铁路电气系统电磁兼容性“V模型”应用实践

赵强,李铁男,崔城玮

(1.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062; 2.吉林大学 数学学院， 吉林 长春 130012)*

铁路电气系统电磁兼容性“V模型”应用实践

赵强1,李铁男1,崔城玮2

(1.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春 130062; 2.吉林大学 数学学院， 吉林 长春 130012)*

通过对铁路系统集成过程中全寿命周期电磁兼容性(EMC)实践问题的研究分析，详细阐述了铁路电气系统集成过程中EMC主要影响因素 ,提出了有效的控制措施，对旨在达到高水平国际EMC标准要求的系统集成商及供应商的系统开发具有实际的指导意义.

铁路；电气系统；电磁兼容；V模型

0 引言

电气系统在铁路环境中被广泛的采用, 其中包括牵引供电、信号控制系统、无线电通信系统、车载和基于地面无线电的设备、控制中心的计算机装置以及车辆和车站的乘客信息系统，无论是交流铁路采用独立接地回流供电系统还是直流铁路绝缘回流供电系统其高压相关子系统都会对低电压子系统产生电磁干扰，同时也会威胁到与其相关的其他电子设备的正常工作.为了提高电气化铁路的电磁兼容水平，在铁路电气系统全寿命周期设的设计、施工、检测、运行及维护阶段必须充分考虑接口处的电气系统集成EMC要素,进行详细的考虑尤为重要[1].

1 铁路电气系统集成

铁路是高度集成的高水准系统，在其电气系统构成中， 其组件中涵盖多种复杂相对于铁路系统而言的子系统，如供电系统、信号系统、车辆系统等[2].这些子系统运行中相互之间存在互动，这种复杂性为铁路项目带来了潜在的风险，特别是对于电磁兼容安全性角度而言，图1所示铁路系统构成各子系统间相互关系.

图1 铁路系统构成

1.1 全寿命周期“V"模型

电磁兼容问题产生的直接影响往往都是与安全相关的,因此,在铁路电气系统集成过程中必须严格按照EN50126中诠释的系统开发全寿命周期V模型要求进行规范性设计、分析及试验验证以保证电磁兼容危险因素得以控制，并不会产生最终的危害[3]. 系统集成商或供应商也应证明其在系统开发过程中遵守了EN50126中全寿命周期V模型具体工作要求.

1.2 系统集成构造法

为充分保证系统集成能够达到电磁兼容性，这就要求将整个系统应分解成若干个子系统，明确各个子系统之间的接口和互动且子系统的详细设计应充分保证相互间按照预定要求协同作业并满足系统的整体要求，进而提供保证证明.

1.3 系统集成关键步骤

根据铁路电磁系统的系统集成实践应用，保证系统集成的电磁兼容性，在系统集成过程中应遵照以下相关关键步骤并制定能够强化系统设计的基本要求.①将系统分解成子系统;②明确接口问题以及各个子系统间如何互动,充分详尽的做好子系统的配置以便于能够确定相互间能按照预期要求协调作业并满足系统整体要求; 确保各个子系统间的互动是适当的且可控的; 制定系统制造、安装、调试、投入运营、运行、维护、拆卸及处置方面的战略和标准;确认并验证这些要求在整个项目寿命周期内以及整个系统最终的寿命周期内均能得到满足.也就是说，需要提供保证.③保持系统的设计及相关战略能够随着项目的进展而及时地更新,反馈及经验教训.④保证和有效的集成可以通过V模型过程证明.

1.4 系统集成管理计划

电气集成管理计划作为项目执行的纲领性指导,该计划可以构成整体系统集成管理计划.电气系统集成管理计划应规定项目寿命周期战略以保证成功进行系统集成并能进行相关的证明以下专业及系统应包含在内：①牵引供电和电气化(铁路部门和公共供电)，包括高压供电、低压供电、据采集与监视控制系统(SCADA)系统、交直流电气化配电;②信号及通讯，包括传输系统、列车运行及控制、无线电系统;③铁道车辆，包括集电系统、牵引和列车控制、乘客通讯系统;④道岔及铁路走廊基础设施，包括行车轨道构成牵引和控制系统回路的组成部分、可能受到电气系统运行(正常和异常(故障条件))影响的纵向传导型基础设施部件和其它传导性基础设施容易受到杂散直流电流的影响.

1.5 风险及危害识别

在项目寿命周期内从可行性一直到最终的交付阶段积极主动地对危害进行安全管理是具有任何复杂程度的项目顺利交付的关键.需要鉴别的安全隐患可能需要兼顾设备可操作性和人的安全两方面.同时, 应鉴别出与系统集成相关联的危害并提交给项目危害日志或者记录.这些内容可以构成相关系统正式的RAMS(可靠性、可用性、可维护性和安全)分析过程的组成部分.

1.6 接口技术条件

对于已知的技术接口，应编制具体接口技术要求中,接口技术条件应明确所有可能受影响的系统.有必要将项目中已经甄别出的危害的责任规定出归属方(并接受)且设计师应缓解任何潜在的干扰.

2 铁路EMC设计方法

铁路为复杂的电磁环境且EMC属于重要的关注区域. 此外，与其他第三方系统之间的接口在EMC方面也需要给予考虑.各个系统之间的兼容性出现问题的，可能导致为运行方面出现的不可靠性付出代价.同时，会导致事故的发生，进而让乘客及人员的安全性大大折扣.铁路工业正努力减少危害鉴别过程和风险缓解过程中出现的类似事件的风险.EMC构成了这些过程的基本部分[4].

2.1 EMC法定要求

铁路所有电气或者电子设备、系统及装置的制造商、供应商和安装单位必须证明满足EMC法则的要求.铁路的每个相关组件都必须承载与EMC有关的CE标识以及根据法规要求提出的合规性声明.在铁路环境下证明满足EMC要求的常规路线就是通过技术结构文件.针对铁路应用EN50121的EMC产品标准并未在欧盟的官方公报中发布.因此，仅通过标准路线是无法用来证明满足EMC法则的要求[5].

2.2 EMC管理

为了确保满足EMC法则的要求，这就要求稳健的质量保证流程，包括EMC管理计划、EMC安装操作规则和EMC试验规程.电磁环境的特性是全面了解既定的铁路运营环境所必须的.同时，告知EMC管理计划、EMC安装操作规则和EMC试验规程.制定EMC管理计划并以EN50121、EN61000-5、EN61000-6和国家及国际铁路标准的要求为基础.EMC管理计划应规定项目战略，以确保满足EMC要求.它应明确质量保证流程，包括危害识别、要求的提交内容、职责和责任、EMC证书及试验规程[6].EMC安装操作规则的编制应以铁路网络要求、EMC设计方面的最佳惯例、安装及EN6 1000-5系列标准为基础进行.在设计靠近另一条铁路运行的铁路时，有必要参照两条铁路的标准及操作规则. 原因是，一条铁路的发射会冲击另一条铁路.EMC试验规程的编制应包含该项目EMC试验要求的综合技术条件.试验内容应包含各个仪器以及系统级的EMC测试.

2.3 EMC设计方法

铁路系统EMC设计方法是以法定要求为根本基准，通过采用滤波、接地、屏蔽、电缆类型分隔

及频率分割等措施，实现铁路项目整个系统间的电磁兼容性.

滤波主要用于控制传导干扰，采用滤波电路或滤波器将信号中特定波段频率信号(干扰信号)滤除的操作.

屏蔽是防止辐射干扰的主要措施，一般通过金属机柜封闭干扰易感设备予以提供屏蔽.在低频率中，磁场通常比电场拥有更大的担忧.在高频率中，电场和磁场必须予以考虑.

接地是最小化干扰的重要方法并且保证工作人员和设备的安全.为了最小化差模干扰，接地棒处测量的电阻将尽可能地低，并且不超过相关合同中指定的极限值.

电缆分隔的目的用于保护控制和仪表测量的铜电缆将适当定位并且提供屏蔽，从而最小化辐射发射和从电气系统感应的纵向电压.

对于铁路电气系统集成中电磁兼容问题，应针对不同系统不同特点进行全面的分析而后选择合理EMC设计方法以达到最佳的电气系统间的电磁兼容性.

3 EMC试验案例

根据近期对新铁路通信系统的个案研究，该通信系统将安装在欧洲直流地铁系统的车站，安装后的通信系统不得仅限于满足欧洲及国家EMC法规方面的法定要求.还要满足铁路运营方当地的要求.在本例中，铁路运营方已经精心制定了综合的EMC要求，而对于纵向和噪声加权的横向电压仅提供了正常运行条件下的要求.

3.1 纵向电压(VL)和噪声加权横向电压(VP)

纵向电压这一术语常用在通讯中.指的是共模电压.该电压沿着传输回路纵向产生.过量的VL可以对维护人员造成触电危害并可以影响到设备的可操作性.

横向电压这一术语指的是传输回路对之间发生的差模电压.过量的横向电压可以导致受影响的系统出现可靠性问题.

此外，声频带中的过量横向电压可以导致声频回路的性能降级.向横向电压数据中施加噪声加权会显示出该噪声电压可能对既定的信号造成的人的听力所能鉴别的降级程度.

3.2 测量方法

在新的通讯系统出于调试阶段的两个试验车站进行VL和VP的测量.测量工作在多处测试回路上进行.如表1所示.测试回路长度的最大变化值为-100m.尽管传统铁路VL测量工作通常在50Hz条件下进行，本案研究中的测量是在5 ～30MHz范围内进行的.频率范围扩大后，提供的是有价值的补充数据并可以把结果同EN61000-4-16[5]和EN50121-4相比较.

表1 测量回路汇总

在每个车站，测量设备与通讯设备间(CER)内的测试回路耦合.测量VL时，绞股对的2个端子或者同轴电缆的外侧和内侧连接在一起并固定到远端(现场设备)的就地接地端上.在近端(CER)，绞股对的2个端子或者同轴电缆的外侧和内侧连接在一起.届时，在组合线路与接地端之间测量VL.测量分析仪通过其230V电源接地.对于屏蔽绞股对的VP测量值，屏蔽层的两端仍需要保持不连接状态.绞股对的2个端子通过远端的600Q电阻性负载端接.对于同轴电缆，外侧和内侧通过远端的75Q电阻性负载端接.在近端，在绞股对的2个端子间或者同轴电缆的内层与外层之间测量VP.

3.3 结果

3.3.1 纵向电压(VL)

在本案研究过程中，在正常铁路运行条件下，铁路运营方的VL极限值在50Hz时，为25V(148dBμV). 表2表明，所测得的VL最大值低于该极限值.

表2 50 Hz时最大VL值

对于频率在150 Hz以内的VL极限值，所测得的数据与EN61000-4-16相比较.EN61000-4-16规定了15Hz～150kHz之间的极限值.EN61000-4-16定义了四个等级的极限值.每个等级对应于不同的环境.如果设备安装在CER内，选择2级是最合适的.原因是它提供的是“受保护的环境”. 在该环境中，设备直接与第低压电源和装置的接地系统连接.标准中提供的上述环境示例为专用的控制室或者终端室.2级极限值为3VRMS(130dBμV).

对于频率在150Hz～30MHz范围内的VL极限值，所测得的数据与EN50121-4相比较.对于设备I/O端的传导型射频抗扰度，EN50121-4规定了频率在150kHz～80MHz之间，电压为10V(140dBμV)时的电压极限值范围.

图2和图3给出了VL测量结果.对于所有测试回路，测得的电平值显著低于极限值.

图2 PHPVL(5 ～30 MHz)

图3 CCTV VL(5 ～30 MHz)

3.3.2 噪声加权横向电压(VP)

在本案研究中，在正常铁路运行条件下，铁路运营方规定的VP极限值为1mV(60dBμV)，均

方根(RMS)为5Hz～6kHz. 采用纵向电压(VL)测量计算同样原理,计算出的VP的RMS值明显低于该极限值.

表3 RMS VP5 ～6 kHz

4 结论

对与铁路环境中即将采用的电气系统成功集成相关的问题分析表明，电气系统集成属于复杂工作，要想取得成功，需要跨专业间的配合和鼎力领导和管理，所提交的案例研究阐述了V循环的实践应用情况.业主及设计要求是通过成功测试得到验证的.

[1]谭秀炳,刘向阳.交流电气化铁道牵引供电系统[M].成都:西南交通大学出版社,2002:185-191.

[2]于晓丹.机车牵引逆变器的电磁干扰研究[D].北京:北京交通大学, 2010:25-26.

[3]白如雪 .强电磁干扰对铁路信号的影响研究 [D].北京 :北京交通大学,2010.

[4]张晨 ,黄继东 ,韩通新 .预测高速铁路电磁辐射的一种有效方法 [J] .中国铁道科学 ,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

赵强(1976-),男，高级工程师, 硕士, 主要从事轨道车辆电气技术方面的研究 E- mail:zhaoqiang.a@cccar.com.cn.

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