趙強,李鐵男,崔城瑋

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062; 2.吉林大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院， 吉林 長春 130012)*

鐵路電氣系統(tǒng)電磁兼容性“V模型”應(yīng)用實踐

趙強1,李鐵男1,崔城瑋2

(1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062; 2.吉林大學(xué) 數(shù)學(xué)學(xué)院， 吉林 長春 130012)*

通過對鐵路系統(tǒng)集成過程中全壽命周期電磁兼容性(EMC)實踐問題的研究分析，詳細闡述了鐵路電氣系統(tǒng)集成過程中EMC主要影響因素 ,提出了有效的控制措施，對旨在達到高水平國際EMC標(biāo)準要求的系統(tǒng)集成商及供應(yīng)商的系統(tǒng)開發(fā)具有實際的指導(dǎo)意義.

鐵路；電氣系統(tǒng)；電磁兼容；V模型

0 引言

電氣系統(tǒng)在鐵路環(huán)境中被廣泛的采用, 其中包括牽引供電、信號控制系統(tǒng)、無線電通信系統(tǒng)、車載和基于地面無線電的設(shè)備、控制中心的計算機裝置以及車輛和車站的乘客信息系統(tǒng)，無論是交流鐵路采用獨立接地回流供電系統(tǒng)還是直流鐵路絕緣回流供電系統(tǒng)其高壓相關(guān)子系統(tǒng)都會對低電壓子系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，同時也會威脅到與其相關(guān)的其他電子設(shè)備的正常工作.為了提高電氣化鐵路的電磁兼容水平，在鐵路電氣系統(tǒng)全壽命周期設(shè)的設(shè)計、施工、檢測、運行及維護階段必須充分考慮接口處的電氣系統(tǒng)集成EMC要素,進行詳細的考慮尤為重要[1].

1 鐵路電氣系統(tǒng)集成

鐵路是高度集成的高水準系統(tǒng)，在其電氣系統(tǒng)構(gòu)成中， 其組件中涵蓋多種復(fù)雜相對于鐵路系統(tǒng)而言的子系統(tǒng)，如供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)等[2].這些子系統(tǒng)運行中相互之間存在互動，這種復(fù)雜性為鐵路項目帶來了潛在的風(fēng)險，特別是對于電磁兼容安全性角度而言，圖1所示鐵路系統(tǒng)構(gòu)成各子系統(tǒng)間相互關(guān)系.

圖1 鐵路系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 全壽命周期“V"模型

電磁兼容問題產(chǎn)生的直接影響往往都是與安全相關(guān)的,因此,在鐵路電氣系統(tǒng)集成過程中必須嚴格按照EN50126中詮釋的系統(tǒng)開發(fā)全壽命周期V模型要求進行規(guī)范性設(shè)計、分析及試驗驗證以保證電磁兼容危險因素得以控制，并不會產(chǎn)生最終的危害[3]. 系統(tǒng)集成商或供應(yīng)商也應(yīng)證明其在系統(tǒng)開發(fā)過程中遵守了EN50126中全壽命周期V模型具體工作要求.

1.2 系統(tǒng)集成構(gòu)造法

為充分保證系統(tǒng)集成能夠達到電磁兼容性，這就要求將整個系統(tǒng)應(yīng)分解成若干個子系統(tǒng)，明確各個子系統(tǒng)之間的接口和互動且子系統(tǒng)的詳細設(shè)計應(yīng)充分保證相互間按照預(yù)定要求協(xié)同作業(yè)并滿足系統(tǒng)的整體要求，進而提供保證證明.

1.3 系統(tǒng)集成關(guān)鍵步驟

根據(jù)鐵路電磁系統(tǒng)的系統(tǒng)集成實踐應(yīng)用，保證系統(tǒng)集成的電磁兼容性，在系統(tǒng)集成過程中應(yīng)遵照以下相關(guān)關(guān)鍵步驟并制定能夠強化系統(tǒng)設(shè)計的基本要求.①將系統(tǒng)分解成子系統(tǒng);②明確接口問題以及各個子系統(tǒng)間如何互動,充分詳盡的做好子系統(tǒng)的配置以便于能夠確定相互間能按照預(yù)期要求協(xié)調(diào)作業(yè)并滿足系統(tǒng)整體要求; 確保各個子系統(tǒng)間的互動是適當(dāng)?shù)那铱煽氐? 制定系統(tǒng)制造、安裝、調(diào)試、投入運營、運行、維護、拆卸及處置方面的戰(zhàn)略和標(biāo)準;確認并驗證這些要求在整個項目壽命周期內(nèi)以及整個系統(tǒng)最終的壽命周期內(nèi)均能得到滿足.也就是說，需要提供保證.③保持系統(tǒng)的設(shè)計及相關(guān)戰(zhàn)略能夠隨著項目的進展而及時地更新,反饋及經(jīng)驗教訓(xùn).④保證和有效的集成可以通過V模型過程證明.

1.4 系統(tǒng)集成管理計劃

電氣集成管理計劃作為項目執(zhí)行的綱領(lǐng)性指導(dǎo),該計劃可以構(gòu)成整體系統(tǒng)集成管理計劃.電氣系統(tǒng)集成管理計劃應(yīng)規(guī)定項目壽命周期戰(zhàn)略以保證成功進行系統(tǒng)集成并能進行相關(guān)的證明以下專業(yè)及系統(tǒng)應(yīng)包含在內(nèi)：①牽引供電和電氣化(鐵路部門和公共供電)，包括高壓供電、低壓供電、據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)系統(tǒng)、交直流電氣化配電;②信號及通訊，包括傳輸系統(tǒng)、列車運行及控制、無線電系統(tǒng);③鐵道車輛，包括集電系統(tǒng)、牽引和列車控制、乘客通訊系統(tǒng);④道岔及鐵路走廊基礎(chǔ)設(shè)施，包括行車軌道構(gòu)成牽引和控制系統(tǒng)回路的組成部分、可能受到電氣系統(tǒng)運行(正常和異常(故障條件))影響的縱向傳導(dǎo)型基礎(chǔ)設(shè)施部件和其它傳導(dǎo)性基礎(chǔ)設(shè)施容易受到雜散直流電流的影響.

1.5 風(fēng)險及危害識別

在項目壽命周期內(nèi)從可行性一直到最終的交付階段積極主動地對危害進行安全管理是具有任何復(fù)雜程度的項目順利交付的關(guān)鍵.需要鑒別的安全隱患可能需要兼顧設(shè)備可操作性和人的安全兩方面.同時, 應(yīng)鑒別出與系統(tǒng)集成相關(guān)聯(lián)的危害并提交給項目危害日志或者記錄.這些內(nèi)容可以構(gòu)成相關(guān)系統(tǒng)正式的RAMS(可靠性、可用性、可維護性和安全)分析過程的組成部分.

1.6 接口技術(shù)條件

對于已知的技術(shù)接口，應(yīng)編制具體接口技術(shù)要求中,接口技術(shù)條件應(yīng)明確所有可能受影響的系統(tǒng).有必要將項目中已經(jīng)甄別出的危害的責(zé)任規(guī)定出歸屬方(并接受)且設(shè)計師應(yīng)緩解任何潛在的干擾.

2 鐵路EMC設(shè)計方法

鐵路為復(fù)雜的電磁環(huán)境且EMC屬于重要的關(guān)注區(qū)域. 此外，與其他第三方系統(tǒng)之間的接口在EMC方面也需要給予考慮.各個系統(tǒng)之間的兼容性出現(xiàn)問題的，可能導(dǎo)致為運行方面出現(xiàn)的不可靠性付出代價.同時，會導(dǎo)致事故的發(fā)生，進而讓乘客及人員的安全性大大折扣.鐵路工業(yè)正努力減少危害鑒別過程和風(fēng)險緩解過程中出現(xiàn)的類似事件的風(fēng)險.EMC構(gòu)成了這些過程的基本部分[4].

2.1 EMC法定要求

鐵路所有電氣或者電子設(shè)備、系統(tǒng)及裝置的制造商、供應(yīng)商和安裝單位必須證明滿足EMC法則的要求.鐵路的每個相關(guān)組件都必須承載與EMC有關(guān)的CE標(biāo)識以及根據(jù)法規(guī)要求提出的合規(guī)性聲明.在鐵路環(huán)境下證明滿足EMC要求的常規(guī)路線就是通過技術(shù)結(jié)構(gòu)文件.針對鐵路應(yīng)用EN50121的EMC產(chǎn)品標(biāo)準并未在歐盟的官方公報中發(fā)布.因此，僅通過標(biāo)準路線是無法用來證明滿足EMC法則的要求[5].

2.2 EMC管理

為了確保滿足EMC法則的要求，這就要求穩(wěn)健的質(zhì)量保證流程，包括EMC管理計劃、EMC安裝操作規(guī)則和EMC試驗規(guī)程.電磁環(huán)境的特性是全面了解既定的鐵路運營環(huán)境所必須的.同時，告知EMC管理計劃、EMC安裝操作規(guī)則和EMC試驗規(guī)程.制定EMC管理計劃并以EN50121、EN61000-5、EN61000-6和國家及國際鐵路標(biāo)準的要求為基礎(chǔ).EMC管理計劃應(yīng)規(guī)定項目戰(zhàn)略，以確保滿足EMC要求.它應(yīng)明確質(zhì)量保證流程，包括危害識別、要求的提交內(nèi)容、職責(zé)和責(zé)任、EMC證書及試驗規(guī)程[6].EMC安裝操作規(guī)則的編制應(yīng)以鐵路網(wǎng)絡(luò)要求、EMC設(shè)計方面的最佳慣例、安裝及EN6 1000-5系列標(biāo)準為基礎(chǔ)進行.在設(shè)計靠近另一條鐵路運行的鐵路時，有必要參照兩條鐵路的標(biāo)準及操作規(guī)則. 原因是，一條鐵路的發(fā)射會沖擊另一條鐵路.EMC試驗規(guī)程的編制應(yīng)包含該項目EMC試驗要求的綜合技術(shù)條件.試驗內(nèi)容應(yīng)包含各個儀器以及系統(tǒng)級的EMC測試.

2.3 EMC設(shè)計方法

鐵路系統(tǒng)EMC設(shè)計方法是以法定要求為根本基準，通過采用濾波、接地、屏蔽、電纜類型分隔

及頻率分割等措施，實現(xiàn)鐵路項目整個系統(tǒng)間的電磁兼容性.

濾波主要用于控制傳導(dǎo)干擾，采用濾波電路或濾波器將信號中特定波段頻率信號(干擾信號)濾除的操作.

屏蔽是防止輻射干擾的主要措施，一般通過金屬機柜封閉干擾易感設(shè)備予以提供屏蔽.在低頻率中，磁場通常比電場擁有更大的擔(dān)憂.在高頻率中，電場和磁場必須予以考慮.

接地是最小化干擾的重要方法并且保證工作人員和設(shè)備的安全.為了最小化差模干擾，接地棒處測量的電阻將盡可能地低，并且不超過相關(guān)合同中指定的極限值.

電纜分隔的目的用于保護控制和儀表測量的銅電纜將適當(dāng)定位并且提供屏蔽，從而最小化輻射發(fā)射和從電氣系統(tǒng)感應(yīng)的縱向電壓.

對于鐵路電氣系統(tǒng)集成中電磁兼容問題，應(yīng)針對不同系統(tǒng)不同特點進行全面的分析而后選擇合理EMC設(shè)計方法以達到最佳的電氣系統(tǒng)間的電磁兼容性.

3 EMC試驗案例

根據(jù)近期對新鐵路通信系統(tǒng)的個案研究，該通信系統(tǒng)將安裝在歐洲直流地鐵系統(tǒng)的車站，安裝后的通信系統(tǒng)不得僅限于滿足歐洲及國家EMC法規(guī)方面的法定要求.還要滿足鐵路運營方當(dāng)?shù)氐囊?在本例中，鐵路運營方已經(jīng)精心制定了綜合的EMC要求，而對于縱向和噪聲加權(quán)的橫向電壓僅提供了正常運行條件下的要求.

3.1 縱向電壓(VL)和噪聲加權(quán)橫向電壓(VP)

縱向電壓這一術(shù)語常用在通訊中.指的是共模電壓.該電壓沿著傳輸回路縱向產(chǎn)生.過量的VL可以對維護人員造成觸電危害并可以影響到設(shè)備的可操作性.

橫向電壓這一術(shù)語指的是傳輸回路對之間發(fā)生的差模電壓.過量的橫向電壓可以導(dǎo)致受影響的系統(tǒng)出現(xiàn)可靠性問題.

此外，聲頻帶中的過量橫向電壓可以導(dǎo)致聲頻回路的性能降級.向橫向電壓數(shù)據(jù)中施加噪聲加權(quán)會顯示出該噪聲電壓可能對既定的信號造成的人的聽力所能鑒別的降級程度.

3.2 測量方法

在新的通訊系統(tǒng)出于調(diào)試階段的兩個試驗車站進行VL和VP的測量.測量工作在多處測試回路上進行.如表1所示.測試回路長度的最大變化值為-100m.盡管傳統(tǒng)鐵路VL測量工作通常在50Hz條件下進行，本案研究中的測量是在5 ～30MHz范圍內(nèi)進行的.頻率范圍擴大后，提供的是有價值的補充數(shù)據(jù)并可以把結(jié)果同EN61000-4-16[5]和EN50121-4相比較.

表1 測量回路匯總

在每個車站，測量設(shè)備與通訊設(shè)備間(CER)內(nèi)的測試回路耦合.測量VL時，絞股對的2個端子或者同軸電纜的外側(cè)和內(nèi)側(cè)連接在一起并固定到遠端(現(xiàn)場設(shè)備)的就地接地端上.在近端(CER)，絞股對的2個端子或者同軸電纜的外側(cè)和內(nèi)側(cè)連接在一起.屆時，在組合線路與接地端之間測量VL.測量分析儀通過其230V電源接地.對于屏蔽絞股對的VP測量值，屏蔽層的兩端仍需要保持不連接狀態(tài).絞股對的2個端子通過遠端的600Q電阻性負載端接.對于同軸電纜，外側(cè)和內(nèi)側(cè)通過遠端的75Q電阻性負載端接.在近端，在絞股對的2個端子間或者同軸電纜的內(nèi)層與外層之間測量VP.

3.3 結(jié)果

3.3.1 縱向電壓(VL)

在本案研究過程中，在正常鐵路運行條件下，鐵路運營方的VL極限值在50Hz時，為25V(148dBμV). 表2表明，所測得的VL最大值低于該極限值.

表2 50 Hz時最大VL值

對于頻率在150 Hz以內(nèi)的VL極限值，所測得的數(shù)據(jù)與EN61000-4-16相比較.EN61000-4-16規(guī)定了15Hz～150kHz之間的極限值.EN61000-4-16定義了四個等級的極限值.每個等級對應(yīng)于不同的環(huán)境.如果設(shè)備安裝在CER內(nèi)，選擇2級是最合適的.原因是它提供的是“受保護的環(huán)境”. 在該環(huán)境中，設(shè)備直接與第低壓電源和裝置的接地系統(tǒng)連接.標(biāo)準中提供的上述環(huán)境示例為專用的控制室或者終端室.2級極限值為3VRMS(130dBμV).

對于頻率在150Hz～30MHz范圍內(nèi)的VL極限值，所測得的數(shù)據(jù)與EN50121-4相比較.對于設(shè)備I/O端的傳導(dǎo)型射頻抗擾度，EN50121-4規(guī)定了頻率在150kHz～80MHz之間，電壓為10V(140dBμV)時的電壓極限值范圍.

圖2和圖3給出了VL測量結(jié)果.對于所有測試回路，測得的電平值顯著低于極限值.

圖2 PHPVL(5 ～30 MHz)

圖3 CCTV VL(5 ～30 MHz)

3.3.2 噪聲加權(quán)橫向電壓(VP)

在本案研究中，在正常鐵路運行條件下，鐵路運營方規(guī)定的VP極限值為1mV(60dBμV)，均

方根(RMS)為5Hz～6kHz. 采用縱向電壓(VL)測量計算同樣原理,計算出的VP的RMS值明顯低于該極限值.

表3 RMS VP5 ～6 kHz

4 結(jié)論

對與鐵路環(huán)境中即將采用的電氣系統(tǒng)成功集成相關(guān)的問題分析表明，電氣系統(tǒng)集成屬于復(fù)雜工作，要想取得成功，需要跨專業(yè)間的配合和鼎力領(lǐng)導(dǎo)和管理，所提交的案例研究闡述了V循環(huán)的實踐應(yīng)用情況.業(yè)主及設(shè)計要求是通過成功測試得到驗證的.

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“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

趙強(1976-),男，高級工程師, 碩士, 主要從事軌道車輛電氣技術(shù)方面的研究 E- mail:zhaoqiang.a@cccar.com.cn.

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