电磁兼容与系列欧洲标准EN50121电气牵引2001年第2期(总第102期)电磁兼容与系列欧洲标准EN50121湘潭电机股份有限奔司(411101)郝裕【摘要】大功率与徽电子设备同时共处在牵引电气设备中,使干扰与被干扰问题突出.在整个铁路系统中电磁兼窖问题更是不容忽视未雨绸缨早做准备是处理这一问题的最好办法. 【关t词】电磁兼容电气牵引电磁发射与抗扰度l刖再随着科学技术的发展,日益广泛采用的微电子技术和电力设备正在深入人们的生产与生活,电磁能量在为人类剖造巨大财富的同时所形成的复所有电气产品都必须通过电磁兼容检测,不久第一套铁路专用的关于电磁兼容的标准EN50121(包括6个子标准)在欧洲问世了,它的各项限值都满足或超过了89/336的要求.由于现代电力牵引的高速发展,使得在一个装置内形成了高电磁负荷能源器件或设备与低电压小功率信息设备共存的局面,并]2已成为一种普通现象,这就使得电磁兼容问题更加紧迫而复杂.其实,对于电磁兼容概念的理解,一般人并不困难,但对其进行分析计算以及测试又确实不太容易.同样,在一项系统工程之初就注意这一问题并采取某些措施也并不困难,但是如果各部门(专业)不了解,不重视,以至组成整体装置或铁路系统后就有可能出现严重后果,到这时再修修补补不仅部门问出现扯皮推诿而且改起来既掘困难也不一定彻底.为此,在系统(或产品)设计开始阶段和在设备的招投标阶段就要明确电磁兼容的要求.按目前所掌握的技术手段治理电磁干扰问题虽然不能全部达到标准(如EN50121)的要求,但在目前国情条件下仍可能被接受.从各电工行业经验来看,对电磁兼容问题越早重视,产品在这方面的成本就越低,想来电力牵引行业也应是如此.2铁路系统电磁兼容铁路系统内存在形形色色的电磁干扰,起因也各不相同,例如牵引回流电流与轨道电路电流在钢轨上的电导性耦台,如轨道电路电流发生无序变化则可能导致信号显示系统的紊乱,很多情况都有可能产生这一结果.电气牵引2001年第2期(总第102期)当变电所整流器的某次谐波频率与轨道电路工作频率相同时,如果此时电力机车对这一频率又呈低阻抗就会出现对轨道电路信号的干扰.又如轨道上运行的列车,它的车轴短路了所在的轨道电路,正常的结果是检测出了列车的存在,但是车上的干扰发射(如各种变流器产生的)也可能会作用到同一个轨边检测器上使它又返回轨道空闲(即前方无列车)状态,发出错误信号,这样就出现了我国古战场小说中所描绘的前方”虚虚实实令人费解的场面,使司机,信号及调度人员无法正常工作甚至出现事故.此外在列车上大功率长距离的高频电路也可能产生这个效果.当然轨道电路本身可以采用频率,时间的各种编码来减少这种现象,但从源头上杜绝仍在于机车车辆,供电设备对产生电磁骚扰的自律以及相应标准的限制.在整个电气化铁路系统中,通信与信号设备是易受干扰的弱势群体.在机车车辆内, 列车总线,车厢总线,电力电子器件的门控电路及其他各种信号电路既是弱势群体,同时也是车辆的中枢神经,对它们要严加保护使其有尽量高的抗扰能力,有这些部分的产品都应作抗扰试验(见后面EN50121一】及EN5O121～3—2)增强抗干扰能力的技术手段很多,有的似乎”老生常谈(如屏蔽,隔离,滤波,接地和使用EMC密封材料等措施),但根据经验,真正,认真地做到了这些即可解决大部分问题.另外可用光纤或双屏蔽线,注意通信线路中合理的阻抗匹配,尽量减少传输上的干扰(如尽量少用接插件,提高焊接质量等),布线力求讲究,尽量按有关标准布线,使用的关键软件要有自恢复能力,即受强干扰后能自动恢复功能,使用抗干扰能力强而且稳定可靠的电源等等也都是值得注意的事对于机车车辆设计来说,任何设备的方向,位置,参数的改变都可能意味着所处电磁环境的变化,例如,低地板轻轨车辆为了降低地板高度而将犬部分牵引电器和电力电子设备由车下改为放置在车顶,即从接近地磁场环境跃升到距接触导线不足】m的距离,强大的电磁场可以想象,加之与受电弓距离缩短,电缆导线的感抗减小,也会使传导的干扰量大增,若元慎重的措施对于各种变流器等设备的确是重大的威胁.又如变流器的频率也不可随心所欲,机车车辆的输入阻抗和滤波参数也不可任意改动,如要更改则要通知信号,通信及供电等左邻右舍,协商后再改动.在一个共同的电磁环境中,任何以邻为壑的作甚最后都将证明是害人害己的.对于与铁路外更大的电磁环境问的关系也是如此.3铁路应用一电磁兼容系列欧洲标准EN50121下面首要介绍系列欧洲标准EN50121六个部分的内容.3.1EN50l21—1铁路应用——电磁兼窖一一第1部分:通则该标准对铁路上电磁兼容问题进行总体叙述,它规定了整体实施标准,并对铁路基础设施与运营之间达到电磁兼容提供了管理方法.这个标准对铁路电磁发射的处理是将整个铁路对外部环境视为一个整体,也就是说工作在铁路内的设备的电磁发射与抗干扰性能必须与作为一体的铁路各项限值相容.本标准包含的频率范围是由直流到400GHz,但目前对高于1GHz频率的测量尚无定义,故仅适于1GHz以下的情况,本标准全面考虑抗扰能力,使铁路本身设备与路外设备发射的电磁干扰得到合理的抑制本标准对由路内向路外的电磁发射也规定了限值.一般来讲,对某个电机,电器或电子设备的电磁兼容试验,其结果是否符合实际要】3电气牵引2001年第2期(总第102期)求是一个比较复杂的I可题,很难有精确定量的标准,为此根据欧洲标准EN6lO0o一6—2(EMC——工业环境下的抗扰性)制定出了性能判定的A,B,C三个级别,产品翻造商可根据试验结果在试验报告中决定被试验设备符合哪一个级别:性能判定A级:被试验设备在试验中和试验后都能在所期望的技术条件下运行,如有性能下降和功能失效也不应低于规定的性能水平.性能判定B级:被试设备在试验后仍能在所期望的技术条件下运行,如有性能下降和功能失效也不应低于规定的性能水平.但被试设备在试验中可允许性能降低,其实际的动作状态和存储的数据不允许改变.性能判定C级:允许在试验中暂时失去功能,但通过控制系统的操作可使被试设备自动恢复或重建功能.此外,如被试设备在试验中处于危险或不安全状态则不同于上述各判定级,而被认为没有通过试验在这个标准中还强调了电磁兼容的管理工作,它指的是在各种拥有大功率电磁容量的综合设备中如何保证在有限空间,严酷工作环境下的正常工作,并能保证对其他设备(如信号通信装置)的干扰能在允许的限度内为此应有一系列电磁兼容的管理计划(如各种规章制度及技术条件等)以使铁路系统内各种装置,设备能在同一电磁环境中和谐工作.本标准附录B对列车经营者与基础设施主管入之间在电磁兼容问题上如何各负其责,如何判别故障,如何评估危险及如何划分法律责任等都有原则性的规定.在电牵引系统中,通常的干扰耦舍机制也都存在,它们是静电耦台,电容性耦合,电感性耦合,传导性耦合和电磁辐射5种形式. 各种设备的抗干扰能力主要面对低额与高频的传导和低频与高频的辐射现象的考验谈及铁路内部的电磁干扰源,它们可以】4是静止设备(变电所,架线都是高低频电磁噪声源),也可以是移动设备(电力机车,多节电动车组,内燃机车,轻轨车等).对于后者,产生干扰发射的原因可能是:——使用如GTO和IGBT等大功率半导体可控器件,它们在变换电能形式的同时也产生了直接辐射或通过供电网的间接辐射,这时的架空线犹如一付天线.——车上的各种辅助设备,辅助变流器也具有较大的功率,也是电磁干扰源——受电弓与接魅网及集电靴与接魅轨闻滑动受流会产生连续的短电弧,它们也起射频干扰源的作用——受电弓的升降及车上断路器的开闭会产生电弧与瞬变现象.铁路系统以外的电磁干扰源有:——相邻铁路系统产生的干扰——路边的大功率无线电台,各种雷达设施,工厂等.——邻近的电力架空线的工频干扰.——列车上靠近敏感部位的便携式发射装置(手机等).3.2EN50121—2铁路应用——电磁兼窖——第2部分:整个铁路焉I统对外部环境的电磁发射这个标准规定了整个铁路系统产生的电磁发射的限值,讲述了各种电磁发射量的测量方法,并给出了常用的场强限值.标准中先绘制了整个铁路系统在不同接魅网电压下,不同频段内对外界发射的电场,磁场强度限值允许曲线,接着又分别列举了牵引变电所,供电网路,接魅网系统以及机车车辆的电磁发射限值,其中对运行列车产生电磁发射的测量讲述得尤为详尽,尽管有些内容对目前我国国情来讲似乎是超前的,但从发展观点来看对其有所了解并及早采取相应对策是必要的,特别是在城市环境中对电磁兼容问题敏感的轻轨车辆,更应是未雨绸缪早作准备.■电气牵gI2001年第2期(总第102期)3.3EN50121—3—1铁路应用——电磁兼容——第3.1部分:列车与完整的车辆在该标准的前言中写道:”大功率电力电子设备与小功率微控制器和其他电子设备共同安装在列车内,电磁兼容因此成为车辆设备和整个列车设计的关键问题,为在预定的环境中能有一个卓有成效的系统,机车车辆应对电磁发射和抗扰性能在产品标准中规定出各种限值”.与电磁发射情况不同,抗扰度限值不是以整车形式给出的,而是对机车车辆上各设备分别提出的(见EN5012l一3—2),这样规定只是为了便于测试,例如它规定设备在O.15MHz--IGHz额段内应有20V/m电场强度的抗扰度,如能做到,则估计在组装成整车后仍能有足够大的抗扰能力.对于整车发射,继EN0l21—2之后又作了深入叙述.对与信号系统(轨道电路,计轴器及ATC 等),与通信系统(数字及模拟系统)的兼容也提出了原则性意见.对列车辐射电磁骚扰的试验条件,试验设备与程序也都有详述. 3.4EN50121—3—2铁路应用——电磁兼容——第3.2部分:机车车辆一设备这个标准具体规定了应用在机车车辆上的电气,电子设备的电磁发射与抗扰性能,除各项限值外,对试验方法与要求也作了叙述, 此外,对车内外的环境都作了统筹的考虑.对电磁发射的要求是这样的:应确保设备在车辆内正常工作时不产生超过某一水平的骚扰量,如达到这一水平时其他设备的正常状态将会受到影响.同样,对于抗扰度的要求是确保机车车辆上的设备能正常工作应有足够的抗干扰能力.为对电磁兼容的叙述及测试的规范一致,选用”端口”一词作为考核的测试点,简言之,端口就是设备与外部环境(电磁场,电路)的界面或接口(见图).如图中的”外壳端口”是外部电磁场与设备间的物理边界,在这里设备受到电磁场的辐射或照射.AC/DC牵引电薄j崮口AC/DC辅助电源端口蓄电池相关端口外壳端口接地端口信号与通信螭口过程.测量与控制|岢口设备制造商提供的电磁兼容试验报告中应有设备的功能叙述并确定出它的性能判定级别(它是以EN50121—1中3级判定级为依据的).本标准对图中所示的主要端口都有相应电磁发射的颡率范围,限值及性能的规定,同时也有对抗扰性能试验项目,判定等级和严酷度(即设备应能经受的试验环境条件)的规定.在附录A中列举了机车车辆上17种典型电气电子设备应采用的测试端口.3.5EN50121—4铁路应用一一电磁兼容——第4部分:信号与通信设备的电磁发射与抗扰性本标准是对机车车辆外的信号,通信设备制定的,它对这些设备同样制定了电磁发射和抗扰性能的限值.对于发射,沿用EN 50121—2(EMC通用发射标准一第2部分: 工业环境)标准,而抗扰性能的判定仍按EN 50l21—1的划分级别原则.在进行试验时也可用逐个端口进行试验,标准中详述了试验方法,所需条件,设备及试验结果的分析方法等.3,6EN50121—5铁路应用——电磁兼容——第5部分:固定供电装置与设备的电磁发射与抗扰性与机车车辆情况相似,供电装备对内,外都有电磁发射现象,因此变电所内控制保护电路及变电所外的通信,信号装置以至机车车辆都应对其有一定的抗扰能力;此外变电所的非牵l用选的供电也会夹杂进牵引供电产生的电磁噪声,对其用户也应有所了解.抗干扰性能应包括对射频,静电,工颡干扰及瞬态,猝发及浪涌干扰的抗扰能力.在网路】5电气牵引2001年第2期(总第102期) IECTC9第41届年会在意大利佛罗伦萨召开IECTC9第41届年会已在意大利佛罗伦萨召开参加会议的有中国,日本,加拿大,英国,法国,德国,意大利,瑞士,瑞典,丹麦,挪威,芬兰,捷克,斯洛伐克,南斯拉夫,印度尼西亚,阿根廷等l8个国家的58位代表会上,TC9讨论了各国的意见,并在中国的提议下成立了一个特别工作组,于10月18日讨论并修改了IECTC9的名称, 工作范围和发展方向,将TC9的名称由”铁路电气设备(ElectricRailwayEquipment)”改为”铁路电气设备与系统(Electriea’tE—quipmentandSystemsforRailwqys)”,同时相应修改了技术委员会的工作范围,并补充了越来越受到关注的生态环境等方面的标准化工作内容会议共讨论了73个文件,形成了20项决议,内容涉及IEC/TC9行政管理,联系与台作及列车通信网络,电磁兼容性,变流器,旋转电机,断路器等多个领域.电磁兼容和机车电气设备电磁兼容试验电磁兼容性是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力因此,设备的电磁兼容性主要包含了两方面的内容,即设备向周围环境的发射特性(EMI)及设备的抗扰度水平(EMS).根据欧盟铁路机车车辆用电气设备电磁兼容标准ENV50l2l一3—2的要求,一般车载电气设备应完成7项电磁兼容性试验:电磁辐射骚扰特性的测量;电源端骚扰电压的测量;射频电磁场辐射抗扰度;射频场感应的传导骚扰抗扰度;静电放电抗扰度;电快速瞬变脉冲群抗扰度;浪涌(冲击)抗扰度中共模传导的干扰很重要,变电所整流装置产生的高次谐波(在脉波数较小情况),接触网中牵引电流突变产生的感应电压及短路电流等都会对铁路系统中各部分构成骚扰.标准中对试验情况有详细的叙述,所应用的性能判定指标仍为FN5012l—l中规定的级别除上述6个标准外,EN50343(铁路应用一机车车辆一电缆布线规则)也很有参考价值,因为各种不同电路和功能块导线间会出现耦合(电导性,电容及电感性耦合)加之车辆上安装空问的限制,难以保证各导线l6电缆间起码的间距,为此该标准将导线分为三类,将具有相同潜在干扰因素和基本相同灵敏度的导线综合在一处,分开布线,并给出了导线间的最小间距等参数.参考文献[1]黄济荣.”电力牵引交流传动与控制”机械工业出版杜.[2]欧洲标准.EN50121--1,2.3--1.3—2,4,5.[3]马乃祥等.”电磁兼容”电气技术2001.6.[4]Humbert.EMVaufBahnfahrzeugenehll一12/ 2OOO.。
