地铁轨道回流谐波测试与分析

刘兆青，胡文斌，胡 阳，吕建国

地铁轨道回流谐波测试与分析

刘兆青，胡文斌，胡 阳，吕建国

实测南京地铁一号线金马路—仙鹤门站的轨道回流值，从列车防护系统ATP滤波频点要求出发，给出分析轨道回流谐波成分中对ATP滤波频点影响较大的谐波分析方法。最后，结合数据分析结果，提出列车运行工况会对轨道回流谐波产生影响。

轨道回流；谐波；ATP；滤波频点

0 引言

电力牵引区段的两条钢轨，既作为轨道电路传输信息的通道，又作为牵引电流的回归通路。牵引电流回流在1 000 A左右，属于强电系统，而轨道电路的信号量级较小，属于弱电系统。这两种不同性质的电流在同一钢轨线路中传输，因牵引电流中谐波含量丰富，会干扰轨道电路的正常工作。

列车超速防护系统ATP起着维护列车安全的作用，实现超速防护的功能，目前 ATP系统大都使用轨道电路作为通信信号传输工具，使用音频轨道电路作为信息传输方式，对于列车 ATP系统来说，虽然可靠性极高，但2006年4月25日上午发生在日本兵库县尼崎市的列车出轨事故表明该系统中列车超速防护系统 ATP中存在极小的不安全因素，因此有必要找出会导致不安全行车的各种影响因素。

1 国内相关技术研究现状

国内外已经有人对于轨道回流及谐波进行研究，文献[1]提出交-直-交型机车产生的谐波虽然消除了低频带的谐波，但却产生了高频带谐波，在机车启动、爬坡、制动等调节过程中，谐波含量还会增大，且牵引供电系统中谐波含量丰富。文献[2]指出交-直-交动车组，总谐波含量小，但频谱较宽，高频谐波含量较高。文献[3]指出，研究电力牵引对轨道电路传输系统的影响，切入点应该是在列车运行间，由于电源波动、整流件换向、大负载变化、列车启动或制动、供电臂切换、车辆逆变等产生谐波影响。文献[4]通过对正反向牵引时骚扰电流曲线采用典型的二阶指数衰减模型和Allomericl模型进行拟合，得到模拟曲线，通过与实测曲线对比指出轨道骚扰电流峰值随着频率的升高而迅速衰减。文献[5]通过分析高速铁路列车超速防护系统ATP对轨道电路信息和传输的要求提出，牵引电流谐波干扰随着谐波次数的增加，其能量将大大下降，从抗干扰角度来看，频率越高，干扰量将越小，但对轨道电路传输越不利。

以上文献提及轨道电力牵引中高频谐波成分但并未具体分析高次谐波。因此本文通过实测南京地铁一号线轨道回流值，再将其值通过 FFT算法处理，分析出其中所含各次谐波的幅值，将其与列车超速防护系统ATP滤波频点与电流限值做对比，并得出轨道回流谐波对ATP信号传输的影响分析。

2 轨道回流测试方法与测量原理

2.1 牵引供电系统及轨道回流谐波来源

电气化铁路牵引供电系统首先从地方发电厂经高压输电线路引入牵引变电所，然后由铁路牵引变电器经馈电线和接触网从机车受电弓引下供给电力机车，再通过回流轨，大地或回流线返回牵引变电所。电力机车内的牵引传动系统由受电弓、牵引变压器、脉冲整流器、中间环节、牵引逆器、牵引电动机与齿轮传动组成。系统组成如图1所示。其中牵引变压器、牵引变流器和电动机等非线性器件是主要谐波干扰源。另外地铁动力照明系统中普遍采用的各种变频装置，非线性的电光源、UPS等会产生大量谐波，而且在机车启动、爬坡、制动等调节过程中谐波含量还会增大。总之，在地铁运行过程中，牵引电力系统轨道回流中会流过各种各样种类丰富的谐波。

图1 机车牵引传动系统示意图

2.2 测试方法

对南京地铁一号线在100%牵引工况下钢轨上牵引回流的电流值进行实测分析，测试采用罗氏环检测电流值，瞬态记录仪设置200 kHz频率记录测试值。测试系统接线如图2所示。

图2 地铁车辆在线EMC测试系统接线图

2.3 测量原理

测量采用罗氏线圈测量电流值，罗氏线圈测量电流的理论依据是电磁感应定律和安培环路定律。当被测电流i通过Rogowski线圈时，在线圈出线端感应出电势e，e与初级电流i的变化率di/dt成比例。当绕在线圈上的线匝分布均匀时，Rogowski线圈每单位长度dl上的线匝上所交链的磁链dϕ为

式中，N为线圈的匝数；l为圆环的平均周长；B为线圈轴线方向上的磁感应强度；A为每匝的横截面积。

则总的线圈所交链的磁链为

又因为B = μ0H，其中，μ0为真空磁导率；H为磁场强度，则式（2）可表示为

根据全电流定律，磁场强度 H沿任意封闭轮廓的线积分等于穿过这封闭轮廓所限定面的电流，即H ∫dl = i，故得：

且感应电动势为

要想使 i(t)准确还原，必须加一个反相积分电路。因Rogowski线圈感应出的电压很小，在积分器后面需加一放大电路将其放大。积分是一个非常重要的环节，被还原的信号非常小，为方便测量，先将信号放大再积分，这样可以增大还原信号，且电容的存在可以过滤掉不必要的干扰[6]。

2.4 测试结果

通过实测南京地铁一号线回流电流值，采用瞬态记录仪以200 kHz频率记录数据值。其中金马路—仙鹤门区间的测量结果如图3所示。

3 列车运行超速防护系统

列车超速防护系统 ATP是列车自动控制系统ATC的子系统之一，可以自动检测测量列车的位置和实现列车间隔控制，以满足规定的通过能力，连续监视列车的速度，实现超速防护。超速防护系统ATP车载设备包括车载安全计算机VC、速度传感器、轨道信息接收模块STM及其接收天线、应答传输模块BTM及其接收天线、人机界面DMI以及其他一些设备接口。其中轨道信息接收模块 STM用于接收轨道电路信息，STM天线安装在列车底部，利用电磁感应接收轨道上的电气信息，并传送到STM，STM确定载波之后将解调信息，并传送给安全计算机[7]。为保证其信息的安全有效传输，需要对某些高频次谐波作特殊限制要求。南京地铁运营公司给出了轨道回流谐波中 ATP滤波频点限值要求，见表1。

图3 南京地铁一号线金马路—仙鹤门站间轨道回流电流值测量结果图

表1 南京地铁1号线ATP滤波频点与电流限值表

4 回流谐波分析及对ATP的影响分析

采用 FFT算法，将测得的时域上的轨道回流值转换在频域上进行谐波分析。在实测南京地铁一号线过程中，瞬态记录仪设置的采样频率为200 kHz，每秒将会记录200 k个数据，金马路—仙鹤门运行时间为2 min 20 s，在整个运行期间将会记录28×106个数据，显然不可能对每个数据都进行FFT分析。采用按时间抽取的方式进行FFT算法设计，设置采样频率为200 kHz，窗口长度为16，采样每秒的前216个点数做FFT转换分析。以牺牲精确度换取处理速度，在误差允许的范围内可以认为是合理的。为便于表述，记表1中，各频率为FAk(k=1…12)，电流限值为 IAk(k=1…12)，即 FA1 = 4 750 Hz，IA1= 170 mA；FA2= 5 250 Hz，IA2= 170 mA；…以此类推。记IBk(k=1..12)为经过FFT算法处理后的谐波幅值。程序流程如图4所示。

图4 基于FFT算法的轨道回流谐波分析程序流程图

经分析得到列车在整个站间运行期间，IBk(k=1..12)最大时的输出如表2所示，其中T′(n)为最大值对应出现的时间段。将其与 ATP滤波限值用图形作比较，见图5。

表2 南京地铁1号线ATP滤波频点谐波最大值与限值表

图5 谐波电流最大值与限值比较曲线图

从表 2与图 5可以看出，在 10 500 Hz与11 500 Hz处出现谐波幅值超过限值的情况，因此对这2个频点在列车整个运行期间谐波幅值绘图，如图 6、图 7所示，进一步确认 10 500 Hz和11 500 Hz在列车整个运行区间谐波幅值出现超过限值的次数。从图中可以得到，11 500 Hz谐波幅值超过限值的次数很少。而10 500 Hz谐波幅值在80～95 s之间超过限值的次数较多，结合列车运行速度曲线图发现列车此时处于制动减速行驶状态，需加强此时对ATP安全稳定性的考虑。

图6 整个站间10 500 Hz幅值变化曲线图

图7 整个站间11 500 Hz幅值变化曲线图

5 结语

本文结合南京地铁一号线对超速防护系统ATP滤波频点要求，实测金马路—仙鹤门站轨道回流，采用FFT算法分析轨道回流谐波中ATP要求的滤波频点，得到10 500 Hz与11 500 Hz频率幅值超过限值，其中多次出现10 500 Hz谐波幅值超过限值，结合列车运行速度曲线图猜测可能是列车在制动减速运行时，出现了对 ATP信号传输有影响的谐波，此时需加强注意ATP的安全运行情况。因谐波来源复杂，测试条件和本人知识有限等因素，本文仅给出轨道回流的测试方法，以及结合列车防护系统 ATP滤波频点的要求，给出一种分析特定谐波是否会对ATP信号传输产生影响的方法。猜测列车运行状态可能是使某些特定谐波幅值超过限值的因素，尚未分析这些幅值超过限值的谐波对ATP的具体影响，还有待继续研究。

[1] 王奇.高速铁路牵引供电系统高次谐波谐振仿真研究[D]. 西南交通大学，2009.

[2] 郭雷.额定功率下高速机车谐波特性的仿真分析[J]. 西南交通大学学报，2009，44（6）.

[3] 朱宏，王伟.直流电力牵引中不平衡电流及谐波对地铁信号系统的影响[J]. 城市轨道交通研究，2006.

[4] 赵兴.牵引供电系统不平衡牵引回流研究[D]. 北京交通大学，2011.

[5] 丁正庭.高速铁路列车超速防护系统对轨道电路信息和传输的要求[J]. 北方交通大学学报，2000.

[6] 杨红伟，陈明军.Rogowski线圈的设计原理及其预处理电路的分析[J]. 机电工程，2008，25（2）.

[7] 周钰威.ATP车载安全计算平台及测速定位功能的研究[D]. 北京交通大学，2012.

On basis of actual measured track return current value from Golden Road-Xianhemen of Line 1 of Nanjing metro, starting from requirements of ATP filtering wave frequency point for train protection system, the harmonic wave analysis method is obtained for analyzing great impact to ATP filtering frequency point within components of track circuit return current. Finally, with reference of data analysis results, it puts forward that the track return current harmonic wave will be affected by the train operation status.

Track return current; harmonic wave; ATP; filtering frequency point

U231.8

：B

：1007-936X(2015)04-0047-04

2014-11-10

刘兆青.南京理工大学，硕士研究生，电话：15705180961；

胡文斌.南京理工大学，副教授；

胡 阳.南京理工大学，硕士研究生；

吕建国.南京理工大学，博士研究生。

江苏省科技支撑计划项目，编号：BE2013125。