高速鐵路四電集成系統(tǒng)間電磁兼容風(fēng)險識別技術(shù)分析

常媛媛

0 引言

高速鐵路的四電集成工程是鐵路建設(shè)過程中施工建造的主體工程之一，其中牽引供電、電力和通信、信號專業(yè)之間的電磁兼容性是保證工程質(zhì)量的重要內(nèi)容。目前，隨著我國高速鐵路建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，設(shè)計速度達(dá)350 km/h甚至更高，設(shè)計牽引功率和牽引電流增大，同時通信設(shè)備及信號室內(nèi)、軌旁控制設(shè)備技術(shù)升級，主體采用電子器件或微電子器件為核心的主控單元，這些因素客觀上使高速鐵路強(qiáng)弱電系統(tǒng)間的電磁兼容性變得敏感復(fù)雜。筆者查閱了近幾年國際鐵路建設(shè)項目的招標(biāo)文件，其中電磁兼容性風(fēng)險管理為強(qiáng)制性實施工程內(nèi)容之一[1，2]。本文基于未來我國電氣化鐵路普及電磁兼容風(fēng)險管理實施的趨勢[3，4]，結(jié)合我國電氣化鐵路四電集成項目現(xiàn)狀，對四電集成系統(tǒng)接口間產(chǎn)生電磁兼容風(fēng)險的干擾源、干擾途徑及受擾對象進(jìn)行技術(shù)分析并進(jìn)行風(fēng)險識別，為我國電氣化鐵路電磁兼容風(fēng)險管理提供技術(shù)支撐。

1 高速鐵路四電系統(tǒng)集成電磁兼容風(fēng)險分析的必要性

1.1 高速鐵路電磁環(huán)境特點(diǎn)

高速鐵路與既有電氣化鐵路相比，電磁環(huán)境具 有以下新特點(diǎn)：

（1）牽引功率及電流增大帶來的問題。主要包括：牽引供電系統(tǒng)無線電磁輻射發(fā)射對軌道區(qū)域內(nèi)的弱電設(shè)備無線電干擾幾率增大；對信號電纜的磁感應(yīng)耦合增大；在貫通地線接地電阻較大的區(qū)域，引起軌旁信號設(shè)備因地阻抗耦合發(fā)生損毀故障的幾率增大。

（2）高速鐵路通信、信號系統(tǒng)技術(shù)升級，大量微電子器件廣泛應(yīng)用于微機(jī)、控制、調(diào)度指揮系統(tǒng)中，使其系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備對電磁干擾的敏感度提高；同時電磁干擾源復(fù)雜、多變，對系統(tǒng)外部電磁環(huán)境及系統(tǒng)內(nèi)電磁兼容協(xié)調(diào)性要求提高。

（3）動車組內(nèi)大電流、高電壓的車載電力電子器件產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾可能影響車內(nèi)安裝的弱電信號設(shè)備的穩(wěn)定性。

高速鐵路的電磁環(huán)境復(fù)雜，各種干擾源和受干擾設(shè)備同時存在，對在建及已開通的高速鐵路電磁環(huán)境及其影響的分析應(yīng)根據(jù)研究對象和目標(biāo)的特點(diǎn)采用不同方法和試驗手段，以確保防護(hù)措施的合理性和有效性。

1.2 高速鐵路電磁兼容風(fēng)險分析必要性

建立、完善系統(tǒng)化的電磁兼容風(fēng)險分析技術(shù)，目的是有效降低甚至消除高速鐵路強(qiáng)電和弱電系統(tǒng)間、系統(tǒng)內(nèi)部的電磁兼容風(fēng)險，達(dá)到行車全面電磁兼容性要求。

提前針對電磁兼容風(fēng)險進(jìn)行分析并采取合理有效的防護(hù)措施，可滿足鐵路建設(shè)以最合理投資得到最大化收益的原則需求。目前，鐵路行業(yè)對于電磁兼容問題的解決方式多為事后整改，在高速鐵路技術(shù)背景下，事后整改耗資較高、難度較大且不徹底，同時增加運(yùn)營管理部門的維護(hù)管理難度，效率較低。通過電磁兼容風(fēng)險分析技術(shù)，可以提前識別四電集成系統(tǒng)間電磁兼容風(fēng)險，有效指導(dǎo)設(shè)計階段的電磁兼容設(shè)計，是實現(xiàn)將電磁兼容問題、隱患解決在開通前的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，最大程度降低開通后因電磁兼容問題帶來的人、財、物消耗[5]。

2 四電集成接口間電磁兼容風(fēng)險分析技術(shù)

高速鐵路四電集成系統(tǒng)工程包括牽引供電系統(tǒng)工程、電力系統(tǒng)工程、通信系統(tǒng)工程和信號系統(tǒng)工程（四電工程）。四電工程接口間的電磁兼容風(fēng)險識別包括牽引供電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)之間的電磁兼容風(fēng)險分析與識別，牽引供電系統(tǒng)與通信、信號系統(tǒng)間的電磁兼容風(fēng)險分析與識別，電力系統(tǒng)與通信、信號系統(tǒng)間的電磁兼容風(fēng)險分析與識別，通信系統(tǒng)與信號系統(tǒng)之間的電磁兼容風(fēng)險分析與識別等。需要提出的一點(diǎn)是，電磁兼容風(fēng)險識別的重點(diǎn)在于識別強(qiáng)電系統(tǒng)對弱電系統(tǒng)可能造成電磁影響的干擾源識別的分析，同時兼顧弱電系統(tǒng)之間產(chǎn)生電磁影響的干擾源的識別分析，本文主要針對前者進(jìn)行分析。

2.1 牽引供電系統(tǒng)對電力系統(tǒng)

我國高速鐵路采用工頻單相交流供電制式，目前主要以AT供電方式為主，牽引供電電壓27.5 kV，機(jī)車運(yùn)行時網(wǎng)上牽引電流可達(dá)上千安，電力系統(tǒng)采用10 kV電力傳輸電纜，因此牽引供電系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的干擾源主要為牽引回流。當(dāng)電力電纜外屏蔽層雙端接地時，瞬間較大的牽引電流可能造成電纜燒損；在電纜屏蔽層接地接頭處，當(dāng)接地處理不當(dāng)時，可能造成接頭放電、黏連，甚至電纜燒損等情況。牽引供電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)間電磁影響風(fēng)險識別矩陣如表1所示。

表1 牽引供電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)間電磁兼容風(fēng)險識別矩陣

2.2 牽引供電系統(tǒng)對通信系統(tǒng)

牽引供電系統(tǒng)對通信系統(tǒng)的電磁干擾源主要包括：牽引網(wǎng)27.5 kV送電電壓、牽引電流及其高次諧波、無線電電磁輻射、雜散電流。干擾途徑包括：容性耦合、感性耦合、傳導(dǎo)、輻射等。受擾對象包括：通信室內(nèi)設(shè)備、線路線纜、車載設(shè)備等。

（1）靜電感應(yīng)電壓（電容性感應(yīng)電壓）。當(dāng)牽引網(wǎng)與通信線路平行架設(shè)，由于兩線路與大地間存在靜電電容，當(dāng)牽引網(wǎng)帶27.5 kV電壓時，便在通信線路中產(chǎn)生靜電感應(yīng)電壓。當(dāng)通信電纜雙端絕緣敷設(shè)或單端接地對端絕緣敷設(shè)時，通常在電纜絕緣端測得的電壓是由該容性感應(yīng)電壓引起[6]。

（2）牽引電流高次諧波的傳導(dǎo)干擾。由于電力機(jī)車為非線性負(fù)載，在整流換相和運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量高次諧波電流，諧波電流會在通過導(dǎo)線傳導(dǎo)到設(shè)備的端口處對設(shè)備產(chǎn)生影響，同時，對電話機(jī)和人耳直接產(chǎn)生影響。

（3）無線電輻射干擾。機(jī)車在運(yùn)行過程中，受電弓與接觸導(dǎo)線滑動接觸，受電弓離線產(chǎn)生的高頻電磁發(fā)射是電氣化鐵路主要的無線電干擾源。無線電波可能對通信設(shè)備造成同頻干擾或鄰頻干擾。

2.3 牽引供電系統(tǒng)對信號系統(tǒng)

牽引供電系統(tǒng)對信號系統(tǒng)的電磁干擾源主要包括：網(wǎng)上牽引電流、機(jī)車運(yùn)行時受電弓離線產(chǎn)生的無線電輻射、牽引回流、牽引回流入地的雜散電流等。電磁影響途徑包括：傳導(dǎo)、電感應(yīng)耦合、磁感應(yīng)耦合、輻射發(fā)射等。信號系統(tǒng)的受擾設(shè)備、模塊、單元包括：沿線敷設(shè)的信號（信息）傳輸電纜、沿線安裝的室外設(shè)備、室外設(shè)備接地線、軌道電路、進(jìn)出設(shè)備間的防雷模塊、軌道電路繼電器、機(jī)車內(nèi)部的計算機(jī)/控制/顯示設(shè)備等。干擾源與受擾對象風(fēng)險識別矩陣如表2所示。

（1）牽引回流對軌道電路的傳導(dǎo)干擾影響。牽引回流流過軌道電路的兩條鋼軌時，會有不平衡電流存在，不平衡電流會對軌道電路造成干擾。不平衡電流使流過扼流變壓器初級線圈的電流的磁通量不能完全抵消，在扼流變壓器次級線圈將產(chǎn)生一個感應(yīng)電動勢，其大小相當(dāng)于扼流變壓器一次側(cè)半個線圈中流有一個大小為兩條鋼軌電流差的電流在次級線圈中的感應(yīng)值，該差值使扼流變壓器升壓，電壓升到一定程度會使軌道繼電器誤動。同時，牽引回流也會通過信號電纜或其外屏蔽層回流，造成對信號電纜芯線的電磁干擾。

（2）靜電感應(yīng)耦合。當(dāng)信號軌旁設(shè)備或信號電纜與大地之間有電勢差存在時，27.5 kV高壓接觸導(dǎo)線與設(shè)備之間或電纜間將會存在電容耦合，電容耦合將使信號設(shè)備或電纜產(chǎn)生靜電感應(yīng)電動勢。

（3）電磁感應(yīng)耦合。接觸導(dǎo)線上持續(xù)流過交流電流將會在周圍空間產(chǎn)生磁場，使附近的信號軌旁設(shè)備的易感部位或與接觸導(dǎo)線平行敷設(shè)的信號電纜通過磁感應(yīng)耦合產(chǎn)生縱向感應(yīng)電動勢。

（4）輻射。任一載流導(dǎo)體周圍都將產(chǎn)生感應(yīng)電磁場并向外輻射一定強(qiáng)度的電磁波，處于電磁場中的任一導(dǎo)體則相當(dāng)于一段接收天線。導(dǎo)體的這種天線效應(yīng)是導(dǎo)致信號系統(tǒng)電子設(shè)備接收電磁輻射和相互產(chǎn)生電磁輻射干擾的根本原因。機(jī)車在運(yùn)行過程中受電弓與接觸網(wǎng)滑動接觸時產(chǎn)生的無線電磁發(fā)射及弓網(wǎng)離線電弧產(chǎn)生的瞬間強(qiáng)電磁脈沖也會通過輻射發(fā)射使信號設(shè)備受到電磁干擾。

（5）其他情況。當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生接觸導(dǎo)線與鋼軌短路或接觸導(dǎo)線與正饋線短路等情況，或當(dāng)機(jī)車發(fā)生受電弓絕緣閃絡(luò)、放電間隙擊穿等接地故障時，巨大的短路電流會對鋼軌造成瞬間不平衡電流的沖擊，造成扼流變壓器瞬間飽和，導(dǎo)致熔絲熔斷，從而使軌道繼電器誤動。機(jī)車受電弓過分相時的電磁暫態(tài)（電弧、電磁場的瞬變、鋼軌上牽引回流突變、合閘涌流）也是信號系統(tǒng)設(shè)備受到電磁干擾的原因之一。

牽引供電系統(tǒng)的電磁排放標(biāo)準(zhǔn)和限值應(yīng)根據(jù)相關(guān)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的要求和鐵路通信信號的抗擾度水平來確定，以保證達(dá)到鐵路運(yùn)行的整體電磁兼容安全的要求。

表2 牽引供電系統(tǒng)與信號系統(tǒng)間電磁兼容風(fēng)險識別矩陣

2.4 電力系統(tǒng)對通信信號系統(tǒng)

電力配電系統(tǒng)對通信信號系統(tǒng)的電磁影響主要體現(xiàn)在電力電纜和通信信號電纜平行接近敷設(shè)時，對通信信號電纜的靜電感應(yīng)干擾和磁感應(yīng)耦合干擾。10 kV電力電纜的高壓電可能會在通信信號電纜上產(chǎn)生靜電感應(yīng)電壓，靜電電壓的長期存在可能造成通信信號電纜老化甚至燒損。同時需加強(qiáng)10 kV電力傳輸電纜的安全設(shè)計，電力傳輸電纜的擊穿燒損可能造成通信信號電纜受波及燒損。應(yīng)通過分析設(shè)計圖紙，推算電纜縱向感應(yīng)電動勢最大值限值，得出其與電力電纜鋪設(shè)最小間距及最大平行鋪設(shè)距離；或采取強(qiáng)弱電電纜分槽敷設(shè)設(shè)計[7]。

另外，當(dāng)電壓諧波含量過高，有可能造成供電回路當(dāng)中某次諧波產(chǎn)生局部諧振，使電網(wǎng)電壓的波形畸變嚴(yán)重，從而影響接入的通信信號設(shè)備的正常運(yùn)行，同時對通信信號系統(tǒng)電源端口或電路造成射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)干擾影響。電力系統(tǒng)與通信信號系統(tǒng)間電磁影響風(fēng)險識別矩陣如表3所示。

表3 電力系統(tǒng)與通信信號系統(tǒng)間電磁兼容風(fēng)險識別矩陣

3 結(jié)語

高速鐵路四電集成系統(tǒng)間的電磁環(huán)境復(fù)雜多變，往往具有很大隨機(jī)性，使系統(tǒng)間的電磁兼容風(fēng)險分析也變得復(fù)雜，包括干擾源識別、干擾途徑、受擾對象的分析鎖定等，需要結(jié)合現(xiàn)場實際環(huán)境和干擾案例的分析進(jìn)行系統(tǒng)化風(fēng)險分析。通過大量具體案例的分析，同時結(jié)合電磁兼容理論分析，可以得出普遍性的主導(dǎo)規(guī)律，以指導(dǎo)高速鐵路電磁兼容問題的分析和解決，這需要科技工作者的持續(xù)努力。