降低轨道车辆干扰导致故障率的研究

降低轨道车辆干扰导致故障率的研究

张树森，沈正建，宫庆钰

唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 064000

摘要：本文阐述了采用DC110V供电的轨道车辆电子设备抗干扰装置的研制过程。针对电磁干扰导致轨道车辆Compact I/O、Compact PT100、KLIP I/O、SIBAS®32失效故障、设备元件烧损及网络传输异常等问题。对所涉及的系统内外各类型电磁干扰源大量采集、分析和整理归类,制定解决方案，实施有效措施，开发研制了专门针对于轨道车辆的直流电源抗电磁干扰装置。具有抑制浪涌、隔离异频、稳定输出电压等功能。降低了轨道车辆因电磁干扰所导致的车载电子设备故障发生，保障轨道车辆安全稳定的运行。

关键词：电磁干扰；功能失效；控制紊乱；衰减；抑制；降低故障

1.概述

轨道车辆必须严格按图运行，然而在实际运营中由于各种原因很难做到，故障造成晚点、换乘甚至救援等事故时常发生。打乱运营计划，影响运输效率及对旅客出行。根据电磁干扰导致轨道车辆故障数据进行分析归类得知，当受到不同等级的电磁干扰时电子设备产生如下四种现象：（1）设备功能消弱，电子设备某些功能因干扰受到消极的减弱；（2）电子设备功能降低，电子设备的功能受到一定程度的减弱，这种电子设备功能上的减弱是不能被忽略的，但是在可允许范围内；（3）电子设备功能故障，电子设备功能受到一定程度的减弱，这种功能上的减弱是不被允许的；（4）电子设备功能损坏，电子设备的功能受到一定程度的缺失，这种功能上的缺失是绝对不被允许的，只有采取修复或更换的技术措施后才能够恢复正常。据统计，轨道车辆每年发生因电磁干扰导致的故障占总故障率的46%，所以解决轨道车辆因电磁干扰导致的故障问题迫在眉睫。

2.轨道车辆电磁干扰导致故障原因调查分析

2.1.轨道车辆干扰机理分析

轨道车辆电磁干扰导致Compact I/O、Compact PT100、KLIP I/O模块、SIBAS®32及网络控制模块等发生故障或烧损原因分析主要包含以下两点：一是Compact I/O、Compact PT100、KLIP I/O模块通过配置地址线来实现对车载电子设备的配置，该设备实时监测设备地址线配置MVB地址状态情况，如果在工作时设备的地址线突然发生变化，则系统报出MVB通讯故障，MVB总线管理器无法访问Compact I/O、Compact PT100、KLIP I/O模块报出通讯故障；二是设备受到电磁干扰导致通讯故障，电器柜、司机室等部位电磁兼容环境恶略，Compact I/O、Compact PT100、KLIP I/O模块抗干扰能力弱，模块电源存在浪涌、脉冲群冲击等干扰源导致模块发生故障。轨道车辆SIBAS®32失效故障原因主要是SIBAS®32故障（看门狗触发）所致，看门狗由三个触发条件，全部是底层触发，分别为TIMERCHK、CPUCHECK、ESH_LOK，任一条件触发看门狗后SIBAS®32就会停止喂狗程序，使其进入监控模式，不再对车辆实施监控功能，单个SIBAS®32触发看门狗故障，冗余的另一个SIBAS®32可以正常实施控制功能，保证网络和设备的正常运行，但是双SIBAS®32触发看门狗故障，网络就会中断，设备无法运行。

2．2.轨道车辆电磁干扰故障现场调查分析

通过对故障车辆故障发生电磁干扰故障时的运行工况和数据统计分析，轨道车辆的Compact I/O、Compact PT100、KLIP I/O模块故障发生时具备如下四个特点，一是车辆初时送电时报出Compact I/O、Compact PT100、KLIP I/O模块MVB通讯故障；二是车辆运行途中闪报Compact I/O、Compact PT100、KLIP I/O模块自身故障；三是车辆运行途中报出Compact I/O模块24V短路故障；四是车辆运行途中闪报多个Compact I/O、Compact PT100模块故障。车辆SIBAS®32失效故障发生时集中在电磁干扰较强的路段，线路两侧特高压输电网、高频雷达基站区间，供电线路存在较高浪涌电压、供电突变或供电短时间中断等所致。另外，车辆电子设备异频干扰导致以MOSFET管为主要控制元件的设备电源发生输出电压失稳、网络数据传输混乱及设备逻辑错误等故障。

3.轨道车辆电磁干扰源采集分析

3.1.高能量脉冲电磁干扰

在采集的轨道车辆干扰数据中存在大量的高能量的脉冲干扰源，这种高能量脉冲干扰能够使电源产生瞬时突变，通过波形分析该干扰为内阻较大、电压较高（几百伏）、前沿较快（微秒级别）及宽度较长（毫秒级别）的干扰脉冲，在整个干扰过程中属于中等速度和高等能量的脉冲干扰源。这种干扰源能够造成轨道车辆的车载电子设备电气系统错误动作甚至烧损设备中的电器元件。

3.2.瞬态尖峰浪涌电磁干扰

在采集的轨道车辆干扰数据中存在大量的瞬态峰谷值交替变化较大干扰源，这种干扰前沿较高（毫秒级）、宽度较大（秒级）及内阻较小的浪涌干扰。在整个干扰过程中属于高速度高能量的干扰源，这种干扰能够造成轨道车辆控制系统采用以微处理器为主的设备或数字逻辑控制电路产生紊乱或控制错乱。

3．3．异常频率电磁干扰

在采集的轨道车辆干扰数据中存在少量的3-30GHz超高频和30-300MHz甚高频的频率干扰源，这种干扰属于异频干扰，因干扰频率直接影响车辆电子设备电源开关管的工作频率稳定性，使得电源输出电压产生突变，失控的高电压能够造成元件烧损、数据丢失或功能紊乱，失控的低电压能够造成设备供电中断停止工作，过高或过低电压也能够造成设备监测电源异常实施过压或欠压保护功能信号触发，电源停止输出，使设备无法正常工作。

4. 轨道车辆抗电磁干扰装置研制和应用

4.1.轨道车辆抗干扰装置研制

4．1.1轨道车辆抗干扰装置异频隔离功能设计

随着车载电子设备复杂程度的不断提高，设备内部强弱电混装同一箱体、数字逻辑电路混合安装情况越来越多，电路模块之间的相互干扰已经成为严重的问题。分析干扰数据发现存在较多的电磁干扰频率在2.4GHz以上，这些高频率干扰源必须采用专用频率抑制元件才能够对其有效隔离或滤除。而普通电容之所以不能有效滤除高频率干扰，是由于普通电容引线会造成谐振，对高频信号呈现较大的阻抗，消弱信号的旁路作用。另一个原因是导线之间的寄生电容使高频信号发生耦合，降低滤波效果。解决这种高频干扰的有效方法就是利用穿心电容和采用不同功能模块的金属隔离舱将不同性质的电路进行隔离。而穿心电容之所以能够有效滤除高频噪声，是因为穿心电容不仅没有引线电感造成电容谐振频率变化的问题，而且穿心电容直接安装在两个金属隔舱板上，通过将穿心电容外表面直接用螺纹方式紧固在两个隔离仓金属板上构成了有效隔离和穿心电容的可靠接地，由于地电流分散在中心导体周围360度范围内，使电感不会产生，电容却可以在规定的频率范围内保持良好的特性。起到了高频隔离的作用。

4．1.2．直流电源抗干扰装置浪涌保护功能设计

分析采集干扰源存在大量线-线和线-地过电压和高浪涌干扰源，设计采用了压敏电阻和压敏电阻与气体放电管相结合的结构进行高电压和高浪涌的抑制和吸收。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间时，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。也就是说当压敏电阻两端的电压低于自身阀值时，流过它的电流极小，此时压敏电阻相当于一个阻值无穷大的电阻，也可以看作是一个处于断开的开关。相反，当压敏电阻两端的电压高于自身阀值时，流过压敏电阻电流激增，此时压敏电阻相当于一个阻值无穷小的电阻，也可以看作是一个处于闭合状态的开关，压敏电阻两端固定的电压值，此时无论电流变化多少数量级，压敏电阻两端电压却始终维持不变。所以通过在直流电源抗干扰装置电路中设计有压敏电阻，就能够实现直流电源抗干扰装置输出稳定的直流电压作用。

4．1.3．直流电源抗干扰装置稳定平滑功能设计

干扰导致故障数据分析结果中，存在电压突升、突降及电压短时间中断现象，这些异常电压峰谷值和持续时间远远超出了车载电子设备的额定电压范围，导致设备因供电异常发生故障。针对干扰导致电压突变或短时间中断问题利用蓄能元件解决。当装置输入电压发生突升时，蓄能元件两端电压高于额定电压值，蓄能元件通过吸收电能使装置的输出电压降低至额定电压值；当装置输入端电压突然降低或短时间中断时，蓄能元件通过释放电能使装置输出电压升高至额定电压值，确保装置的输出电压始终保持在额定电压值范围内。

4.2.轨道交通车辆抗干扰装置扩展功能设计

4．2.1．抗干扰装置状态监控功能设计

轨道车辆直流电源抗干扰装置与电子设备串联安装在用电设备电源输入前端，为了实时监控装置的工作状态，在装置的外壳面板设计有LED状态指示灯，输入电源正常绿色LED1亮，输出电源正常绿色LED2亮，装置故障且处于旁通状态红色LED3亮。

4．2.2．抗干扰装置故障直通功能设计

由于轨道车辆直流电源抗干扰装置安装在电源和设备之间，装置正常状态下电源经过直流电源抗干扰装置内器件隔离、抑制或衰减干扰源，输出纯净的供电电源。当装置内部电子元件发生故障或损坏时电压无法输出，车载电子设备因失电而无法工作，从而造成严重的滋生事故。所以轨道车辆直流电源抗干扰装置扩展设计有故障时电源直通功能，装置内部元件发生故障时驱动装置内部继电器切换，隔离故障装置且直通输出电源实现自动转换。保障在装置发生故障时用电设备仍然能够获得工作电源。

5. 结论

直流电源抗干扰装置进行了批量试装，选择了10列因电磁干扰而频繁发生故障车，分别安装在Compact I/O模块、Compact PT100模块、KLIP I/O模块和SIBAS®32供电输入前端。经过一年运用考核，安装直流电源抗干扰装置前后故障统计对比结果显示，故障率降率低了98.5%。由此结论如下：直流电源抗干扰装置的安装能够彻底解车辆因电磁干扰导致的电子设备供电电源频率异常、电压突变或短时中断及高浪涌高电压导致的故障，该装置所有功能符合原设计理念，达到了研发预设目标。

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作者简介：张树森(1970)，男，中车高级技师，中车专家，长期从事轨道交通车辆运维服务与运行故障处理及解决方案的研究实施工作。