电气化铁路的电磁兼容（EMC）问题

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1、电气化铁路的电磁兼容（EMC）问题周 莉【摘要】随着电气化铁路的不断增加，电气化铁路系统中高电压子系统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，在设计阶段必须根据相关标准，对铁路各个子系统尽可能进行建模仿真和相关试验。对于已建铁路，后期接入设备进行补救。而最根本的方法，还是参照铁路上电气标准，选用专用的设备。【关键词】电气化铁路 电磁干扰 电磁兼容 干扰源 受扰体【作者简介】周莉，女，柳州运输职业技术学院机电工程系副教授。广西柳州，545007近年来我国电气化铁路建设飞速发展，在给交通运输带来了方便快捷的同时，也带来了电磁污

2、染和噪声干扰等问题。由于信息技术的发展，在许多领域如电气化线路、电力牵引特别是交流传动，微电子器件大量用于设备的开环、闭环控制和监视；此外，由于经济的和生态学方而的需要，现代能源技术可保证开发出更加紧凑、能最佳利用资源的设备。这种高电磁负荷、大功率能源设备与低电压、小功率信息装置并存的局面，使得解决电磁兼容性问题变得更加紧迫也更加复杂了。据统计，1989年德国电力系统故障的28.7%是由电磁干扰引起的。电气化铁路电磁兼容包含两个方面：首先，电气化铁路系统自身包含许多数字化子系统，因此高电压子系统可能会对低电压子系统产生电磁干扰。众所周知，铁路信号与列车的安全、有效运行密切相关。保证这两个系统之

3、间的电磁兼容是很重要的；其次，电气化铁路也会对移动通信系统和其他灵敏度高的数字系统产生影响，例如对空情报雷达接收机的灵敏度高，微弱的电磁干扰也可能对雷达造成较大的影响。而且，电气化铁路对铁路职工的健康是否存在影响也是目前研究的课题之一。一、电气化铁路产生电磁干扰的分类电气化铁路产生的电磁干扰主要可分为三大类：脉冲干扰、交流声干扰及电磁辐射方式干扰。脉冲干扰是由于脉冲器件产生的强电磁场耦合进入信道所致：例如开关电源时产生的60Hz2MHz的干扰，以及闪电产生的2KHz100MHz的脉冲噪声。交流声干扰主要是由于地线系统设计不合理，不同接地点间存在电位差，使得地电流形成回路所造成的；高压输电线路和

4、交流电气化铁路会引起交流声干扰，如交流电气化铁路产生的干扰除50Hz基频外，还有(2N1)50Hz等奇次谐波通过辐射方式干扰该频段内的通讯设备。射频电磁辐射包括无线电广播、电视、微波通信等各种射频设备的辐射，频率范围宽广，影响区域也较大。电气化铁路的干扰源主要分为固定干扰源和流动干扰源。固定干扰源包括线路放电和牵引变电所设备，流动干扰源包括机车内部设备和受电弓与导线的接触点。表1 干扰源分类自然干扰源技术干扰源自然噪声高频系统人为噪声大气层噪声雷击无线电电力电子装置银河系噪声静电发电导航输配电感应加热电炉微波开关设备数据处理与传输设备频谱宽频谱宽、幅值大幅值大频谱宽在固定干扰源中，牵引变电所设

5、备在我国并不造成严重的干扰。而线路放电属于线路故障，发现后经过处理，是可以排除的。在流动干扰源中，电力机车本身所产生的干扰，由于受到机车金属壳体的屏蔽或者受到机车内部电力配线及辅助电路上的部件所呈现的阻抗衰减和旁路，所以一般不予考虑。受电弓在接触网的导线上滑动离线所产生的无线电噪声不仅是电气化铁路电磁干扰的最严重的根源，也是影响其强弱的因素最多的干扰源。表1是根据电磁干扰产生的方式，对干扰源所作的分类。二、 电气化铁路形成电磁干扰的机理电气化线路、特别是交流电气化线路是一个很重要的电磁干扰源，铁路部门应尽可能减少强电设备如牵引变电所、接触网、机车车辆、回流导线等产生的干扰。众所周知，电气化线路

6、的供电系统由一个架空线和至少两个不同的回线，即轨道和地层组成，从而形成两个电路：变电所到接触网，并经过机车车辆或短路线路到轨道；从轨道通过漏导到地层。这两个电路整个都存在传导耦合；如果是交流电气化线路的话，还有电感性耦合。从牵引变电所送到接触网的电流，在负载点通过机车流入轨道，并分为两部分：一部分流入钢轨，另一部分渗入土壤，然后回到牵引变电所。第二部分电流与机车位置有关。由于牵引电流的存在，在机车和牵引变电所范围内，产生一个轨道对地面电压降，称为轨道电位。如果轨道电位在规定的牵引电流值下达到或超过极限值，可能在系统中引起不允许的干扰现象。为此，必须采取措施降低轨道电位，如选择合适的枕木类型以减

7、少单位长度漏电导，紧固件底座、钢轨导槽板和地板选择绝缘材料。在轨道电位较高的情况下，要采取措施防止出现不能允许的干扰，如采用带状接地棒，甚至设置附加的回流线路。对于铁路运输来说，信号关系到列车的安全和有效运营。由于它与电气化线路的强电设备处于相同的电磁环境中，因此保证两者之间的电磁兼容十分重要。电气化线路与相邻的信号系统之间，可能存在两种耦合途径，引起电磁干扰。第一种是回流对轨道电路的干扰。机车的回流或者信号系统的回流，都是把轨道作为导体使用，从而引起两者之间的电导性耦合。采用轨道电路的线路空闲显示系统，就属于这种情况。采用这种技术，一个主要的要求是一条轨道的两根钢轨相互要有足够的绝缘。此外，

8、在接触网所在的区域内，所有不带电的结构部件都必须与轨道一道接地。如果这些部件具有很小的接地传送电阻，可能使两条钢轨之间的回路负载不均匀，导致轨道电路错误地转入占用状态，而在这个区域段中其实并没有列车存在。不仅牵引电流的基波可能引起干扰，而且现代机车车辆传动控制产生的高达几千赫兹的谐波中，如果有一种谐波的频率与轨道电路的工作频率相同，且其电平超过规定的数值，那么它对轨道电路的干扰是可以想象得到的。但是这只在技术上(如幅值、相位)和运行上的特定状态同时出现时，才是可能的。第二种情况是电抗性耦合引起的干扰。由于交流电气化线路的对地不对称的供电系统结构对与铁路线平行的信号和通信电缆有干扰，因而必须考虑

9、以下几种可能的情况：在强电设备(包括机车)正常运行时，接触网中的电流产生的长时间的干扰；由于接触网短路产生的短时间的干扰；机车正常运行时工作电流谐波产生的干扰。电抗性干扰的影响可分为：危及人身和设备(损坏信号和通信设备)的干扰、对功能的扰乱以及主要由机车工作电流的高次谐波引起的电话线路中的干扰噪声。电气化线路引起的电抗性干扰通过干扰源(接触网)、受扰体(通信线路)和公共地建立两个相互具有电抗性耦合的回路。回路1：牵引变电所接触网机车地；回路2：通信线路地(相对于谐波分量)。钢轨本身可形成自己的电路，并与其他所有的电路产生电抗性耦合。就通信电路来说，电流流过接触网和地组成的回路将在通信电缆、钢轨

10、和管道中感应出纵向电压，且此电压与接触网电流的大小以及耦合途径的阻抗有关；其次，当钢轨、电缆和管道构成的闭合电路中流过电流时，同样会在通信电缆中感应出纵向电压。上述对通信线路干扰的原理，可以从图1的等值电路中得到更清晰的概念。图1 通信线路干扰原理及其等效电路Z00接触网阻抗；Z11通信线路阻抗；Z22钢轨阻抗；Z01、Z02、Z12耦合阻抗；u0供电电压；u1感应的纵向电压三、 电力牵引交流传动系统的干扰电磁环境对铁路信号系统的安全、利用率和可靠性有着重大影响。在这种环境中，轨道电路不受牵引回路电流的干扰，是十分重要的。为了避免任何轨道系统的误动作，必须保证牵引系统产生的与信号设备工作频率相

11、同的那部分谐波的能量比规定的允许值小。实际上，这部分能量可能是来自机车或列车上逆变器、斩波器产生的高次谐波，也可能是来自直流牵引供电的多相整流桥的谐波。对于固定频率的斩波控制系统来说，只要规定工作频率使之避开牵引产生的谐波分量就足够了；但对于交流传动，必须确定一种消除谐波的控制策略，才能达到相同的效果。为了估计电力牵引、特别是交流传动系统对周围环境的电磁干扰程度，必须利用状态空间模型或频域分析方法计算逆变器输入，特别是PWM波形的谐波分量以及向机车供电的接触网的电流。众所周知，自然采样和规则采样的PWM波形受功率开关器件需要的最小换流宽度的限制。当必须考虑与信号系统的电磁兼容要求时，这一点是很

12、重要的。显然，不采取消除谐波的PWM技术，可能存在某些引起干扰的谐波分量。随着微处理器的功能的提高，目前已经开发出了易于在微处理器上执行的接近于最佳开关角的算法。对于由脉冲整流器向逆变器供电的交直交系统，如果取消由L、C谐振电路构成的二次谐波滤波器，那么在输入电流中将出现低频分量。增大中间回路的支撑电容器，可以使这些低频谐波分量减少。还有一个评价牵引传动系统和信号设备之间的电磁兼容性能很重要的因素，是传动系统的不稳定性。这种不稳定性可能反映到接触网电流的频谱中。对于逆变器来说，某些开关模式可能造成不稳定的结果，但在其余的大多数模式中都是稳定的。鉴于电气化线路供电接触网中可能存在谐波，以及整流器

13、回路的非线性特点，不论在直流供电电压中，还是在交直交变流器中间环节回路的电压中，都有基波和谐波电压，并都会在轨道电路中引起相应的谐波电流。为了计算这些谐波电流，必须知道机车的输入阻抗。在考虑与信号系统的电磁兼容时，机车的输入阻抗有着特殊的意义。对于逆变器传动系统和信号系统之间的电磁兼容，除了上述已经讨论的方面之外，以下一些影响因素也是值得考虑的：(1)逆变器的不对称工作状态，使电机绕组出现直流偏移，从而使输入电流产生具有逆变器基波频率的谐波分量。(2)电机相阻抗的不平衡，引起两倍基波频率的谐波分量。(3)轮径偏差导致不同的逆变器输出频率，使得在其输入电流中出现具有差频率的谐波分量。四、改善电磁

14、兼容的措施电磁兼容作为电气化铁路的一个重要的质量指标，在其规划和设计阶段就必须予以充分考虑，也就是说，在每个阶段都采取适当的电磁兼容措施。对于任何一个工程项目或一套电气系统，电磁兼容措施可以分为5个阶段来实施：阶段1，通过测量结果、有关标准和经验确定相应的电磁环境与有关参数；阶段2，电磁专家与产品专家相结合，拟定与项目有关的EMC分区及接口；阶段3，准备与项目有关的EMC工作机构与试验计划(分析、过程清单、试验规范、人员培训)；阶段4，执行EMC，比如产品在试验室或现场的试验；阶段5，EMC验收。改善电磁兼容性能的措施，可以在干扰源上，也可以在传播途径上或受扰体上予以考虑。对于电力电子装置和牵

15、引系统来说，电磁兼容措施可以分为电路技术方面的措施、防护措施和计算方面的措施。通过应用信号处理方法来编制软件即是计算方面的措施之一。所谓电路技术方面的措施，除了采用软开关或无谐波装置等新技术来消除和削弱干扰源的噪声信号外，在开发、设计电子装置时，必须提及的还有机械结构的空间布置，布线、铰线、连线的规则和材料的选择。所有这些电路技术方面的措施，都是与一项产品的开发密切相关的，所以必须从开发之初就予以重视，并确定下来。防护措施的考虑则有所不同，因为它常常与电子装置在一个系统中或在一个一定的电磁环境中应用的条件有关，所以，对于一个确定的电子装置来说，其防护措施只有在系统开发时才进行规划。防护措施大体

16、上分为两类：一类是起限制作用的，如采用充气避雷器、火花间隙、压敏元件或半导体器件(齐纳二极管)来限制某些干扰量的大小；另一类是起抑制作用的，如用屏蔽、接地、滤波、隔离等措施来削弱各种耦合通道的耦合度。对电场、磁场屏蔽的物理含义，是为电子装置配备合适的屏蔽体(外壳、罩子等)。当干扰信号到达屏蔽体的外界时，通过屏蔽体的吸收、反射或多次反射，产生能量损耗，屏蔽体内界面上干扰信号显著减弱。由于结构方面的原因，屏蔽体不可能是完整的封闭形式，上面可能存在缝隙、引线孔等，这种不完整屏蔽对屏蔽效果是有影响的。此外，出于各种原因，人们可能选择金属网、薄膜或导电玻璃作为屏蔽体(它们也属于不完整屏蔽)。对电场、磁场

17、或电磁场屏蔽体，要根据应用要求，选择合适的材料。屏蔽体结构有单层和多层之分。大型屏蔽室的通风孔，可按波导管或蜂窝结构进行设计。与屏蔽体有关联的其他部件，如电缆连接器、输入/输出变压器，也要考虑相应的屏蔽措施。在设计一个系统的接地结构时，要区分保护接地、系统接地和屏蔽接地。为了限制电气化线路对相邻的信号系统的干扰，可以从干扰源和受扰体两方面采取措施。从干扰源方面来说，通过由更多的沿铁路线分布的小的牵引变电所向接触网供电，并尽量缩短开断时间(0.5s)来限制接触网中短路电流的大小及其持续时间；另外，在接触网供电方面，双侧供电是有好处的。在正常运行时，基波电流感应的电压按照机车所处位置的不同可以部分

18、补偿，特别是在供电区段的分界区中，更是这样。从受扰体方面来说，必须采取措施防止长时性干扰；对短时性干扰，通常并不要求特殊的措施。对于通信设备，为了改善其抵抗干扰的能力，在受接触网及有关设备影响的区域中，应当采用电缆通信线路，而且不允许产生过高的感应电压。从原理上说这将能够可靠地避免与运行电流无关的电容性干扰。五、验证电磁兼容的试验电气化铁路中的任何一个电子装置或系统，在开发和投产阶段将经受有关电磁兼容的验证试验，以判断其在规定的电磁环境下功能是否受到损害，是否发射超过允许的干扰噪声。任何电子系统，在电磁兼容方面都具有二重性，即既是干扰源，又是受扰体，所以电磁兼容试验被划分为两个部分：发射干扰试

19、验和电磁敏感性(抗干扰性)试验。被测设备在前者被看作干扰源，在后者则当作受扰体。所有试验都必须遵循有关标准的指导原则，测量结果必须符合规定的要求。电磁兼容没有直接可测定的量，只能通过干扰发射水平和抗扰性水平，评估电磁干扰造成的故障风险。所有的电磁干扰测量方法必须尽可能地模拟被试件使用的电磁环境，并在可能的精度范围内提供可重复的结果。所以，有关的电磁兼容标准不仅规定极限值，而且规定相应的测量环境和测量系统的组成。图2是根据德国标准VDE0877规定的测量无线电干扰的测量系统。图2 测量无线电干扰电压的系统结构1金属墙;2被试件;3连接线;4模拟网络;5连接线;6无线电干扰测量接受器;P被试件接头

20、;M测量接收器接头;B参考地图3 电磁兼容测量环境 图4 封闭(a)和半封闭(b)吸波暗室在多数情况下，电磁兼容测量是在规定的环境下进行的，特别是对于磁场的测量，要求在满足特殊条件的测量场地进行，如图3所示。图4表示在全封闭和半封闭吸波暗室中测量辐射干扰场的装置。六、 结语综上所述，为了提高电气化铁路的电磁兼容水平，在设计阶段必须根据相关标准，对铁路各个子系统尽可能进行建模仿真和相关试验。对于已建铁路，后期接入设备进行补救，可以在一定程度上减轻或者解决各种干扰对监控系统的影响。但是最根本的方法，还是参照铁路上电气标准，选用专用的设备。一次性投入，可以在后期省下较多气力。 参 考 文 献1 史集芬. 再谈高速电气化铁路的电磁兼容问题J. 铁道工程学报,1998.4 2 朱巍. 电磁兼容困扰家电企业J. 信息与电磁兼容, 2000.23 胡蓉华. 加入WTO之后我省电磁兼容前景展望J. 信息与电磁兼容.2000.2 4 高彼纲. 电磁兼容技术的若干新进展J. 信息与电磁兼容,2000.2