统对轨道电路造成感应电压的作用机制,并设计了一种牵引系统感应电压试验台位模拟真实车辆行驶过程中对轨道电路造成的瞬态感应干扰,便于在牵引系统设计阶段评估感应电压的干扰风险,为后续整车EMC试验阶段的感应电压测试提供正向解决方案。

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    1 音频轨道电路

    现代轨道交通系统通常采用音频轨道电路来检测轨道上列车的存在[

    13]。每段轨道电路区间长度为30~1 500 m。图1显示了一条采用多个轨道电路的运行线路,轨道信号系统通常采取运行线路上使用多个音频信号频率的模式。图1中,耦合变压器位于2个轨道电路的连接处,既作为轨道电路的信号发射端,又作为“上游”轨道电路的信号接收端,耦合变压器被调谐在发射频率和接收频率,以实现轨道电路发射模块、接收模块以及轨道之间的阻抗匹配。
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    fig

    图 1  音频轨道电路信号系统

    Fig. 1  Audio signal system of track circuit

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    列车控制室内的轨道电路发射模块产生1个音频频率信号,并通过末端的耦合变压器将该音频信号注入到轨道中,该信号通常由频率、幅度或者编码调制。当轨道电路区间中不存在列车时,音频信号将经过轨道传输后被耦合变压器接收,轨道电路的接收模块通过滤波、放大以及检波电路等检测接收信号。若信号满足该轨道电路的振幅和调制要求,则接收模块将驱动轨道继电器的线圈通电,通电的线圈使继电器吸合,从而完成轨道区间“空闲”检测。当列车进入轨道电路区间时,列车的轮轴将使音频信号分流,若耦合变压器传输到轨道电路接收模块的音频信号低于预设水平,则接收模块将驱动轨道继电器断电,导致继电器断开,从而完成轨道区间“占用”检测。当列车的最后一个车轮离开轨道电路后,信号再次到达轨道电路接收模块,轨道继电器吸合,表示轨道区间“空闲”。音频轨道电路除用于轨道区间的空闲/占用检测外,还包括用于列车速度控制,由列车驾驶室前轴附近的车载天线通过感应拾取轨道上的音频调制信号以读取速度控制指令,速度控制指令通常被编码为调频码。

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    2 牵引系统对音频轨道电路的干扰

    列车牵引系统对轨道电路的电磁干扰可以分为传导和感应两种模式,可能会造成轨道电路发生错误空闲(False Clear,FC)危险或错误占用(False Occupied,FO)故障[

    14]
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    2.1 牵引系统对音频轨道电路的传导干扰

    传导干扰导致的轨道电路FC故障示意如图2所示。当列车处于轨道电路中时,通过轮轴对音频信号电流进行分流,轨道电路接收端音频信号低于预设水平,此时应当完成轨道占用检测。但列车牵引回流同样通过轨道进行能量传输,受牵引传动控制策略和轨道线路阻抗谐振等影响,牵引回流中会包含高振幅的敏感谐波分量,基于轨道不平衡的特性会在轨道电路接收端产生不平衡电流[

    15],可能会被接收端错误识别为有效音频信号电流,检测显示轨道未被占用,此时就会出现错误空闲(FC)的危险,这种错误空闲检测结果是一种不可接受的潜在风险。
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    fig

    图 2  传导干扰导致的轨道电路错误空闲(FC)故障

    Fig. 2  Track circuit FC failures caused by conducted interference

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    传导干扰导致的轨道电路FO故障示意如图3所示,当列车不在轨道电路中时,列车牵引回流中高振幅敏感谐波受轨道不平衡度在轨道电路接收端产生的不平衡电流可能会淹没有效音频信号电流,导致轨道检测显示占用,这种错误占用的故障会严重扰乱列车的运行,造成列车延误。

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    图 3  传导干扰导致的轨道电路错误占用(FO)故障

    Fig. 3  Track circuit FO failures caused by conducted interference

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    2.2 牵引系统对音频轨道电路的感应干扰

    图4说明了牵引系统高压部件及电缆的磁通量在轨道电路信号系统中产生感应干扰电压的机理。当列车处于轨道电路中时,由于轮轴对音频信号电流的分流,轨道电路接收端音频信号低于预设水平,此时应当完成轨道占用检测。但列车车底的牵引系统可以通过轨道、轮轴和耦合变压器形成的环路,在耦合变压器两侧的轨道端子之间产生瞬态感应电压,这种瞬态感应电压作为轨道电路接收模块的干扰激励源,其中的高振幅敏感谐波可能会被识别为有效的音频信号,造成轨道电路错误空闲(FC)危险。当列车不在轨道电路中时,由于不存在感应环路,因此感应干扰不会造成轨道电路错误占用(FO)故障。

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    fig

    图 4  牵引系统对轨道电路的感应干扰机理

    Fig. 4  Inductive interference mechanism of traction system on track circuit

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    图4中,耦合变压器上感应电压VIN的大小取决于很多因素,可以通过图5所示的等效电路和感应电压VIN的理论计算公式(1)进行分析。

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    fig

    (a)  感应环等效电路

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    fig

    (b)  戴维南等效变换

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    图 5  牵引系统对轨道电路产生感应电压的等效电路

    Fig. 5  Equivalent circuit of inductive voltage generated by traction system on track circuit

    感应电压VIN

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    VIN=Φ˙1Z2-Φ˙2Z1Z1+Z2×ZIBZ1||Z2+ZIB (1)

    式(1)中,Φ˙1Φ˙2为轮轴-轨道-耦合变压器构成的2个环路中磁通量Φ1Φ2形成的感应电压源,电压源大小与列车牵引系统运行模式(牵引加速、惰行、制动等)有关,也与列车所处位置(轮轴与耦合变压器的距离d1d2)有关。Z1Z2阻抗分别为2个环路阻抗,由轮轴-轨道环路的寄生电感、寄生电阻和轮轴与轨道的接触电阻等组成,Z1Z2的大小也与列车所处位置有关。ZIB为耦合变压器两侧与轨道连接端子看向轨道电路接收模块的输入阻抗,阻抗大小与轨道电路信号系统特性(耦合变压器电气结构、音频信号频率、接收端带通滤波器等)有关。

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    3 牵引系统感应电压测试技术

    开展本测试的目的是在模拟轨道电路的条件下,在实验室中再现列车牵引系统的感应发射,得到影响最大的感应电压排放水平,从而能够提前评估列车上线后与轨道电路的电磁兼容性风险,并为车辆感应干扰轨道电路提供正向的解决方案。

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    3.1 牵引系统感应电压测试方法

    图6所示,在实验室中设计了一种牵引系统感应电压测试平台。图6中长铝合金管用于模拟运行轨道,长度L应等于实际列车的2个轮轴之间的轴距,短铝合金管用于模拟列车车轴,长度W应等于实际列车车轴的长度。经验表明,图6中的铝管结构参数可模拟实际轨道和车轴的阻抗特性[

    16]
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    fig

    图 6  牵引系统感应电压测试方法

    Fig. 6  Testing method for induced voltage of traction system

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    图6中,电阻RA用于模拟列车轮轴与轨道的接触电阻,一般选用0.12 Ω无感电阻。电阻RB用于模拟轨道电阻耦合变压器输入阻抗,耦合变压器输入阻抗通常被调谐在接收频率,其输入阻抗中谐振尖峰的带宽通常大于接收模块中带通滤波器的带宽,因此在带通滤波器带宽内的耦合变压器输入阻抗通常近似为恒定电阻,这个电阻的值通常在1 Ω以下。式(1)的理论计算表明,选择的电阻RB阻值越大,感应电压的测试结果将越差。本测试台位测试对象为地铁车辆直流750 V牵引系统,包括直流电抗器、牵引逆变器、牵引电机、制动电阻、高压开关箱以及高压电缆等,这些部件的布局和布线与真实列车车底的布置一致。

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    图6所示的牵引系统感应电压测试平台采用一种实验室静态测试方法,通过不断改变RB的位置(如图6中0~16号测量点位)来模拟列车动态运行过程中与地面轨道电路耦合变压器的相对位置关系,并且测试过程中牵引系统会采用不同的运行模式(例如牵引加速、惰行、电阻制动、再生制动等)来模拟列车实际运行条件。测试设备可采用FFT实时频谱分析仪,以最大值保持模式记录牵引系统的感应电压-频率的数据曲线,或者采用24位A/D的数字采样设备记录时域波形后再进行时频转换,但不管是采用何种测试设备,信号处理所涉及的参数要符合实际轨道电路接收模块对干扰信号的动态响应过程。本测试的最终目标是找到所有相对位置和所有运行条件中的影响最大的感应电压排放水平。

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    3.2 地铁直流牵引系统感应电压测试结果

    图7显示了牵引系统在不同运行模式下的感应电压排放水平,频率范围为10 Hz~20 kHz。为了体现对比差异性,纵坐标采用对数形式,单位为mV。从对比结果可以看出,牵引系统在电阻制动模式下的感应电压排放水平远高于牵引加速和再生制动模式,相差数个量级。

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    fig

    图 7  不同运行工况的感应电压测试结果对比

    Fig. 7  Comparison of induced voltage testing results under different operating conditions

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    图8显示了牵引系统以不同力矩进行电阻制动时的感应电压排放水平,从对比结果可以看出牵引系统制动力矩越大,感应电压越高。

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    fig

    图 8  不同制动力矩下的感应电压测试结果对比

    Fig. 8  Comparison of induced voltage testing results under different braking torques

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    图9显示了牵引系统与模拟轨道电路耦合变压器输入阻抗的电阻RB在不同相对位置时的感应电压排放水平。从对比结果可以看出,牵引系统对轨道电路的感应电压排放水平与两者的相对位置有关,当列车轮轴-轨道-耦合变压器构成的2个感应环路面积相差越大时,感应电压的排放水平越高。

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    fig

    图 9  不同相对位置时的感应电压测试结果对比

    Fig. 9  Comparison of induced voltage testing results at different relative positions

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    基于上述牵引系统感应电压的测试,可以明确本文研究的地铁直流牵引系统产生感应电压的主要干扰源为直流斩波器-制动电阻的工作回路。最恶劣的运行条件为最大制动力矩的电阻制动模式,最恶劣的运行位置为列车轮轴-轨道-耦合变压器所构成的2个感应环路面积相差最大时,即装载牵引系统的单节列车前轮轴刚驶过轨道电路上方或后轮轴即将驶过轨道电路上方时所对应的运行位置。

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    4 基于频谱管理的感应电压抑制技术

    图10对比了地铁直流牵引系统感应电压频谱与轨道电路抗扰度频谱,频率范围为2 000~6 000 Hz。图10中蓝线显示了牵引系统在最大力矩电阻制动工况下的感应电压频谱特性,红线为国外某地铁项目对上线运营车辆所提的感应电压发射限值,该数据是测试了线路上音频轨道电路感应电压的实际抗扰度并在其基础上考虑一定裕量得出的。感应电压限值的频率范围基于音频轨道电路工作中心频率(分别为2 970 Hz、3 330 Hz、3 510 Hz、3 690 Hz、3 870 Hz、4 230 Hz、4 410 Hz以及4 950 Hz),将其划分为多个子频段,每个子频段的带宽为±90 Hz,该带宽由音频轨道电路接收模块内的带通滤波器3 dB带宽决定。在每个子频段内,基于轨道电路接收端带通滤波器的幅频响应特性,轨道电路对靠近工作中心频率的感应电压更敏感,抗扰能力更差,因此对车辆在轨道电路中心频率附近规定的感应电压发射限值越严苛。

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    图 10  牵引系统感应电压与轨道电路抗扰度频谱特性对比

    Fig. 10  Comparison of spectrum characteristics between induced voltage from traction system and track circuit immunity

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    根据上述对比结果,本文所示的牵引系统感应电压排放水平在部分频段超过了音频轨道电路的抗扰度水平,因此牵引系统存在对轨道电路的感应干扰风险。通过分析牵引系统感应电压的频谱特性,可以发现感应电压的谐波分量由于直流斩波器采用随机开关频率策略表现出不稳定性和分散性,不稳定性是指谐波频率不可控,导致谐波频率与轨道电路工作频段重叠;分散性是指感应电压并不完全集中在每个谐波频率处,还分散在每个谐波频率附近,导致谐波的旁瓣感应电压超过了轨道电路的抗扰度。通过分析轨道电路的抗扰度频谱特性,可以发现每个音频轨道电路的工作中心频率都相差180 Hz的整数倍,而每个音频轨道电路的工作带宽都为±90 Hz,这就造成每个音频轨道电路之间都存在一个“频率间隙”,这种特征是轨道电路设计者在考虑了线路上变电站6脉波整流器谐波(6×60 Hz)可能会通过传导干扰轨道电路而特意实施造成的。因此若能控制牵引系统的感应电压谐波也恰好插入这些频率间隙位置时,就能将感应电压的干扰频谱与轨道电路的工作频谱彻底错开,从而大大降低牵引系统感应干扰轨道电路的风险。

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    基于此,本文提出了一种基于牵引系统与轨道电路频谱管理的感应电压抑制方式,将牵引系统直流斩波器IGBT开关频率固定为360 Hz。图11给出了优化后的牵引系统感应电压干扰频谱与轨道电路抗扰度频谱对比,根据对比结果,牵引系统感应电压谐波频率固定在了360 Hz的倍频处,主动避开了音频轨道电路的工作频谱,并且这种固定开关频率的策略将直流斩波器的感应干扰能量基本都集中在谐波频率处,不会造成能量分散从而干扰到轨道电路的工作频段。

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    fig

    图 11  基于频谱管理优化后的牵引系统感应电压与轨道电路抗扰度对比

    Fig. 11  Comparison of spectrum characteristics between induced voltage from traction system and track circuit immunity after optimization based on spectrum management

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    5 结束语

    本文在模拟轨道电路的条件下设计了一种地铁直流牵引系统感应电压测试平台,可在实验室静态环境中再现列车动态运行中对地面轨道电路产生的瞬态感应干扰,其主要用于在牵引系统设计阶段评估对轨道电路的感应干扰风险,有利于产品的电磁兼容正向迭代设计,提升车辆上线后与轨道电路之间的电磁兼容性。另外,提出了一种基于频谱管理的感应干扰抑制策略,是在深入分析牵引系统感应发射与轨道电路感应抗扰的频谱特性基础上,通过精细化地将干扰谐波分量分配到轨道电路工作频带外来实现的,是一种主动、高效且节约成本的感应干扰解决方案。但这种方式也存在一定的应用局限性,可能与解决牵引系统传导干扰轨道电路需要的抑制策略相矛盾,这就需要全面地考虑牵引系统感应发射和传导发射的频谱特性,分析两种干扰模式对轨道电路影响的主次性,进行更合理的频率分配与优化。

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    CRRC ZIC Research Institute of Electrical Technology & Material Engineering
    Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Co., Ltd.
    Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited
    Locomotive and Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited
    0