南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司 溫素英 劉學(xué)全 姚平剛 蔡萬銀

軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)電磁干擾及耦合對(duì)設(shè)備可靠性的影響

南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司 溫素英 劉學(xué)全 姚平剛 蔡萬銀

隨著軌道機(jī)車運(yùn)行速度的提升，機(jī)車電氣系統(tǒng)構(gòu)架及技術(shù)的更新，與既有標(biāo)準(zhǔn)相比，機(jī)車上的電磁干擾在強(qiáng)度和形式上發(fā)生了一定的變化。為研究電氣系統(tǒng)電磁干擾及耦合對(duì)機(jī)車設(shè)備可靠性的影響，本文構(gòu)建了設(shè)備可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取了三種常見的電磁干擾源，在三種開關(guān)設(shè)備中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分析電磁干擾及耦合對(duì)設(shè)備可靠性的影響，期望能為電磁干擾的抑制提供參考。

電磁干擾；耦合設(shè)備；可靠性

前言

1 電磁干擾與耦合

電磁干擾指系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)的一些與有用信號(hào)無關(guān)的、并且對(duì)系統(tǒng)性能或信號(hào)傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。電磁干擾中的干擾源往往不是單一的，而是通過耦合的形式來對(duì)電子設(shè)備產(chǎn)生影響，它們通過交變電磁場(chǎng)、電路以及傳輸線路等方式耦合到被干擾的電子設(shè)備中。常見的各種電磁干擾根據(jù)耦合方式的不同可以分為以下兩種[1]：

(1)傳導(dǎo)耦合干擾。指電磁干擾產(chǎn)生的噪聲能量在電路中以電壓或電流的形式，通過金屬導(dǎo)線或電容器、電感器、變壓器等元件耦合到被干擾設(shè)備或電路中。

(2)輻射耦合干擾。電磁輻射耦合是指電磁干擾產(chǎn)生的噪聲能量以電磁場(chǎng)能量的形式，通過空間輻射進(jìn)行傳播，并耦合到被干擾設(shè)備或電路中。

2 電磁干擾源

隨著我國(guó)軌道機(jī)車相關(guān)研發(fā)能力的增強(qiáng)，軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)的智能化水平也越來越高，軌道機(jī)車電氣二次系統(tǒng)的可靠性要求也越來越高。在實(shí)際應(yīng)用中，電磁干擾主要是對(duì)開關(guān)設(shè)備的輔助設(shè)備以及控制設(shè)備等二次系統(tǒng)造成干擾，從而影響軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)的可靠性，通過對(duì)電子設(shè)備各部件的感染試驗(yàn)。結(jié)合軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)的運(yùn)行情況，挑選具有代表性的高斯型脈沖、三角形脈沖和雙指數(shù)型脈沖[2]這三種瞬態(tài)電磁波對(duì)軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)電磁干擾及耦合對(duì)設(shè)備可靠性進(jìn)行分析。本文研究仿真模型的具體參數(shù)如下：高度h=0.5m，長(zhǎng)度l=12m，終端負(fù)載阻抗Z=1.8kΩ，電纜與地面保持平行，由于電纜單端接地往往要比兩端接地受到的干擾要大，因此本文電纜引入方式選為兩端接地[3]。同時(shí)為了對(duì)不同瞬態(tài)電磁波進(jìn)行對(duì)比分析，本文對(duì)這三種瞬態(tài)電磁波選取同樣的入射幅度（10kV/m）、入射方式，電場(chǎng)極化與電纜長(zhǎng)度在方向上保持平行，電纜直徑與長(zhǎng)度一樣，分析時(shí)間一樣為40光米。

（1）高斯型脈沖的函數(shù)表達(dá)式為（時(shí)域波形從略）：

（1）

（2）三角形脈沖的函數(shù)表達(dá)式為（時(shí)域波形從略）：

“在雪夜曬月亮，我們都快凍成四根凌冰掛樹上了，你們兩位就披一件葛布的袍子，不冷嗎？烏有先生你還搖著你的紙扇子，會(huì)傷風(fēng)的??！”上官星雨說。

當(dāng)高斯型脈沖、三角形脈沖和雙指數(shù)型脈沖三種電磁波分別對(duì)電纜入射時(shí)，電纜端接收到的電磁耦合響應(yīng)分別如圖1-圖3所示的曲線。

圖1 高斯型脈沖

圖2 三角形脈沖

圖3 雙指數(shù)型脈沖

從上述三種曲線圖可以看出，在電纜端接負(fù)載上耦合的電流波形與入射的瞬態(tài)脈沖波形相似，同時(shí)端接負(fù)載上的耦合電流呈周期性。結(jié)合軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)電磁干擾的實(shí)際情況，可看出本文的數(shù)值模擬分析其吻合性較好，可據(jù)此分析電磁波對(duì)電子設(shè)備互聯(lián)電纜的電磁耦合影響，對(duì)抑制和減小電磁干擾有一定的指導(dǎo)作用。

3 設(shè)備可靠性評(píng)價(jià)

根據(jù)電子設(shè)備可靠性的概念，參考相關(guān)研究，本文根據(jù)科學(xué)性、實(shí)用性及可比性的原則對(duì)于軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)設(shè)備可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了構(gòu)建[4]。

本文根據(jù)軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)設(shè)備可靠性的評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則，結(jié)合軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)運(yùn)行過程中的實(shí)際情況，對(duì)常見故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，選取可靠度、瞬時(shí)失效率、平均壽命對(duì)電氣系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1 可靠度

指設(shè)備在規(guī)定的時(shí)間或操作次數(shù)及規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能或動(dòng)作的概率?？煽慷扔肦表示，R是時(shí)間t的函數(shù)，表示為R(t)。假設(shè)軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)中共有n臺(tái)電子設(shè)備，在規(guī)定時(shí)期t內(nèi)，有m臺(tái)設(shè)備沒有按照要求完成既定功能或動(dòng)作，那么軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)的可靠度可用下列公式表示：

3.2 瞬時(shí)失效率

指設(shè)備在時(shí)刻t處于可用狀態(tài)，在時(shí)刻(t，t+Δt)出現(xiàn)失效的條件概率與區(qū)間長(zhǎng)度Δt之比，即在時(shí)刻t以后的單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的概率，一般用λ(t)表示。假設(shè)n臺(tái)設(shè)備從t=0時(shí)刻開始依次施加干擾源一次，到t瞬間共施加了一定臺(tái)次，其中的失效數(shù)為m(t)，在時(shí)間到t+Δt時(shí)刻，施加的臺(tái)次設(shè)備增多，失效數(shù)為m(t+Δt)，則失效率λ(t)可近似用下式計(jì)算。

3.3 平均壽命

由于原材料批次性能的差別、生產(chǎn)批次的差異性、調(diào)試過程的差別、使用環(huán)境的不同等原因，電子設(shè)備即使采用相同的工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其壽命也是不穩(wěn)定的，可靠有效的使用時(shí)間各不相同。而平均壽命可對(duì)電子設(shè)備的整體情況進(jìn)行評(píng)估。壽命測(cè)試是一種破壞性試驗(yàn)，通過增加一定的應(yīng)力，直到電子設(shè)備失效為止。試驗(yàn)時(shí)一般采用抽樣的方式選取待測(cè)設(shè)備n個(gè)，施加電磁干擾進(jìn)行試驗(yàn)，記錄每個(gè)電子設(shè)備的失效時(shí)間，然后取平均值即可求得電子設(shè)備的平均壽命，平均壽命可用下列公式表示：

在上述三個(gè)指標(biāo)中，參考時(shí)間t與可靠度、瞬時(shí)失效率、平均壽命三個(gè)指標(biāo)息息相關(guān)，而試驗(yàn)過程中，時(shí)間t決定了實(shí)驗(yàn)次數(shù)，因此時(shí)間t也是試驗(yàn)次數(shù)的函數(shù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 數(shù)據(jù)計(jì)算

結(jié)合可靠度評(píng)價(jià)的指標(biāo)與試驗(yàn)情況，本文選取軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)中常用的開關(guān)柜、斷路器以及晶閘管進(jìn)行分析，確定各產(chǎn)品的可靠度評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，根據(jù)上述電磁干擾源的選取方法，收集軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)的可靠度、瞬時(shí)失效率、平均壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過計(jì)算分析，可得本文研究結(jié)果如下。

4.1.1 可靠度

根據(jù)前文可靠度計(jì)算方法，可得計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 可靠度數(shù)據(jù)分析

4.1.2 瞬時(shí)失效率

根據(jù)前文瞬時(shí)失效率計(jì)算方法，可得計(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 瞬時(shí)失效率數(shù)據(jù)分析

從表2可以看出，有些項(xiàng)目的瞬時(shí)失效率為0，這是由于本次試驗(yàn)選取的時(shí)間有限，而隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)際的瞬時(shí)失效率一定是大于零的。

4.1.3 平均壽命

通過施加干擾，測(cè)試設(shè)備在電磁干擾環(huán)境下的失效時(shí)間，從而求得設(shè)備的可靠性從理論上是可行的。但是，對(duì)于很多設(shè)備來說，其失效時(shí)間可能會(huì)很長(zhǎng)，因此進(jìn)行試驗(yàn)操作是非常困難的。同時(shí)，各個(gè)產(chǎn)品的壽命可能存在很大的差異性，因此平均壽命的測(cè)試必須要通過大樣本量進(jìn)行測(cè)試，這樣通過分布函數(shù)進(jìn)行計(jì)算才有意義，本文對(duì)此不進(jìn)行詳述。

4.2 因子分析

在文中的討論中，僅針對(duì)這三項(xiàng)干擾進(jìn)行所占權(quán)重分析，即忽略其他因子對(duì)設(shè)備可靠性的影響，假定這三種電磁干擾對(duì)設(shè)備的可靠性影響因數(shù)之和為1，按照前文所述方法進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可計(jì)算出不同干擾源對(duì)不同設(shè)備的影響程度。參考層次分析法(AHP)對(duì)各因子進(jìn)行分析，對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，從而判斷各指標(biāo)的嚴(yán)重性以及影響程度，這是一種將人的主觀判斷用數(shù)量形式表達(dá)和處理以求得出評(píng)價(jià)的指標(biāo)權(quán)重的方法[5]。首先構(gòu)造判斷矩陣，即依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，接著在同一類型的受試設(shè)備上分別對(duì)兩兩試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行比例標(biāo)度，最后確定各因子的權(quán)重，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 干擾項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

從表3可以看出，針對(duì)不同設(shè)備，當(dāng)施加不同的電磁干擾時(shí)，其影響程度是不一樣的，開關(guān)柜以及斷路器受雙指數(shù)型脈沖影響較大，而晶閘管受高斯型脈沖影響較大。因此，在軌交機(jī)車電氣系統(tǒng)的研發(fā)工作中，可以根據(jù)測(cè)試的結(jié)果，根據(jù)不同設(shè)備的特點(diǎn)開展有針對(duì)性的抗干擾工作。

5 結(jié)束語

通過上述的試驗(yàn)及分析方法，可判斷出各設(shè)備在施加不同應(yīng)力時(shí)其可靠性的影響程度，從而選擇對(duì)設(shè)備影響較大的應(yīng)力，有針對(duì)性的增加解決措施，在設(shè)計(jì)成本小幅度增加的同時(shí)最大程度地提高設(shè)備的可靠性。

另外，也可以通過估算設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中每年承受的電磁干擾頻次，建立數(shù)據(jù)庫對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)的可靠性趨勢(shì)，使得軌道機(jī)車電氣系統(tǒng)中設(shè)備的壽命預(yù)測(cè)更加精準(zhǔn)。

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溫素英（1980—），女，福建龍巖人，大學(xué)本科，現(xiàn)供職于南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，研究方向：可靠性及共性技術(shù)。