機(jī)車車輛和列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性標(biāo)準(zhǔn)制定歷史及若干問(wèn)題分析

陳 波

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司機(jī)車車輛研究所，北京 100081； 2.動(dòng)車組和機(jī)車牽引與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

軌道電路用于監(jiān)測(cè)某一固定區(qū)段內(nèi)的線路(包括站線)是否有列車運(yùn)行、調(diào)車作業(yè)或車輛占用的情況，并能顯示該區(qū)段內(nèi)的鋼軌是否完整，其作為信號(hào)聯(lián)鎖的室外重要設(shè)備，起著保證行車和調(diào)車作業(yè)安全的作用。在電氣化鐵路中，牽引供電系統(tǒng)也以鋼軌作為牽引回路，與軌道電路共用鋼軌作為傳輸通道。由于電力機(jī)車、動(dòng)車組的牽引回路中有著大量的非線性器件，牽引電流中會(huì)有相當(dāng)?shù)闹C波成分，如果諧波頻率落在軌道電路信號(hào)工作頻帶內(nèi)，將可能通過(guò)不平衡電流的方式對(duì)軌道電路設(shè)備造成電磁干擾[1-3]。

作為列車檢測(cè)系統(tǒng)的一種，軌道電路屬于行車安全設(shè)備，國(guó)內(nèi)外對(duì)軌道電路與機(jī)車車輛的電磁兼容性開(kāi)展了廣泛研究，并形成了一系列的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)提高信號(hào)系統(tǒng)對(duì)諧波電流的抗干擾程度，減少諧波干擾信號(hào)的影響有著十分重要的指導(dǎo)意義。這些標(biāo)準(zhǔn)的追溯關(guān)系如圖1所示，技術(shù)起草主要源于歐洲標(biāo)準(zhǔn)化組織，基于EN 50238:2003，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)制定了IEC 62427:2007，中國(guó)則等同采用制定了GB/T 28807-2012，但I(xiàn)EC并未對(duì)第2、3部分進(jìn)行制定，因此國(guó)標(biāo)修改采用了歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)技術(shù)規(guī)范(CLC/TS)。不考慮版本及年份，歐洲機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的中文名錄如表1所示。

圖1 機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)追溯關(guān)系

表1 歐洲機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

注：EN 50238的第2、3部分發(fā)布后，原EN 50238成為該系列的第1部分：總則。

本文通過(guò)介紹國(guó)外機(jī)車車輛和列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程，并對(duì)標(biāo)準(zhǔn)使用中的若干問(wèn)題進(jìn)行討論，為我國(guó)相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定提供參考。

1 歐洲相關(guān)研究及標(biāo)準(zhǔn)制定

歐洲關(guān)于信號(hào)系統(tǒng)電磁兼容性問(wèn)題的研究由來(lái)已久，如Holmstrom等研究了音頻軌道電路與直流傳動(dòng)列車的電磁兼容性，并由此發(fā)展出了城市軌道交通協(xié)會(huì)(UMTA)推薦方法及標(biāo)準(zhǔn)[4]，Costamagna等研究了軌道電路與四象限控制的交流傳動(dòng)列車的電磁兼容性[5-6]，F(xiàn)alvo等研究了變電站與編碼軌道電路的電磁兼容性[7]。

隨著歐洲一體化進(jìn)程的推進(jìn)，作為泛歐高速鐵路系統(tǒng)的重要組成部分，信號(hào)系統(tǒng)與其它子系統(tǒng)的兼容性尤為重要，歐盟委員會(huì)指令96/48/EC中明確提出：高速列車服務(wù)的前提是基礎(chǔ)設(shè)施與機(jī)車車輛兩者特性之間的良好兼容性，而性能水平、安全性、服務(wù)質(zhì)量和成本取決于該兼容性[8]。由于歷史原因，歐洲各國(guó)采用的鐵路供電和軌道電路的制式繁多，如常見(jiàn)的牽引供電制式就有5類，即：1)25 kV，50 Hz；2)15 kV，16.7 Hz；3)3 kV，DC；4)1 500 V，DC；5)750 V， DC。而CLC/TS 50238-2中針對(duì)不同軌道電路列出的限值分類就有16種，CLC/TR 50507中詳細(xì)列出了歐洲軌道電路技術(shù)參數(shù)。因此，歐洲軌道電路的兼容性問(wèn)題異常復(fù)雜，各國(guó)對(duì)此開(kāi)展了長(zhǎng)期的研究，并同時(shí)進(jìn)行了成果的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化，如表2所示。

1.1 ESCARV項(xiàng)目

ESCARV是在歐洲FP4框架方案(4thFramework Program)下，由歐盟委員會(huì)資助的研究項(xiàng)目，旨在解決新造鐵路車輛與現(xiàn)有供電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)和車輛的電氣兼容性，以滿足96/48/EC中關(guān)于鐵路互通性、可靠性和安全性的要求。有17家歐洲單位參與了ESCARV項(xiàng)目，包括鐵路制造企業(yè)、運(yùn)營(yíng)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)等，共同合作建立完整鐵路系統(tǒng)的建?？蚣?，以便在系統(tǒng)投入運(yùn)行前預(yù)測(cè)和避免互操作性問(wèn)題，并為新車提出一套設(shè)計(jì)建議，同時(shí)為新制定或更新的歐洲標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提供輸入文件[9-10]。

表2 歐洲鐵路電磁兼容性研究項(xiàng)目及對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貢獻(xiàn)

ESCARV項(xiàng)目的研究主要側(cè)重于理論方面，包括對(duì)鐵路系統(tǒng)及其部件(如變電站、線路和車輛)的建模，對(duì)干擾機(jī)制理解的加強(qiáng)、預(yù)測(cè)潛在問(wèn)題的工具、測(cè)量方法和車輛兼容性評(píng)估等。這將縮短車輛設(shè)計(jì)過(guò)程，同時(shí)確保更廣泛的兼容性，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量。

ESCARV對(duì)EN 50121和EN 50238等標(biāo)準(zhǔn)的形成和豐富起到了重要作用，以信號(hào)系統(tǒng)與車輛的電磁兼容性為例，需要從如下兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：

(1)有關(guān)鐵路基建設(shè)施的全面資料，以制訂適當(dāng)?shù)募嫒轀?zhǔn)則；

(2)以干擾限值、持續(xù)時(shí)間、分析方法為形式的車輛兼容性標(biāo)準(zhǔn)。

與CENELEC SC9XA和TC9X合作，在EN 50238中建立了證明兼容性的通用程序，以減小風(fēng)險(xiǎn)、費(fèi)用和項(xiàng)目延誤。

1.2 EMC-ARTS項(xiàng)目

EMC-ARTS是在歐洲FP5框架方案(5thFramework Program)下，由歐盟委員會(huì)資助的研究項(xiàng)目，旨在解決高級(jí)鐵路信號(hào)系統(tǒng)(ERTMS/ETCS)和車輛的兼容性問(wèn)題，以滿足96/48/EC規(guī)定的互操作性要求。有7家歐洲單位參與了EMC-ARTS項(xiàng)目，包括鐵路制造企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)等[11-12]，項(xiàng)目成果包括：

(1)可靠、高效和快速的測(cè)試方法和測(cè)量程序，用于評(píng)估ERTMS/ETCS信號(hào)裝置的敏感性和車體下方氣隙中機(jī)車車輛的電磁發(fā)射；

(2)與ERTMS/ETCS設(shè)備EMC有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)定量輸入材料，由信號(hào)和機(jī)車車輛制造商商定的；

(3)與ERTMS/ETCS設(shè)備EMC有關(guān)的針對(duì)信號(hào)和機(jī)車車輛制造商的定量設(shè)計(jì)指南。

EMC-ARTS的主要貢獻(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)為EN 50121。

1.3 RAILCOM項(xiàng)目

RAILCOM是在歐洲FP6框架方案(6thFramework Program)下，由歐盟委員會(huì)資助的研究項(xiàng)目，專注于車輛與基礎(chǔ)設(shè)施接口(特別是在泛歐鐵路網(wǎng))，為EMC問(wèn)題提供實(shí)用、協(xié)調(diào)一致的解決方案，從而促進(jìn)鐵路互操作性。有17家歐洲單位參與了RAILCOM項(xiàng)目，包括鐵路制造企業(yè)、運(yùn)營(yíng)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)等，項(xiàng)目目標(biāo)包括：

(1)協(xié)調(diào)泛歐鐵路網(wǎng)列車檢測(cè)系統(tǒng)的干擾限值；

(2)獲得通信系統(tǒng)鐵路電磁環(huán)境的表征，以及電磁發(fā)射與系統(tǒng)運(yùn)行條件的相關(guān)性；

(3)為CENELEC內(nèi)部正進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化工作提供建議。

項(xiàng)目研究重點(diǎn)關(guān)注列車檢測(cè)和通信系統(tǒng)的建模和測(cè)量，通過(guò)適當(dāng)?shù)臏y(cè)試活動(dòng)確定并驗(yàn)證了統(tǒng)一的計(jì)算方法。RAILCOM為協(xié)調(diào)列車探測(cè)系統(tǒng)干擾限值及其確定方法做出了巨大努力，克服了現(xiàn)有國(guó)家法規(guī)和實(shí)踐造成的障礙。建立了鐵路系統(tǒng)電磁兼容性與其運(yùn)行條件的相關(guān)性，以便能夠根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)預(yù)測(cè)電磁輻射，并評(píng)估對(duì)通信系統(tǒng)的干擾[13-14]。

值得一提的是，RAILCOM項(xiàng)目是在ESCARV和EMC-ARTS等項(xiàng)目的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其主要參與者在歐洲鐵路共同體中具有廣泛代表性，因此有利于項(xiàng)目成果作為EN 50121、EN 50238和相關(guān)TSI的輸入文件。

RAILCOM的子項(xiàng)目2(WP2)主要研究機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)的兼容性，與CLC/TS 50238-2和CLC/TR 50507等規(guī)范的形成和豐富密切相關(guān)[15]。用于評(píng)估機(jī)車車輛對(duì)軌道電路干擾的系統(tǒng)配置圖便出自該項(xiàng)目，如圖2所示。

說(shuō)明：冷通道——牽引單元和電源間經(jīng)軌道形成的回流通道；熱通道——電源與牽引單元之間牽引電流通道。圖2 用于評(píng)估干擾的系統(tǒng)配置

當(dāng)今兼容性測(cè)試最重要的成本驅(qū)動(dòng)因素是幾乎每個(gè)國(guó)家都重復(fù)測(cè)試，而非常理想的是互通性機(jī)車車輛僅需針對(duì)每種供電系統(tǒng)進(jìn)行一次測(cè)試，與軌道電路的兼容性測(cè)試亦是如此。當(dāng)然這需要足夠的測(cè)試環(huán)境，并不是每個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施都適合，主要是受供電回路的特性影響，而不僅是軌道電路本身[13]。為此，RAILCOM針對(duì)歐洲不同供電系統(tǒng)，選取代表性列車分別進(jìn)行了測(cè)試。

(1)瑞士：Re 460 (正常運(yùn)用城際列車)，15 kV 16.7 Hz；

(2)德國(guó)：ICE-S (RAILCOM測(cè)試列車)，15 kV 16.7 Hz；

(3) 法國(guó)：TGV DASYE (RAILCOM測(cè)試列車)，25 kV 50 Hz，1.5 kV DC；

(4)捷克/波蘭：CD 163 (正常運(yùn)用列車)，3 kV DC

測(cè)得的典型電壓諧振圖被作為資料性附錄列入了CLC/TS 50238-2中。

1.4 EUREMCO項(xiàng)目

EUREMCO是在歐洲FP7框架方案(7thFramework Program)下，由歐盟委員會(huì)資助的研究項(xiàng)目，總體目標(biāo)是通過(guò)協(xié)調(diào)和減少軌道車輛的電磁兼容性認(rèn)證過(guò)程來(lái)促進(jìn)可互操作的鐵路交通[16]。EUREMCO的主要概念是具體規(guī)定歐洲各地交叉接受認(rèn)證的條件，即針對(duì)相同的供電電壓，通過(guò)合理的科學(xué)方法確定“傳輸函數(shù)”，用于不同國(guó)家不同測(cè)試軌道取得的測(cè)試結(jié)果。有19家歐洲單位參與了EUREMCO項(xiàng)目，包括鐵路制造企業(yè)、運(yùn)營(yíng)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)等。

EUREMCO討論了軌道電路(安裝在鐵路軌道上)與鐵路車輛之間的兼容性，這兩個(gè)子系統(tǒng)間均已遇到電磁兼容問(wèn)題，其主要原因是：

(1)鐵路車輛發(fā)射的干擾電流過(guò)高；

(2)軌道電路對(duì)這種干擾電流的抗擾度太低。

這兩個(gè)原因同樣適用于瞬變過(guò)程，即非常短的高強(qiáng)度干擾電流。

因此，鐵路車輛和軌道電路分別需要有非常明確的發(fā)射和抗擾度限值，這種限值必須用相應(yīng)的評(píng)估方法來(lái)確定，而這種方法也必須得到適當(dāng)?shù)尿?yàn)證。

一旦在歐洲層面達(dá)成共識(shí)和限值標(biāo)準(zhǔn)，車輛在一個(gè)國(guó)家的授權(quán)結(jié)果就有可能在另一個(gè)國(guó)家使用。在采用相同供電系統(tǒng)的不同鐵路網(wǎng)絡(luò)間引入所謂的“傳輸函數(shù)”，將減少認(rèn)證的成本和時(shí)間，因?yàn)榭梢匀∠麑?duì)額外測(cè)試(往往是昂貴的)的需求。

此外，EUREMCO還取得了以下成果：

(1)確定了用于測(cè)試軌道電路應(yīng)對(duì)瞬態(tài)過(guò)程的一組測(cè)試信號(hào)；

(2)明確了瞬態(tài)過(guò)程評(píng)估的定義和規(guī)范；

(3)明確了車輛、電源和軌道電路瞬態(tài)特性參數(shù)的限值；

(4)明確了基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)車輛傳導(dǎo)發(fā)射的影響；

(5)獲得了同一供電系統(tǒng)內(nèi)的測(cè)試結(jié)果傳遞函數(shù)；

(6)非電氣化線路上對(duì)機(jī)車車輛不影響軌道電路工作的要求。

EUREMCO的研究進(jìn)一步完善了CLC/TS 50238-2的內(nèi)容，而TSI中相關(guān)開(kāi)口項(xiàng)也得以關(guān)閉，主要涉及CCS TSI引用的ERA/ERTMS/033281文件。EN 50617-X標(biāo)準(zhǔn)的形成也與EUREMCO項(xiàng)目有關(guān)，在標(biāo)準(zhǔn)中有明確的闡述。

1.5 TREND項(xiàng)目

TREND也是在歐洲FP7框架方案(7thFramework Program)下，由歐盟委員會(huì)資助的研究項(xiàng)目，有7家歐洲單位參與了EUREMCO項(xiàng)目，主要為研究機(jī)構(gòu)和政府部門[17]。

正如ERA在幾份報(bào)告中所指出的，機(jī)車車輛電磁發(fā)射和抗擾度是列車制造商和鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營(yíng)商最關(guān)心的問(wèn)題。遺憾的是，現(xiàn)有的協(xié)調(diào)EMC標(biāo)準(zhǔn)(EN 50121-2、EN 50121-3-1和EN 50121-3-2)并不能完全解決由機(jī)車車輛干擾最常見(jiàn)的信號(hào)系統(tǒng)(例如GSM-R和BTM)所引起的互操作性問(wèn)題。此外，這些標(biāo)準(zhǔn)并未包括機(jī)車車輛運(yùn)行中由瞬態(tài)過(guò)程所引發(fā)的典型最壞情況，通常由供電和軌道電路的不連續(xù)性產(chǎn)生。這在機(jī)車車輛和信號(hào)系統(tǒng)集成時(shí)，對(duì)列車制造商造成了嚴(yán)重的時(shí)間和資源浪費(fèi)。

在此背景下，TREND項(xiàng)目的目標(biāo)是通過(guò)設(shè)計(jì)測(cè)試裝置來(lái)解決這種問(wèn)題，該測(cè)試裝置能夠協(xié)調(diào)電磁兼容性(EMC)的認(rèn)可測(cè)試，不僅限于對(duì)廣播業(yè)務(wù)的干擾，也包括對(duì)鐵路信號(hào)系統(tǒng)的干擾。TREND對(duì)鐵路EMI對(duì)相鄰?fù)ㄐ藕托盘?hào)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了全面分析，包括測(cè)量、建模以及安全性和可用性分析等。主要分為4個(gè)研究領(lǐng)域：現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)系統(tǒng)(BTM)，DC軌道電路，GSM-R和廣播服務(wù)(包括電視，無(wú)線電，貨運(yùn)RFID，WIFI和GSM)，通過(guò)詳細(xì)研究每個(gè)系統(tǒng)的物理環(huán)境，可以對(duì)影響它們的EMI耦合模型進(jìn)行精確分析。

TREND項(xiàng)目提高了對(duì)鐵路車輛和鐵路環(huán)境(信號(hào)與通信系統(tǒng))電磁兼容問(wèn)題的理解，甚至具有一定超前性。同時(shí)，TREND在確定包含鐵路系統(tǒng)EMC認(rèn)證測(cè)試、環(huán)境條件和/或安全性和兼容性問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)方面做了大量工作，提出并分析了16種CENELEC歐洲標(biāo)準(zhǔn)：EN 50121-X，EN 50122-X，EN 50125-X，EN 50159，EN 50215，EN 50238-X和EN 50388。

1.6 小結(jié)

歐洲機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定與多個(gè)研究項(xiàng)目密切相關(guān)，其基本的演進(jìn)關(guān)系如圖3所示。部分項(xiàng)目與其他電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)，圖中未詳細(xì)畫(huà)出。以EN 50238為代表的歐洲機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性標(biāo)準(zhǔn)，其形成過(guò)程歷時(shí)約20年，目前的狀態(tài)是：EN 50238第1部分為prEN(即歐洲預(yù)備標(biāo)準(zhǔn))，第2部分和第3部分為PD CLC/TS(即發(fā)布的歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)技術(shù)規(guī)范)?？梢?jiàn)歐洲標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都有一定的研究和試驗(yàn)支撐，而每個(gè)研究項(xiàng)目都有一定的標(biāo)準(zhǔn)化訴求，這點(diǎn)對(duì)我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)化工作非常有借鑒意義。

圖3 歐洲研究項(xiàng)目與標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)關(guān)系

2 標(biāo)準(zhǔn)若干問(wèn)題分析

2.1 限值確定的基本原理

軌道電路的失效分為兩種情景：安全側(cè)失效(Right side failure， RSF)和危險(xiǎn)側(cè)失效(Wrong side failure， WSF)。其中，RSF指故障導(dǎo)向安全，WSF指故障導(dǎo)向危險(xiǎn)，結(jié)合軌道電路的運(yùn)行原理，分別指：

RSF—當(dāng)軌道沒(méi)有車輛但由于干擾而現(xiàn)實(shí)“占用”狀態(tài)；

WSF—當(dāng)軌道被車輛占用而由于干擾而顯示“軌道區(qū)段空閑”狀態(tài)。

機(jī)車車輛與軌道電路電磁兼容問(wèn)題包括兩個(gè)方面：一是機(jī)車車輛發(fā)射的干擾電流過(guò)大，二是軌道電路的抗擾度能力太低。因此，軌道電路干擾電流限值的確定需綜合考慮二者關(guān)系，并在其間留有一定安全裕量，如圖4所示。

圖4 軌道電路干擾電流限值的裕量

機(jī)車車輛的干擾電流限值應(yīng)根據(jù)軌道電路可承受電流限值確定，而軌道電路可承受限值應(yīng)根據(jù)預(yù)期的最惡劣失效條件(例如軌道電流不平衡、軌道或接續(xù)線的損壞)來(lái)確定。針對(duì)最常見(jiàn)故障原因的一組現(xiàn)實(shí)條件，需進(jìn)行WSF和RSF的分析，限值曲線采用二者限值分析結(jié)果的低值。根據(jù)目前的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般RSF限值略高于WSF限值。對(duì)于軌道電路的設(shè)計(jì)，其敏感度閾值應(yīng)高于軌道電路接收機(jī)所收到機(jī)車車輛發(fā)射雜散電平加上兼容性裕量，并考慮應(yīng)用案例中規(guī)定的其它因素。對(duì)于機(jī)車車輛干擾電流發(fā)射，如果軌道電路采用多種技術(shù)手段應(yīng)對(duì)WSF，并具備更高的安全完整性，則干擾通常僅引發(fā)RSF，裕量可縮小至10%～50%，取決于軌道電路的類型。

在一條特定線路上，針對(duì)某一種軌道電路和某一種列車，達(dá)到二者的電磁兼容性并不是非常困難，實(shí)際上這是各國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)商和制造商必須要開(kāi)展的工作。但是如上文所述，由于歷史原因，歐洲各國(guó)供電系統(tǒng)和軌道電路制式眾多，既有運(yùn)用列車種類也繁多，采用的傳動(dòng)技術(shù)也存在較大差異，如何梳理出各方都能接受的限值定義，工作量巨大。

2.2 歐洲相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系的完善

現(xiàn)行的機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性歐洲標(biāo)準(zhǔn)包括EN 50238系列和EN 50617系列兩個(gè)系列，均由CLC/SC 9XA的WG 4-2負(fù)責(zé)制定，具體如下。

(1)EN 50238系列

a)prEN 50238-1:2017 《軌道交通 機(jī)車車輛和列車檢測(cè)系統(tǒng)的兼容性 第1部分：總則》

b)PD CTC/TS 50238-2:2015 《軌道交通 機(jī)車車輛和列車檢測(cè)系統(tǒng)的兼容性 第2部分: 與軌道電路的兼容性》

c)PD CTC/TS 50238-3:2013 《軌道交通 機(jī)車車輛和列車檢測(cè)系統(tǒng)的兼容性 第3部分: 與計(jì)軸器的兼容性》

(2)EN 50617系列

a)EN 50617-1:2015 《軌道交通 泛歐洲鐵路系統(tǒng)互操作性列車檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù) 第1部分: 軌道電路》

b)EN 50617-2:2015 《軌道交通 泛歐洲鐵路系統(tǒng)互操作性列車檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù) 第2部分: 計(jì)軸器》

此外，還有一份歐洲電工標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)的技術(shù)報(bào)告CLC/TR 50507:2007 《軌道交通 歐洲鐵路現(xiàn)有軌道電路的干擾限值》作為參考。

EN 50238系列定義了一種過(guò)程，以確保在特定路線上運(yùn)行的特定機(jī)車車輛不會(huì)干擾安裝在該路線上的列車檢測(cè)系統(tǒng)，特別是軌道電路和計(jì)軸器，并以CLC/TS 50238-2和CLC/TS 50238-3這兩個(gè)技術(shù)規(guī)范作為支撐，規(guī)定了限值和相關(guān)測(cè)量方法。

為了滿足未來(lái)列車檢測(cè)系統(tǒng)和機(jī)車車輛之間兼容性的要求，并實(shí)現(xiàn)歐盟內(nèi)部的互操作性和自由通行，有必要定義一個(gè)“頻率管理(FrM)”，包括完整的接口要求。在鐵路互操作性指令的背景下，列車檢測(cè)系統(tǒng)(以軌道電路和計(jì)軸器為代表)作為CCS TSI子系統(tǒng)的組成部分，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)在CCS和LOC&PAS TSI中列舉，并在強(qiáng)制性規(guī)范(CCS TSI索引77)中進(jìn)行了規(guī)定，而CCS TSI索引77即為上文提及的ERA/ERTMS/033281?；赪G 4-2鐵路專家的理解，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，軌道電路和計(jì)軸器仍將是必不可少的兩種列車檢測(cè)系統(tǒng)，因此WG 4-2進(jìn)一步制定了EN 50617系列標(biāo)準(zhǔn)。

EN 50238系列主要側(cè)重于機(jī)車車輛測(cè)試的要求，而EN 50617系列主要側(cè)重于列車檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求。至此，歐洲機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性標(biāo)準(zhǔn)體系才基本完善，ERA/ERTMS/033281也終于在2018年的V4.0版更新中關(guān)閉了諸多重要“開(kāi)口項(xiàng)”(FrM要求)。

2.3 國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化問(wèn)題

IEC僅針對(duì)EN 50238:2003進(jìn)行了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化，發(fā)布了IEC 62427:2007，主要因?yàn)镋N 50238第1部分主要是機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性的原理介紹和認(rèn)證程序規(guī)定，比較容易達(dá)成一致。而第2、3部分則涉及限值、測(cè)試方法等細(xì)節(jié)內(nèi)容，僅歐洲內(nèi)部的差異性都很大，Petersen對(duì)此表述為“實(shí)現(xiàn)干擾限值(以及其它兼容性準(zhǔn)則)的標(biāo)準(zhǔn)化可能是一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)”[9]，目前EN 50238的第2、3部分也只是CLC/TS，尚未到標(biāo)準(zhǔn)層面，因此IEC未對(duì)該兩部分進(jìn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化。

因機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性涉及行車安全，中國(guó)國(guó)內(nèi)也及時(shí)等同采用IEC 62427:2007制定了GB/T 28807-2012標(biāo)準(zhǔn)，但關(guān)于具體的限值和測(cè)試方法的規(guī)定則遲遲未跟進(jìn)，直至2017年才發(fā)布了分別以DD CTC/TS 50238-2:2010和DD CTC/TS 50238-3:2010為基礎(chǔ)制定的GB/T 28807.2-2017和GB/T 28807.3-2017，目前看仍存在一些問(wèn)題，主要為：

(1)GB/T 28807對(duì)IEC 62427的翻譯錯(cuò)誤，例如第5.3.3.1.2條“附加電壓、電流或電磁場(chǎng)(幅度、頻率及持續(xù)時(shí)間)等可能激勵(lì)接收機(jī)或可能影響發(fā)送器的信號(hào)輸出，使發(fā)送器給出如‘軌道電路占用’的指示”的英文原文為“The parameters (amplitudes， frequencies and durations) of the additional voltages， currents or electro-magnetic fields which may de-energise the receiver， or may influence the output signal of the transmitter， such that a ‘track circuit occupied’ indication is given”， de-energise譯為“激勵(lì)”有誤，應(yīng)為“去激勵(lì)”。

(2)因此，GB/T 28807第2、3部分將處于草案狀態(tài)的DD CTC/TS 50238-2和DD CTC/TS 50238-3作為輸入文件過(guò)于草率，其國(guó)內(nèi)適用性需嚴(yán)肅考慮，建議應(yīng)作為指導(dǎo)性技術(shù)文件[18]。GB/T 28807.2刪除了CTC/TS 50238-2中與國(guó)內(nèi)無(wú)關(guān)的供電制式和軌道電路內(nèi)容，基于ZPW2000軌道電路技術(shù)上源自UM71的假定，直接采用了CTC/TS 50238-2中針對(duì)UM71的限值規(guī)定。實(shí)際上，ZPW2000雖然是在UM71基礎(chǔ)上研發(fā)，但是做了很多技術(shù)改進(jìn)，如ZPW2000新增了衰耗器、小軌道電路、專用數(shù)字電纜等[19-20]。因此，ZPW2000能否直接套用UM71的限值是值得商榷的。

此外，GB/T 28807.2中保留的附錄B典型的電壓諧振圖和附錄C基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均是在歐洲鐵路網(wǎng)測(cè)得，對(duì)中國(guó)鐵路網(wǎng)的參考價(jià)值有限。

因此，EN 50238 系列并不適用于所有國(guó)家，更不能直接應(yīng)用于我國(guó)工程實(shí)踐。

(3)尚未構(gòu)成完整的標(biāo)準(zhǔn)體系，如2.2所述，機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)的兼容性分為發(fā)射與抗擾度兩方面，而國(guó)內(nèi)軌道電路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要為TB/T 2852-2015軌道電路通用技術(shù)條件，缺乏像EN 50617之類的標(biāo)準(zhǔn)。

總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性的研究基礎(chǔ)不足，中國(guó)鐵路供電制式和采用的軌道電路型號(hào)遠(yuǎn)不如歐洲復(fù)雜，因此在運(yùn)行兼容性上具有先天優(yōu)勢(shì)，但是也應(yīng)借鑒歐洲相關(guān)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定經(jīng)驗(yàn)，從基本原理、模型仿真和試驗(yàn)測(cè)試等基礎(chǔ)工作入手，研究總結(jié)出真正適合中國(guó)的兼容性標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 國(guó)內(nèi)測(cè)試實(shí)例

依據(jù)DD CLC/TS 50238-2:2010，國(guó)內(nèi)以某型動(dòng)車組(以下稱為動(dòng)車組A)為對(duì)象，進(jìn)行了機(jī)車車輛與軌道電路兼容性的首次測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)框圖

在每組動(dòng)力單元回流點(diǎn)配置單獨(dú)的電流傳感器，通過(guò)信號(hào)線引入同一臺(tái)采集設(shè)備進(jìn)行疊加，因此不存在各牽引變壓器回流采樣不同步的問(wèn)題。利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行抗混疊濾波，同時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中動(dòng)車組網(wǎng)端功率、司機(jī)手柄級(jí)位、牽引變流器電氣參數(shù)等。

數(shù)據(jù)處理流程見(jiàn)圖6，包括：

(1)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(1 s內(nèi)的數(shù)據(jù))進(jìn)行1 s漢寧窗處理，相鄰數(shù)據(jù)的交疊率90%；

(2)進(jìn)行快速FFT變換；

(3)計(jì)算1 500～3 000 Hz頻率范圍內(nèi)每個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流幅值。

圖6 數(shù)據(jù)處理流程

因DD CLC/TS 50238-2:2010中無(wú)針對(duì)ZPW2000軌道電路的干擾電流限值，暫時(shí)采用針對(duì)UM71軌道電路的干擾電流限值規(guī)定，如表3所示。

表3 各典型頻率的諧波干擾電流限值

注：f0—軌道電路工作頻率或者移頻鍵控(FSK)條件下工作頻道的中心頻率；Δf—FSK帶寬；I0RMS—頻率為f0(或Δf范圍內(nèi))的干擾電流限值(均方根值)；T—干擾電流可能超出限值的最長(zhǎng)時(shí)間，由軌道電路接收器的響應(yīng)時(shí)間確定。

此外，對(duì)頻率1 500～3 000 Hz中但不在上述范圍內(nèi)的電流限值規(guī)定為3 A。

根據(jù)DD CLC/TS 50238-2:2010設(shè)置測(cè)試工況如下。

(1)靜置試驗(yàn)

a)動(dòng)車組處于靜置狀態(tài)，斷主斷、降弓，測(cè)試并記錄各牽引單元回流信號(hào)的基準(zhǔn)值。

b)動(dòng)車組處于靜置狀態(tài)，升弓、合主斷，僅輔助機(jī)組啟動(dòng)，測(cè)試記錄各牽引單元回流信號(hào)。

(2)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

a)網(wǎng)側(cè)電流最大工況

列車滿級(jí)牽引加速到200 km/h，司機(jī)操作開(kāi)、合主斷路器來(lái)模擬過(guò)分相(3 s)；再次加速到200 km/h，恒速運(yùn)行時(shí)間5 s；列車滿級(jí)牽引加速到200 km/h，制動(dòng)(EB、7N)停車。

b)半動(dòng)力工況

切除一半動(dòng)力，列車滿級(jí)牽引加速到200 km/h，司機(jī)操作開(kāi)、合主斷路器來(lái)模擬過(guò)分相(3 s)；再次加速到200 km/h，恒速運(yùn)行時(shí)間5 s；列車滿級(jí)牽引加速到200 km/h，制動(dòng)(EB、7N)停車。

c)運(yùn)營(yíng)工況

列車滿級(jí)牽引加速至300 km/h，司機(jī)操作開(kāi)、合主斷路器來(lái)模擬過(guò)分相(3 s)；再次加速到300 km/h，恒速運(yùn)行時(shí)間5 s；列車滿級(jí)牽引加速到200 km/h，制動(dòng)(EB、7N)停車。

d)最高速度工況

列車滿級(jí)牽引加速至350 km/h，司機(jī)操作開(kāi)、合主斷路器來(lái)模擬過(guò)分相(3 s)；再次加速到350 km/h，恒速運(yùn)行時(shí)間5 s；列車滿級(jí)牽引加速到200 km/h，制動(dòng)(EB、7N)停車。

e)被測(cè)車輛預(yù)期電流曲線中任意一點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的速度。

列車牽引(以P1-P10-P5-P10順序，每個(gè)級(jí)位持續(xù)3 s)運(yùn)行，從0 km/h加速到300 km/h后，以300 km/h恒速運(yùn)行5 s以上，制動(dòng)(以4N-7N-1N-EB順序)停車。

圖7 動(dòng)車組A滿牽引功率時(shí)回流諧波分析

動(dòng)車組A滿牽引功率運(yùn)行時(shí)，牽引回流在1 700，2 000，2 300，2 600 Hz附近的諧波分析結(jié)果如圖7所示，頻率1 500～3 000 Hz中但不在上述范圍內(nèi)的電流均方根值為0.86 A。

后續(xù)動(dòng)車組測(cè)試項(xiàng)目中，普遍進(jìn)行了與軌道電路的兼容性測(cè)試，但對(duì)數(shù)據(jù)分析和展示方法進(jìn)行改進(jìn)，可以同時(shí)對(duì)動(dòng)車組發(fā)射的干擾電流進(jìn)行時(shí)域和頻域分析。例如國(guó)內(nèi)另一型動(dòng)車組(以下稱為動(dòng)車組B)滿級(jí)牽引加速至最高速轉(zhuǎn)EB制動(dòng)停車全過(guò)程在軌道電路工作頻點(diǎn)附近的牽引回流諧波分布如圖8所示，頻率1 500～3 000 Hz范圍內(nèi)但不屬于軌道電路工作頻點(diǎn)的牽引回流諧波分布如圖9所示。

圖8 動(dòng)車組B滿牽引加速至最高速轉(zhuǎn)EB制動(dòng)停車全過(guò)程回流諧波分析(1)

圖9 動(dòng)車組B滿牽引加速至最高速轉(zhuǎn)EB制動(dòng)停車全過(guò)程回流諧波分析(2)

3 結(jié)語(yǔ)

本文從標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)的歷史角度，系統(tǒng)介紹了與機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性標(biāo)準(zhǔn)制定相關(guān)的歐洲研究項(xiàng)目(從FP4至FP7)，梳理了標(biāo)準(zhǔn)與研究項(xiàng)目的伴生關(guān)系，歐洲標(biāo)準(zhǔn)制定過(guò)程的嚴(yán)謹(jǐn)性值得學(xué)習(xí)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都有一定的研究和試驗(yàn)支撐，而每個(gè)研究項(xiàng)目都有一定的標(biāo)準(zhǔn)化訴求。

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)歷史的研究，增強(qiáng)了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)涵的理解，分析了干擾限值確定的基本原理。目前歐洲關(guān)于機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性的標(biāo)準(zhǔn)體系包括兩部分：EN 50238系列主要側(cè)重于機(jī)車車輛測(cè)試的要求，而EN 50617系列主要側(cè)重于列車檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)要求。基于目前該系列標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)，IEC僅針對(duì)EN 50238第1部分制定了IEC 62427標(biāo)準(zhǔn)，而中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性的研究基礎(chǔ)不足，導(dǎo)致國(guó)標(biāo)轉(zhuǎn)化并不完善，建議立足中國(guó)鐵路特點(diǎn)，開(kāi)展機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性理論研究，借鑒歐洲經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)系統(tǒng)的測(cè)試確定符合我國(guó)實(shí)際的干擾電流限值，完善我國(guó)機(jī)車車輛與列車檢測(cè)系統(tǒng)兼容性標(biāo)準(zhǔn)體系。