电气化铁路的电磁兼容问题

电气化铁路的电磁兼容问题周莉摘要】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，同时也会威逼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，在设计时期必须依照相关标准，对铁路各个子系统尽可能进行建仿照真和相关试验。关于已建铁路，后期接入设备进行补救。而最全然的方 法，依旧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进展，在给交通运输带来了方便快捷的同时，也带来了 电磁污染和噪声干扰等问题。由于信息技术的进展，在许多领域如电气化线路、电力牵引专 门是交流传动，微电子器件大量用于设备的开环、闭环操纵和监视；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：第一，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、 有效运行紧密相关。保证这两个系统之间的电磁兼容是专门重要的；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阻碍，例如对空情报雷达接收机的灵敏度 高，柔弱的电磁干扰也可能对雷达造成较大的阻碍。而且，电气化铁路对铁路职工的健康是 否存在阻碍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要紧可分为三大类：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2KHz 100MHz的脉冲噪声。交流声干扰要紧是由于地 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(2N+l)X50Hz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，频率范畴宽广，阻碍区域也较大。电气化铁路的干扰源要紧分为固定干扰源和流淌干扰源。固定干扰源包括线路放电和牵 引变电所设备，流淌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，牵引变电所设备在我国并不造成严峻的干扰。而线路放电属于线路故 障，发觉后通过处理，是能够排除的。在流淌干扰源中，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出现的阻抗衰 减和旁路，因此一样不予考虑。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峻的根源，也是阻碍其强弱的因素最多的干扰源。表 1 是依照 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、专门是交流电气化线路是一个专门重要的电磁干扰源，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，并通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；假如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畴内，产生一个轨道对地面电压降，称为轨道电位。 假如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承诺的干扰现 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形下，要采取措施防止显 现不能承诺的干扰，如采纳带状接地棒，甚至设置附加的回流线路。关于铁路运输来说，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，差不多上把轨道作为导体使用，从而引起两者之间的 电导性耦合。采纳轨道电路的线路闲暇显示系统，就属于这种情形。采纳这种技术，一个要 紧的要求是一条轨道的两根钢轨相互要有足够的绝缘。此外，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。假如这些部件具有专门小的接地传送电阻，可能 使两条钢轨之间的回路负载不平均，导致轨道电路错误地转入占用状态，而在那个区域段中 事实上并没有列车存在。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操纵产生的高达几千赫兹的 谐波中，假如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能够想象得到的。然而这只在技术上（如幅值、相位）和运行上的特 定状态同时显现时，才是可能的。第二种情形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，因而必须考虑以下几种可能的情形：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刻的干扰； 由于接触网短路产生的短时刻的干扰； 机车正常运行时工作电流谐波产生的干扰。电抗性干扰的阻碍可分为：危及人身和设备（损坏信号和通信设备）的干扰、对功能的扰 乱以及要紧由机车工作电流的高次谐波引起的 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（相关于谐波重量）。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，能够从图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Z 接触网阻抗；Z 通信线路阻抗；Z 钢轨阻抗；00 11 22z、Z、Z 耦合阻抗；u供电电压；u感应的纵向电压 01 02 12 0 1三、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阻碍。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。为了幸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同的那部分谐波的能量比规定的承诺值小。实际上 这部分能量可能是来自机车或列车内逆变器、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。关于固定频率的斩波操纵系统来说，只要规定工作频率使之躲 开牵引产生的谐波重量就足够了；但关于交流传动，必须确定一种排除谐波的操纵策略，才 能达到相同的成效。为了估量电力牵引、专门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运算逆变器输入，专门是 PWM 波形的谐波重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，这一点是专门重要的。明显，不采取排除谐 波的 PWM 技术，可能存在某些引起干扰的谐波重量。随着微处理器的功能的提高，目前差不 多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。关于由脉冲整流器向逆变器供电的交直交系统，假如取消由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显现低频重量。增大中间回路的支撑电容器，能够使这些 低频谐波重量减少。还有一个评判牵引传动系统和信号设备之间的电磁兼容性能专门重要的因素，是传动系 统的不稳固性。这种不稳固性可能反映到接触网电流的频谱中。关于逆变器来说，某些开关 模式可能造成不稳固的结果，但在其余的大多数模式中差不多上稳固的。鉴于电气化线路供电接触网中可能存在谐波，以及整流器回路的非线性特点，不论在直 流供电电压中，依旧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。为了运算这些谐波电流，必须明白机车的输入阻抗。在 考虑与信号系统的电磁兼容时，机车的输入阻抗有着专门的意义。关于逆变器传动系统和信号系统之间的电磁兼容，除了上述差不多讨论的方面之外，以 下一些阻碍因素也是值得考虑的：(1) 逆变器的不对称工作状态，使电机绕组显现直流偏移，从而使输入电流产生具有逆 变器基波频率的谐波重量。(2) 电机相阻抗的不平稳，引起两倍基波频率的谐波重量。(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显现具有差频率的谐波 重量。四、改善电磁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，在其规划和设计时期就必须予以充分 考虑，也确实是说，在每个时期都采取适当的电磁兼容措施。关于任何一个工程项目或一套 电气系统，电磁兼容措施能够分为5 个时期来实施：时期1，通过测量结果、有关标准和体 会确定相应的电磁环境与有关参数；时期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；时期3，预备与项目有关的EMC工作机构与试验打算(分析、过程清单、 试验规范、人员培训)；时期4,执行EMC，比如产品在试验室或现场的试验；时期5, EMC 验收。改善电磁兼容性能的措施，能够在干扰源上，也能够在传播途径上或受扰体上予以考虑。 关于电力电子装置和牵引系统来说，电磁兼容措施能够分为电路技术方面的措施、防护措施 和运算方面的措施。通过应用信号处理方法来编制软件即是运算方面的措施之一。所谓电路技术方面的措施，除了采纳软开关或无谐波装置等新技术来排除和削弱干扰源 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，差不多上与一项产品的开发 紧密相关的，因此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，因此，关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。防护措施大体上分为两类：一类是起限制作用的，如采纳充气避雷器、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，通过屏蔽体的吸取、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。由于结构方面的缘故，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成效是有阻碍的。此外，出于各种缘故， 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 或电磁场屏蔽体，要依照顾用要求，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，要区分爱护接地、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，能够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 量缩短开断时刻（0.5s）来限制接触网中短路电流的大小及其连续时刻；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 同能够部分补偿，专门是在供电区段的分界区中，更是如此。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，通常并不要求专门 的措施。关于通信设备，为了改善其抗击干扰的能力，在受接触网及有关设备阻碍的区域中，应 当采纳电缆通信线路，而且不承诺产生过高的感应电压。从原理上说这将能够可靠地幸免与 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，在开发和投产时期将经受有关电磁兼容的验 证试验，以判定其在规定的电磁环境下功能是否受到损害，是否发射超过承诺的干扰噪声。 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，因此电磁兼容 试验被划分为两个部分：发射干扰试验和电磁敏锐性（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。电磁兼容没有直截了当可测定的量，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 在可能的精度范畴内提供可重复的结果。因此，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是依照德国标准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无线电干扰测量同意器；P被试件接头；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)吸波暗室在多数情形下，电磁兼容测量是在规定的环境下进行的，专门是关于磁场的测量，要求 在满足专门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，在设计时期必须依照相关标准，对铁 路各个子系统尽可能进行建仿照真和相关试验。关于已建铁路，后期接入设备进行补救，能 够在一定程度上减轻或者解决各种干扰对监控系统的阻碍。然而最全然的方法，依旧参照铁 路上电气标准，选用专用的设备。一次性投入，能够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,1998.42 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WT0之后我省电磁兼容前景展望J.信息与电磁兼容.2000.24 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