轨道机车电气系统电磁干扰及耦合对设备可靠性的影响

南车株洲电力机车研究所有限公司 温素英 刘学全 姚平刚 蔡万银

轨道机车电气系统电磁干扰及耦合对设备可靠性的影响

南车株洲电力机车研究所有限公司 温素英 刘学全 姚平刚 蔡万银

随着轨道机车运行速度的提升，机车电气系统构架及技术的更新，与既有标准相比，机车上的电磁干扰在强度和形式上发生了一定的变化。为研究电气系统电磁干扰及耦合对机车设备可靠性的影响，本文构建了设备可靠性的评价指标，选取了三种常见的电磁干扰源，在三种开关设备中进行了实验，分析电磁干扰及耦合对设备可靠性的影响，期望能为电磁干扰的抑制提供参考。

电磁干扰；耦合设备；可靠性

前言

1 电磁干扰与耦合

电磁干扰指系统在工作过程中出现的一些与有用信号无关的、并且对系统性能或信号传输有害的电气变化现象。电磁干扰中的干扰源往往不是单一的，而是通过耦合的形式来对电子设备产生影响，它们通过交变电磁场、电路以及传输线路等方式耦合到被干扰的电子设备中。常见的各种电磁干扰根据耦合方式的不同可以分为以下两种[1]：

(1)传导耦合干扰。指电磁干扰产生的噪声能量在电路中以电压或电流的形式，通过金属导线或电容器、电感器、变压器等元件耦合到被干扰设备或电路中。

(2)辐射耦合干扰。电磁辐射耦合是指电磁干扰产生的噪声能量以电磁场能量的形式，通过空间辐射进行传播，并耦合到被干扰设备或电路中。

2 电磁干扰源

随着我国轨道机车相关研发能力的增强，轨道机车电气系统的智能化水平也越来越高，轨道机车电气二次系统的可靠性要求也越来越高。在实际应用中，电磁干扰主要是对开关设备的辅助设备以及控制设备等二次系统造成干扰，从而影响轨道机车电气系统的可靠性，通过对电子设备各部件的感染试验。结合轨道机车电气系统的运行情况，挑选具有代表性的高斯型脉冲、三角形脉冲和双指数型脉冲[2]这三种瞬态电磁波对轨道机车电气系统电磁干扰及耦合对设备可靠性进行分析。本文研究仿真模型的具体参数如下：高度h=0.5m，长度l=12m，终端负载阻抗Z=1.8kΩ，电缆与地面保持平行，由于电缆单端接地往往要比两端接地受到的干扰要大，因此本文电缆引入方式选为两端接地[3]。同时为了对不同瞬态电磁波进行对比分析，本文对这三种瞬态电磁波选取同样的入射幅度（10kV/m）、入射方式，电场极化与电缆长度在方向上保持平行，电缆直径与长度一样，分析时间一样为40光米。

（1）高斯型脉冲的函数表达式为（时域波形从略）：

（1）

（2）三角形脉冲的函数表达式为（时域波形从略）：

“在雪夜晒月亮，我们都快冻成四根凌冰挂树上了，你们两位就披一件葛布的袍子，不冷吗？乌有先生你还摇着你的纸扇子，会伤风的啊！”上官星雨说。

当高斯型脉冲、三角形脉冲和双指数型脉冲三种电磁波分别对电缆入射时，电缆端接收到的电磁耦合响应分别如图1-图3所示的曲线。

图1 高斯型脉冲

图2 三角形脉冲

图3 双指数型脉冲

从上述三种曲线图可以看出，在电缆端接负载上耦合的电流波形与入射的瞬态脉冲波形相似，同时端接负载上的耦合电流呈周期性。结合轨道机车电气系统电磁干扰的实际情况，可看出本文的数值模拟分析其吻合性较好，可据此分析电磁波对电子设备互联电缆的电磁耦合影响，对抑制和减小电磁干扰有一定的指导作用。

3 设备可靠性评价

根据电子设备可靠性的概念，参考相关研究，本文根据科学性、实用性及可比性的原则对于轨道机车电气系统设备可靠性的评价指标进行了构建[4]。

本文根据轨道机车电气系统设备可靠性的评价指标选取原则，结合轨道机车电气系统运行过程中的实际情况，对常见故障进行统计，选取可靠度、瞬时失效率、平均寿命对电气系统的可靠性进行评价。

3.1 可靠度

指设备在规定的时间或操作次数及规定的条件下完成规定功能或动作的概率。可靠度用R表示，R是时间t的函数，表示为R(t)。假设轨道机车电气系统中共有n台电子设备，在规定时期t内，有m台设备没有按照要求完成既定功能或动作，那么轨道机车电气系统的可靠度可用下列公式表示：

3.2 瞬时失效率

指设备在时刻t处于可用状态，在时刻(t，t+Δt)出现失效的条件概率与区间长度Δt之比，即在时刻t以后的单位时间内发生失效的概率，一般用λ(t)表示。假设n台设备从t=0时刻开始依次施加干扰源一次，到t瞬间共施加了一定台次，其中的失效数为m(t)，在时间到t+Δt时刻，施加的台次设备增多，失效数为m(t+Δt)，则失效率λ(t)可近似用下式计算。

3.3 平均寿命

由于原材料批次性能的差别、生产批次的差异性、调试过程的差别、使用环境的不同等原因，电子设备即使采用相同的工作原理及结构设计，其寿命也是不稳定的，可靠有效的使用时间各不相同。而平均寿命可对电子设备的整体情况进行评估。寿命测试是一种破坏性试验，通过增加一定的应力，直到电子设备失效为止。试验时一般采用抽样的方式选取待测设备n个，施加电磁干扰进行试验，记录每个电子设备的失效时间，然后取平均值即可求得电子设备的平均寿命，平均寿命可用下列公式表示：

在上述三个指标中，参考时间t与可靠度、瞬时失效率、平均寿命三个指标息息相关，而试验过程中，时间t决定了实验次数，因此时间t也是试验次数的函数。

4 试验结果分析

4.1 数据计算

结合可靠度评价的指标与试验情况，本文选取轨道机车电气系统中常用的开关柜、断路器以及晶闸管进行分析，确定各产品的可靠度评价指标数据，根据上述电磁干扰源的选取方法，收集轨道机车电气系统的可靠度、瞬时失效率、平均寿命试验数据，通过计算分析，可得本文研究结果如下。

4.1.1 可靠度

根据前文可靠度计算方法，可得计算数据如表1所示。

表1 可靠度数据分析

4.1.2 瞬时失效率

根据前文瞬时失效率计算方法，可得计算数据如表2所示。

表2 瞬时失效率数据分析

从表2可以看出，有些项目的瞬时失效率为0，这是由于本次试验选取的时间有限，而随着试验时间的延长，实际的瞬时失效率一定是大于零的。

4.1.3 平均寿命

通过施加干扰，测试设备在电磁干扰环境下的失效时间，从而求得设备的可靠性从理论上是可行的。但是，对于很多设备来说，其失效时间可能会很长，因此进行试验操作是非常困难的。同时，各个产品的寿命可能存在很大的差异性，因此平均寿命的测试必须要通过大样本量进行测试，这样通过分布函数进行计算才有意义，本文对此不进行详述。

4.2 因子分析

在文中的讨论中，仅针对这三项干扰进行所占权重分析，即忽略其他因子对设备可靠性的影响，假定这三种电磁干扰对设备的可靠性影响因数之和为1，按照前文所述方法进行数据统计，并进行数据分析，可计算出不同干扰源对不同设备的影响程度。参考层次分析法(AHP)对各因子进行分析，对各评价指标进行两两比较，从而判断各指标的严重性以及影响程度，这是一种将人的主观判断用数量形式表达和处理以求得出评价的指标权重的方法[5]。首先构造判断矩阵，即依据试验数据的统计，接着在同一类型的受试设备上分别对两两试验项目进行比例标度，最后确定各因子的权重，计算结果如表3所示。

表3 干扰项目评价指标权重

从表3可以看出，针对不同设备，当施加不同的电磁干扰时，其影响程度是不一样的，开关柜以及断路器受双指数型脉冲影响较大，而晶闸管受高斯型脉冲影响较大。因此，在轨交机车电气系统的研发工作中，可以根据测试的结果，根据不同设备的特点开展有针对性的抗干扰工作。

5 结束语

通过上述的试验及分析方法，可判断出各设备在施加不同应力时其可靠性的影响程度，从而选择对设备影响较大的应力，有针对性的增加解决措施，在设计成本小幅度增加的同时最大程度地提高设备的可靠性。

另外，也可以通过估算设备在现场应用中每年承受的电磁干扰频次，建立数据库对历史数据进行分析，得出轨道机车电气系统的可靠性趋势，使得轨道机车电气系统中设备的寿命预测更加精准。

[1]马世骁,林莘,王钰等.高压断路器寿命可靠性判断法[J].辽宁工程技术大学学报2006,25(11):170-172.

[2]IEC 61000-4-12:1995.Electromagnetic compatibilitytesting and measurement techniques-oscillatory waves immunity test[S].

[3]王园.互连电缆的电磁兼容性分析[J].电子科技大学学报,1996,25(6):599-605.

[4]Tzeremes G,Kirawanich P,Christodoulou C,et al.Transmission lines as radiating antenna in sources aperture interactions in electromagnetic topology simulations[J].IEEE Antennas andwireless propagation letters,2004,3:283-286

[5]李晓箭,康锐,戴飞,等.一种基于可靠性数学的电磁兼容性分析方法研究[J].遥测遥控,2010(1):65-70.

[6]陆俭国.国内外低压电器可靠性概况及其发展前景[J].河北工业大学学报,2009,38(1):1-5.

温素英（1980—），女，福建龙岩人，大学本科，现供职于南车株洲电力机车研究所有限公司，研究方向：可靠性及共性技术。