城市轨道运输系统的电磁兼容（EMC）问题

市轨道运输系统的电磁兼容（EMC）问题湘潭电机股份有限公司

国际电工委员会（IEC）对电磁兼容（简称EMC）的定义是：在不损害信号所含信息的条件下，使信号和干扰能共存。实践证明研究某一行业的EMC问题对其在科技、经济、环保、贸易等各方面都有重要的现实意义。世贸组织（WTO）在WTO/TBT协议中规定了认证制度，即所有贸易产品必须按国际标准或按签字国的技术法规与标准，经获认证资格的规范的实验室测试予以认证。对于电气产品，欧洲早已采用CE为市场准入标记，美日等国也有类似的做法。机车车辆、供电设备及铁路通信信号设备均是我国外贸的重要项目，城市轨道交通设备更是重要的进口商品,所以如何做好EMC相关标准的制定以及实验室认证是一件重要的工作。在我国城市铁路大发展的今天，这方面的工作更应引起重视。至于城市铁路系统对城市电磁环境的影响也应得到应有的关注。
二．城市轨道系统EMC的特殊性
城市轨道运输工程，从小至一个部件，大到一个复杂的子系统（如车辆、供电 信号等系统），更大到整个城轨系统工程，对内对外都有EMC问题，这除了必须研究分析做好各子系统的自兼容工作外，还要对整个系统工程及其环境进行研究、测试、监控，使他们都能在预定的电磁环境下正常工作，也就是既不对相邻设备和系统构成严重的干扰，也不会因相邻系统/设备的干扰而降低工作能力，更不致污染城市的电磁环境。
但实际情况是，在城轨运输系统中，EMC问题远不及其他专业那样成熟，这不仅因为它是一门边缘的新学科，而且更多是由于它自身的复杂性，因为电磁干扰经常是随机的、多变的，干扰的时域波不规则，频谱也很复杂，铁路沿线是大量的分布参数， 有的干扰源是不断移动的等等。这种结构布局使电磁干扰从理论上分析清楚是极为困难的。
城市轨道运输系统与干线铁路系统有很大的差别，它们的供电电流制不同，电压、电流都不同，车辆及供电的工作方式不同，周围环境对系统的要求也不同。虽然干线铁路的EMC工作开展的较早并且卓有成效，但也只能作为参考。
综上所述，可见这方面的工作应更多依靠测试，运用统计概率方法，即以大量试验数据作为分析判断的依据，这方面的工作是国外这个专业技术人员的重要业务内容。
三．MC工作的内容
从整体上来说，EMC技术包括EMC管理，EMC预测分析，EMC设计及EMC测试4项内容，他们涵盖了众多的学科。
国外城轨系统的EMC管理是一项在不断努力加强的制度化工作，各相关部门中都有EMC专业人员，他们根据电磁环境所提出的要求制定出EMC大纲作为最高的EMC管理文件，以其约束和监督各子系统的EMC动态，并且根据城市轨道系统的实际状况选用和制定符合实际的EMC标准，确定各子系统及设备的EMC验证要求，制定试验计划等。此外在日常工作中对关键技术参数的测试也是其职责之一，如德国公交协会标准VOV6.030.5和VOV6.325.2中均已对城轨接触网中的谐波含量作了规定，但近年来由于广泛使用VVVF车辆，谐波成分有了变化，虽然车辆上使用滤波器对相关频率进行了抑制，但对影响行车安全的轨道电路中谐波成分仍坚持要进行必要而经常的监测，特别是对敏感的信号装置，如列车自动停车感应装置等。
EMC管理的另一项任务就是协调各相关设备/子系统间的EMC标准，主要是协调干扰量值与抗干扰值间的关系。现在的趋势是所允许的干扰值与抗扰值之间的距离日趋缩小，协调的准则无疑是经济与安全因素的平衡。由EMC治理实践人们认识到，一般来说提高受干扰对象的抗扰能力比起过分削弱干扰源的干扰量易于做到而且相对经济合理。出现EMC问题，当然首先应考虑谁污染就治理谁，但如果实施过分就不仅超出了经济的合理性，而且有时会限制先进技术的采用，也不符合“兼容”的初衷。
EMC预测，简单地说就是在做任何一件技术工作之初都应考虑EMC问题，在增设、改进、重建某一设备/子系统/系统工程时都要清楚其电磁环境，初步估计项目建成后对人对己会产生什么影响，例如按欧洲标准EN50121-3-1(铁路应用-电磁兼容-机车车辆-列车与完整的车辆2000。9版)规定，车辆电气设备在0。15MHZ—1GHZ频段内应有20V/M电场强度的抗干扰能力，但是德国标准DIN40839(汽车的电磁兼容)却告诉我们，如果机车车辆在MW级无线电台及导航设备附近，仅按常规与其相距几十公尺甚至几百公尺都可能会大于这个电场强度。
城轨系统中存在形形色色的电磁干扰，如牵引回流电流与轨道电路电流在钢轨上产生电导性耦合。牵引变电所整流变压器连接形式的变化可能使其脉波数（谐波含量）改变，当某些会干扰轨道电路的谐波分量又恰恰未被车辆的滤波器阻塞，则干扰产生了。但如果一开始就做EMC预测，只需采取简单的EMC设计，或是加装简单的滤波器，或是改变连接方式，问题就解决了。又如低地板轻轨车辆，为了降低地板高度而将一些电气设备由车下改装到车顶，这在EMC观点来看未必可取，至少应该做好敏感的牵引电器的屏蔽与隔离工作，以减少近距离接触导线的电场、磁场和受流干扰的危害。再如，目前车辆变流器中的电力电子器件大多已由GTO(可关断可控硅整流器)改换为IGBT(隔离栅双极晶体管)，这在技术、经济上无疑是个进步，但从EMC角度来看，两种半导体器件有不同的特性，因此采用了不同的抑制干扰措施，GTO变流器重视屏蔽，而IGBT变流器应是更看重滤波器的设计，这样才可减轻对车内外的干扰强度。
由以上各例可以看出，如能重视EMC预测（最好再有一些试验相配合），对项目的结局有个基本正确的估计，那么下一步（EMC设计）并不困难，大多数情况使用的仍是传统手段，如屏蔽、隔离、滤波、接地及使用EMC密封材料、光纤器件等措施，还有不少工艺上的做法也都方便而有效。从国外经验来看，约有80%的干扰问题可以在产品/系统的开发及EMC设计过程中解决，如果未引起重视，完工后将会花双倍以上的力气去治理EMC问题。
理论上来说，城轨交通系统是一个运行在闹市周边地区的直流电气牵引系统，他以其宽频谱、各种骚扰途径（传导、感应、辐射）俱全的特点恶化（或说污染）了所在的电磁环境。杂散电流除腐蚀地下管线外，还会在接地的通信设备机架上形成高电位，危及设备和人员的安全，杂散电流使通信导线与附近大地形成电位差。受电弓（靴）产生的电猝发与浪涌成为城市杂波的重要组成部分，对附近的信息设备和精密仪器造成骚扰，接触导线还是车辆内高次谐波的发射天线，幅射污染了近距离的电磁环境，VOV和CISPR（国际无线电干扰特委会）都对距离接触导线10M处的无线电干扰场强给出了限值，这一点对于市区内的各种电车尤其值得重视。但正如本文开始所述，对这些问题能做出令人信服的定量的解释还是只能依靠EMC试验。
四．一次EMC的现场测试
前述各例多为城铁系统内各子系统间的EMC事件，下面介绍城轨系统工程作为干扰源对周围环境的一次干扰实测情况，以供我们借鉴。
德国乌珀塔尔技术研究院腐蚀保护与电气工程实验室受联邦运输部委托，对柏林等五个德国城市的城轨铁路路边、街巷、医院、牵引变电所等几十个测量点的电场、磁场强度以及干扰频谱状况进行了测量。并于1998年9月写出了研究报告。限于篇幅，这里仅介绍一下几点：
1．城轨沿线的主要干扰源是沿途的电力电缆、接触网及杂散电流。除在变电所内有较强的电场强度外，其余各处均以磁场的干扰形式为主。
2．沿途最易受干扰的对象（敏感设备）是电视机、电子计算机显示器以及光栅电子显微镜、离子探测器、质谱仪等科学仪器。电视机和显示器在大于10μT恒稳场中或大于0。5μT的低频场中图像就会产生扰动。等离子电视机和L CD显示器优于普通电视机和显示器，大尺寸屏幕比小屏幕更易受到干扰。光栅电子显微镜等一些高分辨率科学仪器在0。1μT恒稳磁场中就会受到干扰，即使离开铁路100m也依然如故 。
3．电力电缆埋设深度仅影响近距离（小于5m）磁场的测量结果，超过此距离后，恒稳磁场的磁密变量仅与距离成反比，在距电缆20m以外时，磁密将小于10μT /KA，而且电缆距钢轨越近这个数值越小。
4．接触导线（轨）与回流的运行轨越接近，对外的恒稳磁场干扰越小，当有其他运行轨协同回流时，对外干扰量就会加大。在尽头线处两者电流差值近于零，因此测得的对外磁密干扰量就非常小，概括地说，在距轨道中心线的距离大于接触导线高度情况下，磁密干扰量与这个距离的平方成反比。
5．当杂散电流小于25%运行电流时一般对沿线的工业、民用电子设备不会造成附加的干扰，但对于高灵敏度的医疗、科研仪器可能使其功能下降。试验工作者曾在一条单线铁路上，距轨道中心100m处，当无杂散电流时测得接触导线电流的干扰量为0。12μT/KA,而有25%比例的杂散电流时，此值为0。5μT/KA，甚至距200m远处仍有0。25μT/KA的干扰量。
6．交流磁场的干扰量主要来自交流动力电缆及其他形式的干扰源，来自车辆的高频干扰在短距离内即被衰减。交变磁场的频率主要有50HZ、16.7HZ、300HZ以及他们的各次谐波，他们分别是公用供电频率、现场附近德国老式干线电力牵引用的供电频率以及变电所整流后的谐波频率。
7．变电所内的测试点是在牵引变压器或整流器的上方或前方，恒稳磁场的最大值是60μT/KA。交变磁场最大值是13μT/KA，其中50HZ成分约占60%，而250HZ 、300HZ 、350HZ 及600HZ 成分各占总信号的1～16%不等，更高频率成分仅占1％～2%。此外，在相同测试点上还对交变电场进行了测量，其中最高值为6。8V/m，50HZ场仍为主要成分。
8．报告作者对比了多个欧洲标准和德国标准后，认为就试验结果而言，可以说德国的城市轨道工程，除对一些高灵敏度的科研设备有干扰外，并不会严重污染电磁环境，更不会危及人类的健康和安全。相比之下，城铁工程内部各子系统、各设备间的EMC问题显得更为突出和重要。
9．由于重要的专业标准EN50121（铁路的应用—电磁兼容）和IEC/TC9组织至今未对恒稳场和低频场（0～9KHZ）问题给与充分的注意，仅称作“其发射限值仍在拟定中。”正是因为没有标准规范的试验条件、测试设备及手段、分析方法、结果评价等要素的支持，因此这份报告的结论仅能作为德国政府的施政参考而已。
参考文献

1．高攸纲等：电磁兼容理论与应用技术丛书。（第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ册）北京邮电大学出版社。
2．郝 裕：电磁兼容与欧洲系列标准EN50121。 电气牵引，2001。2
3．Joerg Amler :Elektromagnetische Beeinflussung bei Nahverkehrsbahnen. eb88(1990).
4．Gerhard Zimmer :Unterschiedliche EMV-Eigenschaften von IGBT-und GTO-Umrichtern.
A&D GT6, Siemens AG, Erlangen.
5. Technical measurements of the electromagnetic fields near DC Mass Transport Systems.
Research report FE- №70506/96.