分相区应答器传输系统电磁干扰分析及防护技术研究

李智宇

（1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．石家庄铁道大学，石家庄 050043）

1 概述

我国动车组主要由牵引供电系统、通信信号系统和动车组组成，电气化牵引、数字化基础装备、计算机化运算控制是高铁的3 个特点。这也意味着它是一个复杂电磁系统，强弱电交叉、高低压耦合、动静态并存，车地间、线路间、轮轨间、弓网间相互作用复杂，电磁能量对动车组通信造成干扰，危害列车安全运行。其中弓网放电、牵引动力电源谐波等已成为重要的干扰源，对车地通信带来严重影响[1-3]。

应答器传输系统（BTM）以安全点式信息传输方式实现地面设备向车载设备传输信息。在我国列车运行控制系统的CTCS-2、CTCS-3 级得到广泛应用[4-8]。

随着车辆运行速度提升以及发车密度增加，在分相区发生应答器信息丢失、全零应答器、幽灵应答器的故障也越来越多，大部分应答器信号丢失未影响动车组正常运行，其中部分应答器故障造成列车输出紧急制动停车。对此相关单位开展了故障排查工作，排除应答器本身硬件故障原因外，发现主要原因是BTM 在分相区受到弓网放电产生的电磁干扰[9-16]。

动车组过分相时，弓网离线电磁干扰可通过辐射和传导两种路径耦合到BTM 系统[17]，本文重点研究辐射电磁干扰对应答器传输系统的影响及防护技术。基于电磁场理论，开展分相区弓网放电理论分析与现场试验研究，掌握干扰源电磁特性，通过仿真研究分析能量耦合通路，明确应答器传输系统电磁干扰成因，针对电磁干扰特点结合BTM 系统自身特点提出整改防护措施，并通过试验验证防护技术的有效性，为BTM 电磁防护提供技术支持。

2 分相区弓网放电研究

为保证人员和设备的安全在分相区列车真空断路器（VCB）处于断开状态。主回路示意如图1所示。

图1 主回路示意Fig.1 Schematic diagram of main current loop

在分相区即使VCB 处于断开状态，当列车由有电区运行到无电区以及再到有电区时，受电弓与接触网位置处发生高压放电现象。这是因为受电弓、高压电缆、车体、钢轨、大地之间存在分布电容，根据高压放电理论和基尔霍夫电流定理，当列车由有电区运行到无电区瞬间将发生高压拉弧放电，当列车由无电区运行到有电区瞬间将发生高压空气击穿放电，电流回路为接触网-受电弓-高压电缆-车体-轮毂-钢轨-变电站及大地。

放电发生时，弓网之间的阻抗发生了突变，即|dZ/dt|较大，由i=U/Z可知|di/dt|较大，电流随时间变化不为零时必然伴随宽频带、高能量的电磁辐射产生。在某分相区垂直距离为10 m 位置处测试列车经过弓网放电产生的辐射发射如图2 所示。

从图2 测试结果可以看出，列车经过分相区发生了弓网放电，在BTM 通信频带3.9 ～4.5 MHz 存在较强的电磁干扰，BTM 通信中心频率4.23 MHz 辐射强度为55 dBV/m。通带内频率3.9 MHz 处的辐射强度为82 dBV/m。当辐射能量通过空间传播到车底的BTM 车载天线位置处时，将被天线接收，从而对应答器传输系统产生同频带内骚扰，该电磁能量很难抑制干扰源，也很难通过敏感设备BTM 滤波器进行滤波。

图2 分相区弓网离线放电辐射发射BTM带内频谱Fig.2 BTM band spectrum during discharge radiation emission of pantograph-catenary disconnection in neutral section

3 分相区弓网放电电磁辐射发射与CAU能量耦合仿真

按照列车实际尺寸构建列车三维物理模型，如图3 所示。其中接触网与x轴平行，设接触网长300 m，距地6 m。铝合金车体长26 m，高3 m，宽3 m，铝合金厚度d=5×10-3m，电导率σ=3.54×107S/m，车体内部为自由空间。接触网选择截面积为120mm2的铜锡合金导线(等效半径6.18×10-3m)，电导率σ=4.17×107S/m，相对介电常数εr=0。

图3 列车与接触网三维模型Fig.3 3D model of train and catenary

激励源处于接触网中间位置，坐标为(0,0,6)，频率进行参数化设置，重点关注BTM 通信中心频率附近的最大辐射频率3.9 MHz，激励源幅值为实际弓网交流电压27.5 kV。经过仿真得到空间电场分布情况如图4 所示。

图4 分相区弓网放电电场辐射分布仿真结果Fig.4 Simulation result of the distribution of electric field radiation of pantograph-catenary discharge in neutral section

在垂直列车距离10 m 位置处频率3.9 MHz 辐射仿真结果为50 dBμV/m，通过与现场实测数据比对验证了仿真结果的有效性。通过分析可以得到弓网接触位置处场强最大，为67 dBμV/m，车厢内部场强最小，接近0，其中CAU 位置处的强场为51.7 dBμV/m。对CAU 进行建模，如图5 所示。

图5 CAU三维建模Fig.5 3D CAU model

经过仿真计算得到耦合到CAU 天线输出端口的功率为-50 dBm。根据《应答器传输系统技术规范》（Q/CR 716-2019），BTM 在2.5 ～6 MHz 频段内应承受峰值不超过-60 dBm 的环境噪声，从而可以断定分相区弓网放电产生的电磁辐射对BTM系统产生了干扰。

4 BTM电磁干扰防护及验证

基于现场测试及仿真研究，可以看出分相区弓网放电通过空间辐射将干扰能量耦合到BTM 系统，产生同频干扰。通过对干扰源电磁能量抑制和敏感设备滤波器很难达到好的效果，因此阻断电磁能量耦合通道成为降低电磁干扰的首选方案，对此提出在CAU 上部增加天线定向约束屏蔽装置。其结构示意如图6 所示。

图6 CAU天线定向约束屏蔽装置结构示意Fig.6 The structure of directional shield of CAU antenna

装置材料为铁，长为847 mm，宽为741 mm，高为98 mm，厚度为3 mm，如图7 所示。

图7 装置尺寸Fig.7 Size of the shield

在实验室对CAU 天线定向约束屏蔽装置电磁屏蔽效能进行测试，测试示意如图8 所示。

图8 装置屏蔽效能测试示意Fig.8 Schematic diagram of the shielding effect testing of the protective device

将信号源与环天线连接，环天线放置在BTM天线不同位置，天线通过D 电缆与频谱仪直连，测试加上天线罩前、后BTM 天线接收到的能量。

信号源以一定功率输出频率为3.9 MHz 的信号，分别在CAU 前、后和左、右4 个位置处施加干扰，通过频谱仪测试天线罩的屏蔽效果，现场测试布置如图9 所示。

图9 防护装置屏蔽效能测试布置Fig.9 The arrangement for testing the shielding effect of the protective device

屏蔽效能测试结果，如表1 所示。

表1数据显示，在加上金属罩之后，可以有效降低周围空间给BTM 天线造成的带内骚扰，其中在右侧测试点金属板屏蔽效能最大可达23 dB。

表1 防护装置屏蔽效能测试数据Tab.1 Test data on the shielding eff ect of the protective device

对防护装置在某列车进行了现场有效性验证，如图10 所示。

图10 防护装置电磁屏蔽效能现场验证Fig.10 Testing of the shielding effect of the protective device in the field

增加防护装置后，通过对BTM 系统的D 电缆差模信号进行测试，测试结果如图11 所示。

图11 防护装置对D电缆差模干扰信号屏蔽效能测试结果Fig.11 Test result of the shielding effect of the device against differential-mode interference signals of Cable D

测试结果表明，动态运行中BTM 工作频带内的差模骚扰降低效果较为明显，其中3 ～3.5 MHz处较初始状态降低幅度高达20 dB 左右，报文质量由0.83 提高到0.91，说明CAU 天线定向约束屏蔽装置在能够有效提高CAU 天线抗干扰性能的同时，也不会影响BTM 的正常传输。

由于各车型车底布局的差异性，本文所提屏蔽装置较易在地铁、磁浮车辆上实现工程应用，拟在高铁车辆上应用时仍需进一步优化结构。

5 结论

针对分相区弓网放电产生的电磁辐射对BTM系统产生带内干扰，从而导致应答器信号丢失、全零、幽灵应答器等故障，本文开展了放电特性研究。通过仿真分析BTM 通信频带内电磁耦合规律，提出了一种屏蔽防护措施，通过实验室和现场测试，可使干扰信号幅度降低20 dB，从而验证了该方案的有效性和可行性。该方案能提高BTM 系统过分相时的抗干扰性，降低应答器故障率，具有较高的推广应用价值。