城市轨道交通电磁环境智能管理系统的应用研究

王 斗

(北京城建设计发展集团股份有限公司长春分院，长春 130000)

1 轨道交通现状

当前，轨道交通已成为人们出行的主要工具。为满足人们出行质量和效率的高要求，大量整流、变频设备接连投运，致使电能质量急剧下降，由此造成的电磁环境更加复杂、恶劣，已经很难满足智慧城市的需求。

如果轨道交通电磁环境恶劣，就会导致车辆和站台电子设备误码误动作、元器件受损等状况，甚至会造成安全事故。因此，轨道交通的电磁环境问题已经成为人们关注的焦点。

城市轨道交通中的系统和设备中存在大量电磁干扰源，而城市轨道交通中的弱电系统和设备大都是敏感设备，电磁干扰传输耦合路径错综复杂[1]，导致了不少安全问题。比如，2018年3月华北某市地铁0.4KV环控变频器烧机；2017年华东某市地铁电容柜烧毁；2016年华北某市地铁主机频繁死机、重启和自动售检票AFC系统盲顿、迟延和失灵；2015年东北某市地铁UPS电源炸机等等。

2020年8月27日，中国铁路通信信号股份有限公司重大科技专项“轨道交通电磁环境效应研究与测试平台建设”项目启动会在北京顺利召开。项目指挥长、中国工程院院士刘尚合指出，轨道交通作为国家重大基础设施，目前所面临的电磁环境问题十分严峻，亟需开展攻关创新，迅速提升其适应性和安全性，从而保障我国轨道交通的安全稳定高质高效运行[2]。

2 电磁环境问题

电磁环境下的系统正常工作并对其他系统不产生超标电磁干扰的能力。即电磁环境中设备或系统与其他设备或系统间不产生相互影响的干扰。电磁兼容性(Electromagnetic Compatibility)简称EMC，是指系统在正常工作条件下不会对其他系统进行电磁干扰，而系统本身也不受外界电磁干扰的能力。所以习惯上说，EMC包含EMI(电磁干扰)和EMS(电磁敏感性)两个方面，即EMC=EMI+EMS。

设备或系统成为其他设备或系统的干扰源或者受到其他设备或系统的电磁波干扰后导致性能降低。即电子元器件受到电磁波的干扰，产生电磁干扰现象。比如，电视荧屏上常见的“雪花”；站台广播的啸叫；通电话过程中的电流声；主机死机重启；保护装置跳闸误动作；检测装置误数据等。

一般电磁干扰源主要有：发输变配电设备、电力牵引机车和城市轨道交通列车等。轨道交通干扰源分为列车系统、轨道系统、站台系统干扰源[3]，列车中电磁干扰源主要有牵引电机、断路器、逆变器、滤波电抗器，以及辅助系统等。轨道系统干扰源包括牵引网系统、信号系统的转辙机设备等[4]。站台系统干扰源包括供电、变电系统、配电系统及相关设备等。

3 电磁干扰分类

干扰源 、敏感装置和耦合路径是构成电磁兼容性的三要素。所以要想解决电磁兼容性问题，就要对干扰源 、敏感设备和耦合路径进行综合分析，根据分析结果采取有效措施解决电磁兼容问题。

3.1 轨道交通电磁干扰源分类

3.1.1 辐射性干扰源

车载无线移动电台或手持无线电台；无线发射基站的天线或泄漏同轴电缆；移动电话；变电所内真空断路器触动时的宽频无线噪波；电子设备内微处理器超高频数字电路；接触网正常负荷或短路电流所产生的磁场。

3.1.2 导电性干扰源

导电性干扰源主要来自电源线与非线性机电设备共用电源，数字式电路和信号输入端相连所产生的。主要分为以下五大类几类[5]。

a.谐波；b.脉冲群干扰；c.快速瞬态干扰；d.电压波动/中断：e.射频 (RF)电磁波

3.1.3 电感性干扰

当电缆与其他导体近距离并排敷设时，此导体内会因电缆内交变电流的作用而产生感应电压。

3.1.4 静电放电

静电放电 (ESD)是电子根据不同物体间的电位差由1个物体通过接触或者空气向另一物体转移的现象，此现象产生的电压脉冲会破坏集成电路、电子元件。

3.2 电磁干扰按传输途径分类

辐射和传导是电磁干扰主要传输途径。辐射发生形式分电场、磁场和电晕3种。电场强度与输电线相电压成线性关系。磁场强度则与电流成线性关系。当电场强度大于空气击穿强度时，会在高压输电线路上产生电晕放电现象。传导由电容传导、电阻传导和电感传导组成，由导体耦合产生，由干扰源和敏感设备间的公共阻抗传播。辐射由电磁波传播。由导线作为路径传导和辐射可相互转化。

4 干扰源分析

城市轨道交通系统的电磁干扰源主要由固定干扰源和流动干扰源组成，用于电磁环境评估。固定源包括站台供电、变电、配电系统及相关设备。流动源是指车辆在运行中，轨道车辆在运行中受电弓接触线间的摩擦和上下弹动会产生拉弧打火现象，以及车辆使用斩波式调压调速方式，因斩波器的快速离合动作形成的电磁辐射[6]。

4.1 流动源分析

在北京地铁1号线古城站距地铁列车30 m的位置测地铁列车运行时的电磁辐射，该线路的地铁采用第三轨受流，走行轨回流，直流供电，电压750 V。通过监测可知，列车运行时的电磁辐射频率范围为3.2 MHz～13.5MHz，其辐射的综合电场强度39.5 dB·V/m～52.45dB·V/m(0.000 09～0.000 42V/m)，远小于GB 8702-2014中的公众曝露控制限值的要求。

广州市轨道交通四号线采用线性电机牵引，隧道内及高架地段采用第三轨下部受流方式，直流供电，电压1 500 V。在蕉门地铁站往南直线距离约550 m，距离地铁列车轨道中心线30 m(1#)、60 m (2#)的位置，分别在没有列车经过和列车经过时监测频段为3 MHz～30 MHz的电磁辐射，可知列车经过时的电磁辐射主要集中在27.096 MHz频率上，在30 m处列车经过时27.096 MHz频率下的电场强度为0.009 9 V/m～0.012 5 V/m；在60 m处列车经过时27.096 MHz频率下的电场强度为0.019 8 V/m～0.032 3 V/m。根据《电磁环境控制限值》公众曝露控制限值，3 MHz～30 MHz频率范围的电场强度的控制限值为67/fl/2(V/m)．即27.096 MHz的电场强度的控制限值为12.87 V/m。监测结果表明，在30 m处和60 m处列车经过时的电场强度远小于《电磁环境控制限值》的公众曝露控制限值要求(f=27.096 MHz)[7]，地铁列车经过时产生的电场辐射对环境影响不大[8]。

通过类比分析北京地铁和广州四号线列车经过时的电磁辐射源强，但电场强度远小于《电磁环境控制限值》的公众曝露控制限值，地铁列车经过时产生的电场辐射对环境影响不大，所以该文重点分析固定源电磁干扰。

4.2 固定源分析

在轨道交通中，最主要的固定源电磁干扰就是站台供电、变电、配电系统及相关设备，而这些系统和设备又通过线缆直接传输，致使其成为电磁环境恶化的罪魁祸首，因此在智慧城市的时代背景下，积极稳妥、开拓创新地推进轨道交通电磁环境在线治理、智能管理就成为当务之急。

5 解决方案

目前轨道交通站台供电、变电、配电系统及相关设备在方案及实施阶段已采取了部分措施，结合目前国内多数地铁线路运行情况，轨道交通电磁干扰问题仅从电气设备本身着手是不够的，还需在现有方案基础上进行补充，从根源改善轨道交通电磁环境。

5.1 电磁干扰解决方案现状

地铁牵引整流机组是地铁产生谐波的主要来源，为减少牵引供电系统产生的谐波电流，牵引变电所采用两套带移相线圈的12脉波牵引整流机组并联运行，形成24脉波，最大限度地限制谐波的产生。

车站综合接地系统设计采用强电和弱电单独分开设置，接地电阻≤1 Ω，最大程度减少强电对弱电系统设备的干扰。

地铁中压环网电缆均具有屏蔽层，且品字形敷设，减少中压系统对其他设备的电磁干扰。

所有的控制电缆、通信电缆具有屏蔽层，长距离通信多采用光缆进行通信，提高保护装置及控制系统的抗干扰能力。

变电所低压开关柜每段母线设置有源滤波器，可有效滤除低压非线性设备产生的高次谐波[9]，减少谐波流向高压侧，减少对其他弱电设备的干扰。

低压配电双切箱采用4极ATS，消除低压零线电流通过不期望路径回流，降低低压配电系统对外部的电磁干扰。

严格把控地铁供电设备施工质量，消除配电箱内零线、地线接错等现象，导致地铁接地系统流过大量交流杂散电流，造成对弱电设备的干扰。

5.2 新型补充解决方案

针对既有轨道交通供配电系统所采用的诸多降低电磁干扰方案的不足，设置电磁环境智能管理系统是解决上述诸多问题的理想补充方案。

5.2.1 采用轨道交通电磁环境智能管理系统后实现的功能

①确保城市轨道交通供配电系统产生的电磁干扰不超过限定标准，以防造成对电磁环境比较敏感的电器电子设备产生不良影响。

②确保城市轨道交通供配电系统和电气设备具有一定的抗干扰能力，以保证其在电磁环境下不受干扰且正常工作。

③定义电磁兼容管理程序后，以量化和记录轨道交通供电、变电、配电系统和设备对现有的电磁环境的影响，并在发出预警时对电磁干扰进行智能全效治理以使其达到GB17625、GB14549限定标准。

④明确采取供电、变电、配电系统和设备电磁环境智能监测、预警和治理方案，以及管理包括整流器、变频器、开关电源、UPS、电梯、风机、空调、水泵、卷帘门、冷凝机组、PLC和LED设备等典型干扰源自身产生的电磁干扰和免受干扰。

5.2.2 轨道交通电磁环境智能管理系统处理流程

城市轨道交通电磁环境智能管理系统流程图，如图1所示。

图1 电磁环境智能管理系统流程图

5.2.3 分析及解决方法

综上所述分析，削弱干扰源、切断耦合途径和隔离敏感设备是决定电磁环境智能管理系统的关键环节，采取电磁干扰在线监测、实时预警和抑制消除等有效措施。

从干扰源角度，对于轨道交通这些固定干扰源供电、变电和配电设备来说，由于电气设备产品功能的需要，这些都是不能削弱的。所以必须确保电磁发射限值。

从敏感设备的角度，敏感设备可以是器件、设备和系统等，为实现功能，其都是必不可少的组成部分。所以对抗扰度限值的要求是保证系统正常工作的重要途径。

从耦合路径角度，切断耦合途径是电磁环境管理方法中成本最低，效果最好的方式。因此，如图1所示，应在最靠近电磁干扰源处就地加装电磁净化仪，完全吸收、过滤、净化和消除掉电磁干扰，从而彻底切断耦合途经，再结合轨道交通的电气系统特点来监测、预警和抑制最终智能消除电磁干扰。

5.2.4 实际工程中消除电磁干扰设备选择

5.2.4.1 设备的适用范围

能净化100 HZ～100 MHZ带宽内各种能量的高频噪声、谐波、间隙波、脉冲尖峰、雷电电涌和静电等电磁干扰，将电磁干扰消除在发生源，从而最大程度净化电磁环境，保护精密仪器、计算主机、PLC、传感器和无线通讯等敏感设备，从而保障系统安全、稳定、持续、可靠和高效地运行。

根据上述工程情况和设备的参数要求，选择了电磁净化仪作为消除电磁干扰设备，该设备有如下特点。

(1)采用超微晶体合金材料与创新科技的特征电路；

(2)采用先进的IGBT逆变单元、驱动单元和全FPGA高速处理器；

(3)既能主动补偿又能被动补偿，满足指令运算、补偿电流和全模吸收三个子系统结构；

(4)瞬态响应时间﹤50μs，反应超快，精度极高；

(5)能净化100 HZ～100 MHZ频率各种能量的电磁干扰，消除高频噪声、谐波、脉冲尖峰、电涌和静电等干扰；

(6)随时跟踪电磁波形，主动或被动补偿干扰波，将电磁干扰消除在源头；

(7)消除电子电气设备的故障或误操作，保障系统和设备的安全稳定运行；

5.2.4.2 工程实际案例，以石家庄地铁1号线二期为例

根据研究首先要从最有效最经济的切除耦合途体径出发，在最靠近电磁干扰源的环控柜变频器处就地加装电磁净化仪，以实现完全吸收、过滤、净化和消除掉谐波等电磁干扰的目的，从而使电磁干扰谐波回落到规范要求范围内，再通过每个点位谐波净化仪在线实时数据和接口组网从而完成电磁环境智能管理系统的统一预警、治理和监测功能。

石家庄地铁一号线二期II段400Ⅴ环控室BBG1柜变频器采用电磁净化仪前后电磁谐波电流值如图2所示，通过计算比对GB17625标准，电磁干扰各项参数均已回落至标准范围内，在线治理实时监测取得成功。

图2 采用电磁净化仪前后电磁谐波电流值

5.2.5 物联网关的应用

物联网关实际采用工业级嵌入式软硬件平台，集中实现区域内各个点位电磁净化仪数据的采集、协议转换、存储和通过移动互联网实现现场信息的无线上传，具备参数的远程配置及软件的远程升级能力，广泛适用于数量及种类不多的小型项目。

5.2.6 简便的安全认证措施

采用电子身份标签通过与电磁净化仪绑定，云端赋予电磁净化仪唯一身份标识，结合电磁净化仪地理位置信息，采用NFC技术，由云计算对运行及状态数据进行分析处理，让用户通过手机即可轻松实现电磁净化仪的智能巡检与云端管理。电子身份证标签可直接粘贴于电磁净化仪表面，坚固牢靠[10]。

5.2.7 电磁环境智能管理系统采用后的应用情况

5.2.7.1 系统功能及效果

(1)在线监测

在线监测电磁干扰源的电磁参数、运行参数、安全状态及环境数据，实时进行大数据的诊断分析及趋势预估。

(2)实时预警

通过设置电磁预警限值进行实时越限预警、故障报警，随时随地掌握设备安全运行状况,提前预知电磁干扰超限隐患。

(3)抑制消除

电磁干扰超限实时由电磁净化仪进行主动和被动补偿，实现电磁环境的全效净化。

(4)电能管理

基于能效大数据，周期提供用电量、负荷变化和三相不平衡等相关用电信息分析报告；动态分析项目整体及重点用电回路和用能设备的能效情况，便于采取节能措施。

(5)负荷检测

基于实时采集的供配电系统负荷数据，通过对负荷数据的云端存储、分析与处理，提供周期性实时/历史变化曲线和峰谷负荷参数展示，从而实现负荷数据的融合分析评估报告。

(6)智能运维

基于实时状态监测与网络视频监控，实现电磁环境的无人值守；实现电磁档案的云端化存储及查询管理、智能巡检、故障检修、隐患报修、派工，以及统计设备投运时间，提前预知设备维保计划及使用寿命终结，实现设备全生命周期的运维管理[11]，如图3所示。

图3 智能运维系统数据管理界面

5.2.7.2 网络结构

(1)每个典型电磁干扰源配置1台电磁净化仪，即可实现该点位电量、磁量和状态量的综合监测与云平台上传；同时配置1张电子身份标识，结合手机App，即可实现该点位智能化与管理云端化。

(2)电子身份标签通过智能巡检终端或手机扫码实现与云平台的对接。

(3)系统配置如图4所示。

图4 系统配置图

6 结语

轨道交通电磁环境智能管理系统因采用物联网、云计算和大数据分析等现代信息技术，对各个敏感点位电磁环境进行智能管理。在通过以石家庄地铁1号线二期为例应用情况可以看出，在既全面记录各点位电磁环境数据，同时又可实时监测预警其运行状态、第一时间抑制消除电磁干扰，并协助各点位管理人员制定科学的管理方案，净化电磁环境，降低运行事故，从而提高管理效率。实践证明，轨道交通电磁环境智能管理系统在实时治理电磁干扰、预警监测和智能管理等实际应用上能够更快更好更有效地发挥效用，为净化轨道交通电磁环境，提高轨道交通运行安全性稳定性可靠性开创了全新模式。