鐵路電氣系統(tǒng)電磁兼容性“V模型”應(yīng)用實(shí)踐

趙強(qiáng),李鐵男,崔城瑋

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062; 2.吉林大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)*

鐵路電氣系統(tǒng)電磁兼容性“V模型”應(yīng)用實(shí)踐

趙強(qiáng)1,李鐵男1,崔城瑋2

(1.中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130062; 2.吉林大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春 130012)*

通過(guò)對(duì)鐵路系統(tǒng)集成過(guò)程中全壽命周期電磁兼容性(EMC)實(shí)踐問(wèn)題的研究分析，詳細(xì)闡述了鐵路電氣系統(tǒng)集成過(guò)程中EMC主要影響因素 ,提出了有效的控制措施，對(duì)旨在達(dá)到高水平國(guó)際EMC標(biāo)準(zhǔn)要求的系統(tǒng)集成商及供應(yīng)商的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義.

鐵路；電氣系統(tǒng)；電磁兼容；V模型

0 引言

電氣系統(tǒng)在鐵路環(huán)境中被廣泛的采用, 其中包括牽引供電、信號(hào)控制系統(tǒng)、無(wú)線電通信系統(tǒng)、車載和基于地面無(wú)線電的設(shè)備、控制中心的計(jì)算機(jī)裝置以及車輛和車站的乘客信息系統(tǒng)，無(wú)論是交流鐵路采用獨(dú)立接地回流供電系統(tǒng)還是直流鐵路絕緣回流供電系統(tǒng)其高壓相關(guān)子系統(tǒng)都會(huì)對(duì)低電壓子系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，同時(shí)也會(huì)威脅到與其相關(guān)的其他電子設(shè)備的正常工作.為了提高電氣化鐵路的電磁兼容水平，在鐵路電氣系統(tǒng)全壽命周期設(shè)的設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)、運(yùn)行及維護(hù)階段必須充分考慮接口處的電氣系統(tǒng)集成EMC要素,進(jìn)行詳細(xì)的考慮尤為重要[1].

1 鐵路電氣系統(tǒng)集成

鐵路是高度集成的高水準(zhǔn)系統(tǒng)，在其電氣系統(tǒng)構(gòu)成中， 其組件中涵蓋多種復(fù)雜相對(duì)于鐵路系統(tǒng)而言的子系統(tǒng)，如供電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)等[2].這些子系統(tǒng)運(yùn)行中相互之間存在互動(dòng)，這種復(fù)雜性為鐵路項(xiàng)目帶來(lái)了潛在的風(fēng)險(xiǎn)，特別是對(duì)于電磁兼容安全性角度而言，圖1所示鐵路系統(tǒng)構(gòu)成各子系統(tǒng)間相互關(guān)系.

圖1 鐵路系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 全壽命周期“V"模型

電磁兼容問(wèn)題產(chǎn)生的直接影響往往都是與安全相關(guān)的,因此,在鐵路電氣系統(tǒng)集成過(guò)程中必須嚴(yán)格按照EN50126中詮釋的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)全壽命周期V模型要求進(jìn)行規(guī)范性設(shè)計(jì)、分析及試驗(yàn)驗(yàn)證以保證電磁兼容危險(xiǎn)因素得以控制，并不會(huì)產(chǎn)生最終的危害[3]. 系統(tǒng)集成商或供應(yīng)商也應(yīng)證明其在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中遵守了EN50126中全壽命周期V模型具體工作要求.

1.2 系統(tǒng)集成構(gòu)造法

為充分保證系統(tǒng)集成能夠達(dá)到電磁兼容性，這就要求將整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)分解成若干個(gè)子系統(tǒng)，明確各個(gè)子系統(tǒng)之間的接口和互動(dòng)且子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)應(yīng)充分保證相互間按照預(yù)定要求協(xié)同作業(yè)并滿足系統(tǒng)的整體要求，進(jìn)而提供保證證明.

1.3 系統(tǒng)集成關(guān)鍵步驟

根據(jù)鐵路電磁系統(tǒng)的系統(tǒng)集成實(shí)踐應(yīng)用，保證系統(tǒng)集成的電磁兼容性，在系統(tǒng)集成過(guò)程中應(yīng)遵照以下相關(guān)關(guān)鍵步驟并制定能夠強(qiáng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求.①將系統(tǒng)分解成子系統(tǒng);②明確接口問(wèn)題以及各個(gè)子系統(tǒng)間如何互動(dòng),充分詳盡的做好子系統(tǒng)的配置以便于能夠確定相互間能按照預(yù)期要求協(xié)調(diào)作業(yè)并滿足系統(tǒng)整體要求; 確保各個(gè)子系統(tǒng)間的互動(dòng)是適當(dāng)?shù)那铱煽氐? 制定系統(tǒng)制造、安裝、調(diào)試、投入運(yùn)營(yíng)、運(yùn)行、維護(hù)、拆卸及處置方面的戰(zhàn)略和標(biāo)準(zhǔn);確認(rèn)并驗(yàn)證這些要求在整個(gè)項(xiàng)目壽命周期內(nèi)以及整個(gè)系統(tǒng)最終的壽命周期內(nèi)均能得到滿足.也就是說(shuō)，需要提供保證.③保持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及相關(guān)戰(zhàn)略能夠隨著項(xiàng)目的進(jìn)展而及時(shí)地更新,反饋及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn).④保證和有效的集成可以通過(guò)V模型過(guò)程證明.

1.4 系統(tǒng)集成管理計(jì)劃

電氣集成管理計(jì)劃作為項(xiàng)目執(zhí)行的綱領(lǐng)性指導(dǎo),該計(jì)劃可以構(gòu)成整體系統(tǒng)集成管理計(jì)劃.電氣系統(tǒng)集成管理計(jì)劃應(yīng)規(guī)定項(xiàng)目壽命周期戰(zhàn)略以保證成功進(jìn)行系統(tǒng)集成并能進(jìn)行相關(guān)的證明以下專業(yè)及系統(tǒng)應(yīng)包含在內(nèi)：①牽引供電和電氣化(鐵路部門(mén)和公共供電)，包括高壓供電、低壓供電、據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)系統(tǒng)、交直流電氣化配電;②信號(hào)及通訊，包括傳輸系統(tǒng)、列車運(yùn)行及控制、無(wú)線電系統(tǒng);③鐵道車輛，包括集電系統(tǒng)、牽引和列車控制、乘客通訊系統(tǒng);④道岔及鐵路走廊基礎(chǔ)設(shè)施，包括行車軌道構(gòu)成牽引和控制系統(tǒng)回路的組成部分、可能受到電氣系統(tǒng)運(yùn)行(正常和異常(故障條件))影響的縱向傳導(dǎo)型基礎(chǔ)設(shè)施部件和其它傳導(dǎo)性基礎(chǔ)設(shè)施容易受到雜散直流電流的影響.

1.5 風(fēng)險(xiǎn)及危害識(shí)別

在項(xiàng)目壽命周期內(nèi)從可行性一直到最終的交付階段積極主動(dòng)地對(duì)危害進(jìn)行安全管理是具有任何復(fù)雜程度的項(xiàng)目順利交付的關(guān)鍵.需要鑒別的安全隱患可能需要兼顧設(shè)備可操作性和人的安全兩方面.同時(shí), 應(yīng)鑒別出與系統(tǒng)集成相關(guān)聯(lián)的危害并提交給項(xiàng)目危害日志或者記錄.這些內(nèi)容可以構(gòu)成相關(guān)系統(tǒng)正式的RAMS(可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全)分析過(guò)程的組成部分.

1.6 接口技術(shù)條件

對(duì)于已知的技術(shù)接口，應(yīng)編制具體接口技術(shù)要求中,接口技術(shù)條件應(yīng)明確所有可能受影響的系統(tǒng).有必要將項(xiàng)目中已經(jīng)甄別出的危害的責(zé)任規(guī)定出歸屬方(并接受)且設(shè)計(jì)師應(yīng)緩解任何潛在的干擾.

2 鐵路EMC設(shè)計(jì)方法

鐵路為復(fù)雜的電磁環(huán)境且EMC屬于重要的關(guān)注區(qū)域. 此外，與其他第三方系統(tǒng)之間的接口在EMC方面也需要給予考慮.各個(gè)系統(tǒng)之間的兼容性出現(xiàn)問(wèn)題的，可能導(dǎo)致為運(yùn)行方面出現(xiàn)的不可靠性付出代價(jià).同時(shí)，會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生，進(jìn)而讓乘客及人員的安全性大大折扣.鐵路工業(yè)正努力減少危害鑒別過(guò)程和風(fēng)險(xiǎn)緩解過(guò)程中出現(xiàn)的類似事件的風(fēng)險(xiǎn).EMC構(gòu)成了這些過(guò)程的基本部分[4].

2.1 EMC法定要求

鐵路所有電氣或者電子設(shè)備、系統(tǒng)及裝置的制造商、供應(yīng)商和安裝單位必須證明滿足EMC法則的要求.鐵路的每個(gè)相關(guān)組件都必須承載與EMC有關(guān)的CE標(biāo)識(shí)以及根據(jù)法規(guī)要求提出的合規(guī)性聲明.在鐵路環(huán)境下證明滿足EMC要求的常規(guī)路線就是通過(guò)技術(shù)結(jié)構(gòu)文件.針對(duì)鐵路應(yīng)用EN50121的EMC產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)并未在歐盟的官方公報(bào)中發(fā)布.因此，僅通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)路線是無(wú)法用來(lái)證明滿足EMC法則的要求[5].

2.2 EMC管理

為了確保滿足EMC法則的要求，這就要求穩(wěn)健的質(zhì)量保證流程，包括EMC管理計(jì)劃、EMC安裝操作規(guī)則和EMC試驗(yàn)規(guī)程.電磁環(huán)境的特性是全面了解既定的鐵路運(yùn)營(yíng)環(huán)境所必須的.同時(shí)，告知EMC管理計(jì)劃、EMC安裝操作規(guī)則和EMC試驗(yàn)規(guī)程.制定EMC管理計(jì)劃并以EN50121、EN61000-5、EN61000-6和國(guó)家及國(guó)際鐵路標(biāo)準(zhǔn)的要求為基礎(chǔ).EMC管理計(jì)劃應(yīng)規(guī)定項(xiàng)目戰(zhàn)略，以確保滿足EMC要求.它應(yīng)明確質(zhì)量保證流程，包括危害識(shí)別、要求的提交內(nèi)容、職責(zé)和責(zé)任、EMC證書(shū)及試驗(yàn)規(guī)程[6].EMC安裝操作規(guī)則的編制應(yīng)以鐵路網(wǎng)絡(luò)要求、EMC設(shè)計(jì)方面的最佳慣例、安裝及EN6 1000-5系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進(jìn)行.在設(shè)計(jì)靠近另一條鐵路運(yùn)行的鐵路時(shí)，有必要參照兩條鐵路的標(biāo)準(zhǔn)及操作規(guī)則. 原因是，一條鐵路的發(fā)射會(huì)沖擊另一條鐵路.EMC試驗(yàn)規(guī)程的編制應(yīng)包含該項(xiàng)目EMC試驗(yàn)要求的綜合技術(shù)條件.試驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)包含各個(gè)儀器以及系統(tǒng)級(jí)的EMC測(cè)試.

2.3 EMC設(shè)計(jì)方法

鐵路系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)方法是以法定要求為根本基準(zhǔn)，通過(guò)采用濾波、接地、屏蔽、電纜類型分隔

及頻率分割等措施，實(shí)現(xiàn)鐵路項(xiàng)目整個(gè)系統(tǒng)間的電磁兼容性.

濾波主要用于控制傳導(dǎo)干擾，采用濾波電路或?yàn)V波器將信號(hào)中特定波段頻率信號(hào)(干擾信號(hào))濾除的操作.

屏蔽是防止輻射干擾的主要措施，一般通過(guò)金屬機(jī)柜封閉干擾易感設(shè)備予以提供屏蔽.在低頻率中，磁場(chǎng)通常比電場(chǎng)擁有更大的擔(dān)憂.在高頻率中，電場(chǎng)和磁場(chǎng)必須予以考慮.

接地是最小化干擾的重要方法并且保證工作人員和設(shè)備的安全.為了最小化差模干擾，接地棒處測(cè)量的電阻將盡可能地低，并且不超過(guò)相關(guān)合同中指定的極限值.

電纜分隔的目的用于保護(hù)控制和儀表測(cè)量的銅電纜將適當(dāng)定位并且提供屏蔽，從而最小化輻射發(fā)射和從電氣系統(tǒng)感應(yīng)的縱向電壓.

對(duì)于鐵路電氣系統(tǒng)集成中電磁兼容問(wèn)題，應(yīng)針對(duì)不同系統(tǒng)不同特點(diǎn)進(jìn)行全面的分析而后選擇合理EMC設(shè)計(jì)方法以達(dá)到最佳的電氣系統(tǒng)間的電磁兼容性.

3 EMC試驗(yàn)案例

根據(jù)近期對(duì)新鐵路通信系統(tǒng)的個(gè)案研究，該通信系統(tǒng)將安裝在歐洲直流地鐵系統(tǒng)的車站，安裝后的通信系統(tǒng)不得僅限于滿足歐洲及國(guó)家EMC法規(guī)方面的法定要求.還要滿足鐵路運(yùn)營(yíng)方當(dāng)?shù)氐囊?在本例中，鐵路運(yùn)營(yíng)方已經(jīng)精心制定了綜合的EMC要求，而對(duì)于縱向和噪聲加權(quán)的橫向電壓僅提供了正常運(yùn)行條件下的要求.

3.1 縱向電壓(VL)和噪聲加權(quán)橫向電壓(VP)

縱向電壓這一術(shù)語(yǔ)常用在通訊中.指的是共模電壓.該電壓沿著傳輸回路縱向產(chǎn)生.過(guò)量的VL可以對(duì)維護(hù)人員造成觸電危害并可以影響到設(shè)備的可操作性.

橫向電壓這一術(shù)語(yǔ)指的是傳輸回路對(duì)之間發(fā)生的差模電壓.過(guò)量的橫向電壓可以導(dǎo)致受影響的系統(tǒng)出現(xiàn)可靠性問(wèn)題.

此外，聲頻帶中的過(guò)量橫向電壓可以導(dǎo)致聲頻回路的性能降級(jí).向橫向電壓數(shù)據(jù)中施加噪聲加權(quán)會(huì)顯示出該噪聲電壓可能對(duì)既定的信號(hào)造成的人的聽(tīng)力所能鑒別的降級(jí)程度.

3.2 測(cè)量方法

在新的通訊系統(tǒng)出于調(diào)試階段的兩個(gè)試驗(yàn)車站進(jìn)行VL和VP的測(cè)量.測(cè)量工作在多處測(cè)試回路上進(jìn)行.如表1所示.測(cè)試回路長(zhǎng)度的最大變化值為-100m.盡管傳統(tǒng)鐵路VL測(cè)量工作通常在50Hz條件下進(jìn)行，本案研究中的測(cè)量是在5 ～30MHz范圍內(nèi)進(jìn)行的.頻率范圍擴(kuò)大后，提供的是有價(jià)值的補(bǔ)充數(shù)據(jù)并可以把結(jié)果同EN61000-4-16[5]和EN50121-4相比較.

表1 測(cè)量回路匯總

在每個(gè)車站，測(cè)量設(shè)備與通訊設(shè)備間(CER)內(nèi)的測(cè)試回路耦合.測(cè)量VL時(shí)，絞股對(duì)的2個(gè)端子或者同軸電纜的外側(cè)和內(nèi)側(cè)連接在一起并固定到遠(yuǎn)端(現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備)的就地接地端上.在近端(CER)，絞股對(duì)的2個(gè)端子或者同軸電纜的外側(cè)和內(nèi)側(cè)連接在一起.屆時(shí)，在組合線路與接地端之間測(cè)量VL.測(cè)量分析儀通過(guò)其230V電源接地.對(duì)于屏蔽絞股對(duì)的VP測(cè)量值，屏蔽層的兩端仍需要保持不連接狀態(tài).絞股對(duì)的2個(gè)端子通過(guò)遠(yuǎn)端的600Q電阻性負(fù)載端接.對(duì)于同軸電纜，外側(cè)和內(nèi)側(cè)通過(guò)遠(yuǎn)端的75Q電阻性負(fù)載端接.在近端，在絞股對(duì)的2個(gè)端子間或者同軸電纜的內(nèi)層與外層之間測(cè)量VP.

3.3 結(jié)果

3.3.1 縱向電壓(VL)

在本案研究過(guò)程中，在正常鐵路運(yùn)行條件下，鐵路運(yùn)營(yíng)方的VL極限值在50Hz時(shí)，為25V(148dBμV). 表2表明，所測(cè)得的VL最大值低于該極限值.

表2 50 Hz時(shí)最大VL值

對(duì)于頻率在150 Hz以內(nèi)的VL極限值，所測(cè)得的數(shù)據(jù)與EN61000-4-16相比較.EN61000-4-16規(guī)定了15Hz～150kHz之間的極限值.EN61000-4-16定義了四個(gè)等級(jí)的極限值.每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)于不同的環(huán)境.如果設(shè)備安裝在CER內(nèi)，選擇2級(jí)是最合適的.原因是它提供的是“受保護(hù)的環(huán)境”. 在該環(huán)境中，設(shè)備直接與第低壓電源和裝置的接地系統(tǒng)連接.標(biāo)準(zhǔn)中提供的上述環(huán)境示例為專用的控制室或者終端室.2級(jí)極限值為3VRMS(130dBμV).

對(duì)于頻率在150Hz～30MHz范圍內(nèi)的VL極限值，所測(cè)得的數(shù)據(jù)與EN50121-4相比較.對(duì)于設(shè)備I/O端的傳導(dǎo)型射頻抗擾度，EN50121-4規(guī)定了頻率在150kHz～80MHz之間，電壓為10V(140dBμV)時(shí)的電壓極限值范圍.

圖2和圖3給出了VL測(cè)量結(jié)果.對(duì)于所有測(cè)試回路，測(cè)得的電平值顯著低于極限值.

圖2 PHPVL(5 ～30 MHz)

圖3 CCTV VL(5 ～30 MHz)

3.3.2 噪聲加權(quán)橫向電壓(VP)

在本案研究中，在正常鐵路運(yùn)行條件下，鐵路運(yùn)營(yíng)方規(guī)定的VP極限值為1mV(60dBμV)，均

方根(RMS)為5Hz～6kHz. 采用縱向電壓(VL)測(cè)量計(jì)算同樣原理,計(jì)算出的VP的RMS值明顯低于該極限值.

表3 RMS VP5 ～6 kHz

4 結(jié)論

對(duì)與鐵路環(huán)境中即將采用的電氣系統(tǒng)成功集成相關(guān)的問(wèn)題分析表明，電氣系統(tǒng)集成屬于復(fù)雜工作，要想取得成功，需要跨專業(yè)間的配合和鼎力領(lǐng)導(dǎo)和管理，所提交的案例研究闡述了V循環(huán)的實(shí)踐應(yīng)用情況.業(yè)主及設(shè)計(jì)要求是通過(guò)成功測(cè)試得到驗(yàn)證的.

[1]譚秀炳,劉向陽(yáng).交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2002:185-191.

[2]于曉丹.機(jī)車牽引逆變器的電磁干擾研究[D].北京:北京交通大學(xué), 2010:25-26.

[3]白如雪 .強(qiáng)電磁干擾對(duì)鐵路信號(hào)的影響研究 [D].北京 :北京交通大學(xué),2010.

[4]張晨 ,黃繼東 ,韓通新 .預(yù)測(cè)高速鐵路電磁輻射的一種有效方法 [J] .中國(guó)鐵道科學(xué) ,2000(2):88-94.

[5]EAGLEN, CHRIS. EMC issues in advanced signaling, transmission based train control systems [J]. IET Seminar Digest,2006, 114(92):11-59.

[6]DIXON, PHIL. Good EMC management gets trains in service on time [J]. Railway Gazette International,2000,156(4):229-230,232-233.

“V Model” Practice on Electromagnetic Compatibility of Railway Electrical System

ZHAO Qiang1, LI Tienan1, CUI Chengwei2

(1. CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd, ChangChun 130062, China; 2. Mathematics Institute of JiLin University, ChangChun 130012, China)

Through the study of electromagnetic compatibility (EMC) practical problems in the whole life cycle of railway system integration process, the EMC main influence factors in the process of railway electrical system integration are elaborated, and the effective control measures are proposed after detail analysis. The article has the guiding role for the system integrator and supplier to achieve high level international EMC standards.

railway; electrical system; electromagnetic compatibility; V Model

1673- 9590(2017)02- 0104- 04

2016-02-18

趙強(qiáng)(1976-),男，高級(jí)工程師, 碩士, 主要從事軌道車輛電氣技術(shù)方面的研究 E- mail:zhaoqiang.a@cccar.com.cn.

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