磁兼容與系列歐洲標準EN5121

1、電磁兼容與系列歐洲標準EN50121電氣牽引2001年第2期(總第102期)電磁兼容與系列歐洲標準EN50121湘潭電機股份有限奔司(411101)郝?！菊看蠊β逝c徽電子設備同時共處在牽引電氣設備中,使干擾與被干擾問題突出.在整個鐵路系統(tǒng)中電磁兼窖問題更是不容忽視未雨綢纓早做準備是處理這一問題的最好辦法.【關(guān)t詞】電磁兼容電氣牽引電磁發(fā)射與抗擾度l刖再隨著科學技術(shù)的發(fā)展,日益廣泛采用的微電子技術(shù)和電力設備正在深入人們的生產(chǎn)與生活,電磁能量在為人類剖造巨大財富的同時所形成的復所有電氣產(chǎn)品都必須通過電磁兼容檢測,不久第一套鐵路專用的關(guān)于電磁兼容的標準EN50121(包括6個子標準)在歐洲問世了

2、,它的各項限值都滿足或超過了89/336的要求.由于現(xiàn)代電力牽引的高速發(fā)展,使得在一個裝置內(nèi)形成了高電磁負荷能源器件或設備與低電壓小功率信息設備共存的局面,并2已成為一種普通現(xiàn)象,這就使得電磁兼容問題更加緊迫而復雜.其實,對于電磁兼容概念的理解,一般人并不困難,但對其進行分析計算以及測試又確實不太容易.同樣,在一項系統(tǒng)工程之初就注意這一問題并采取某些措施也并不困難,但是如果各部門(專業(yè))不了解,不重視,以至組成整體裝置或鐵路系統(tǒng)后就有可能出現(xiàn)嚴重后果,到這時再修修補補不僅部門問出現(xiàn)扯皮推諉而且改起來既掘困難也不一定徹底.為此,在系統(tǒng)(或產(chǎn)品)設計開始階段和在設備的招投標階段就要明確電磁兼容的要

3、求.按目前所掌握的技術(shù)手段治理電磁干擾問題雖然不能全部達到標準(如EN50121)的要求,但在目前國情條件下仍可能被接受.從各電工行業(yè)經(jīng)驗來看,對電磁兼容問題越早重視,產(chǎn)品在這方面的成本就越低,想來電力牽引行業(yè)也應是如此.2鐵路系統(tǒng)電磁兼容鐵路系統(tǒng)內(nèi)存在形形色色的電磁干擾,起因也各不相同,例如牽引回流電流與軌道電路電流在鋼軌上的電導性耦臺,如軌道電路電流發(fā)生無序變化則可能導致信號顯示系統(tǒng)的紊亂,很多情況都有可能產(chǎn)生這一結(jié)果.電氣牽引2001年第2期(總第102期)當變電所整流器的某次諧波頻率與軌道電路工作頻率相同時,如果此時電力機車對這一頻率又呈低阻抗就會出現(xiàn)對軌道電路信號的干擾.又如軌道上運

4、行的列車,它的車軸短路了所在的軌道電路,正常的結(jié)果是檢測出了列車的存在,但是車上的干擾發(fā)射(如各種變流器產(chǎn)生的)也可能會作用到同一個軌邊檢測器上使它又返回軌道空閑(即前方無列車)狀態(tài),發(fā)出錯誤信號,這樣就出現(xiàn)了我國古戰(zhàn)場小說中所描繪的前方”虛虛實實令人費解的場面,使司機,信號及調(diào)度人員無法正常工作甚至出現(xiàn)事故.此外在列車上大功率長距離的高頻電路也可能產(chǎn)生這個效果.當然軌道電路本身可以采用頻率,時間的各種編碼來減少這種現(xiàn)象,但從源頭上杜絕仍在于機車車輛,供電設備對產(chǎn)生電磁騷擾的自律以及相應標準的限制.在整個電氣化鐵路系統(tǒng)中,通信與信號設備是易受干擾的弱勢群體.在機車車輛內(nèi),列車總線,車廂總線,電

5、力電子器件的門控電路及其他各種信號電路既是弱勢群體,同時也是車輛的中樞神經(jīng),對它們要嚴加保護使其有盡量高的抗擾能力,有這些部分的產(chǎn)品都應作抗擾試驗(見后面EN50121一】及EN5O12132)增強抗干擾能力的技術(shù)手段很多,有的似乎”老生常談(如屏蔽,隔離,濾波,接地和使用EMC密封材料等措施),但根據(jù)經(jīng)驗,真正,認真地做到了這些即可解決大部分問題.另外可用光纖或雙屏蔽線,注意通信線路中合理的阻抗匹配,盡量減少傳輸上的干擾(如盡量少用接插件,提高焊接質(zhì)量等),布線力求講究,盡量按有關(guān)標準布線,使用的關(guān)鍵軟件要有自恢復能力,即受強干擾后能自動恢復功能,使用抗干擾能力強而且穩(wěn)定可靠的電源等等也都是

6、值得注意的事項.對于機車車輛設計來說,任何設備的方向,位置,參數(shù)的改變都可能意味著所處電磁環(huán)境的變化,例如,低地板輕軌車輛為了降低地板高度而將犬部分牽引電器和電力電子設備由車下改為放置在車頂,即從接近地磁場環(huán)境躍升到距接觸導線不足】m的距離,強大的電磁場可以想象,加之與受電弓距離縮短,電纜導線的感抗減小,也會使傳導的干擾量大增,若元慎重的措施對于各種變流器等設備的確是重大的威脅.又如變流器的頻率也不可隨心所欲,機車車輛的輸入阻抗和濾波參數(shù)也不可任意改動,如要更改則要通知信號,通信及供電等左鄰右舍,協(xié)商后再改動.在一個共同的電磁環(huán)境中,任何以鄰為壑的作甚最后都將證明是害人害己的.對于與鐵路外更大

7、的電磁環(huán)境問的關(guān)系也是如此.3鐵路應用一電磁兼容系列歐洲標準EN50121下面首要介紹系列歐洲標準EN50121六個部分的內(nèi)容.3.1EN50l211鐵路應用電磁兼窖一一第1部分:通則該標準對鐵路上電磁兼容問題進行總體敘述,它規(guī)定了整體實施標準,并對鐵路基礎設施與運營之間達到電磁兼容提供了管理方法.這個標準對鐵路電磁發(fā)射的處理是將整個鐵路對外部環(huán)境視為一個整體,也就是說工作在鐵路內(nèi)的設備的電磁發(fā)射與抗干擾性能必須與作為一體的鐵路各項限值相容.本標準包含的頻率范圍是由直流到400GHz,但目前對高于1GHz頻率的測量尚無定義,故僅適于1GHz以下的情況,本標準全面考慮抗擾能力,使鐵路本身設備與路

8、外設備發(fā)射的電磁干擾得到合理的抑制本標準對由路內(nèi)向路外的電磁發(fā)射也規(guī)定了限值.一般來講,對某個電機,電器或電子設備的電磁兼容試驗,其結(jié)果是否符合實際要】3電氣牽引2001年第2期(總第102期)求是一個比較復雜的I可題,很難有精確定量的標準,為此根據(jù)歐洲標準EN6lO0o一62(EMC工業(yè)環(huán)境下的抗擾性)制定出了性能判定的A,B,C三個級別,產(chǎn)品翻造商可根據(jù)試驗結(jié)果在試驗報告中決定被試驗設備符合哪一個級別:性能判定A級:被試驗設備在試驗中和試驗后都能在所期望的技術(shù)條件下運行,如有性能下降和功能失效也不應低于規(guī)定的性能水平.性能判定B級:被試設備在試驗后仍能在所期望的技術(shù)條件下運行,如有性能下降

9、和功能失效也不應低于規(guī)定的性能水平.但被試設備在試驗中可允許性能降低,其實際的動作狀態(tài)和存儲的數(shù)據(jù)不允許改變.性能判定C級:允許在試驗中暫時失去功能,但通過控制系統(tǒng)的操作可使被試設備自動恢復或重建功能.此外,如被試設備在試驗中處于危險或不安全狀態(tài)則不同于上述各判定級,而被認為沒有通過試驗在這個標準中還強調(diào)了電磁兼容的管理工作,它指的是在各種擁有大功率電磁容量的綜合設備中如何保證在有限空間,嚴酷工作環(huán)境下的正常工作,并能保證對其他設備(如信號通信裝置)的干擾能在允許的限度內(nèi)為此應有一系列電磁兼容的管理計劃(如各種規(guī)章制度及技術(shù)條件等)以使鐵路系統(tǒng)內(nèi)各種裝置,設備能在同一電磁環(huán)境中和諧工作.本標準

10、附錄B對列車經(jīng)營者與基礎設施主管入之間在電磁兼容問題上如何各負其責,如何判別故障,如何評估危險及如何劃分法律責任等都有原則性的規(guī)定.在電牽引系統(tǒng)中,通常的干擾耦舍機制也都存在,它們是靜電耦臺,電容性耦合,電感性耦合,傳導性耦合和電磁輻射5種形式.各種設備的抗干擾能力主要面對低額與高頻的傳導和低頻與高頻的輻射現(xiàn)象的考驗談及鐵路內(nèi)部的電磁干擾源,它們可以】4是靜止設備(變電所,架線都是高低頻電磁噪聲源),也可以是移動設備(電力機車,多節(jié)電動車組,內(nèi)燃機車,輕軌車等).對于后者,產(chǎn)生干擾發(fā)射的原因可能是:使用如GTO和IGBT等大功率半導體可控器件,它們在變換電能形式的同時也產(chǎn)生了直接輻射或通過供電

11、網(wǎng)的間接輻射,這時的架空線猶如一付天線.車上的各種輔助設備,輔助變流器也具有較大的功率,也是電磁干擾源受電弓與接魅網(wǎng)及集電靴與接魅軌聞滑動受流會產(chǎn)生連續(xù)的短電弧,它們也起射頻干擾源的作用受電弓的升降及車上斷路器的開閉會產(chǎn)生電弧與瞬變現(xiàn)象.鐵路系統(tǒng)以外的電磁干擾源有:相鄰鐵路系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾路邊的大功率無線電臺,各種雷達設施,工廠等.鄰近的電力架空線的工頻干擾.列車上靠近敏感部位的便攜式發(fā)射裝置(手機等).3.2EN501212鐵路應用電磁兼窖第2部分:整個鐵路焉I統(tǒng)對外部環(huán)境的電磁發(fā)射這個標準規(guī)定了整個鐵路系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁發(fā)射的限值,講述了各種電磁發(fā)射量的測量方法,并給出了常用的場強限值.標準中先

12、繪制了整個鐵路系統(tǒng)在不同接魅網(wǎng)電壓下,不同頻段內(nèi)對外界發(fā)射的電場,磁場強度限值允許曲線,接著又分別列舉了牽引變電所,供電網(wǎng)路,接魅網(wǎng)系統(tǒng)以及機車車輛的電磁發(fā)射限值,其中對運行列車產(chǎn)生電磁發(fā)射的測量講述得尤為詳盡,盡管有些內(nèi)容對目前我國國情來講似乎是超前的,但從發(fā)展觀點來看對其有所了解并及早采取相應對策是必要的,特別是在城市環(huán)境中對電磁兼容問題敏感的輕軌車輛,更應是未雨綢繆早作準備.電氣牽gI2001年第2期(總第102期)3.3EN5012131鐵路應用電磁兼容第3.1部分:列車與完整的車輛在該標準的前言中寫道:”大功率電力電子設備與小功率微控制器和其他電子設備共同安裝在列車內(nèi),電磁兼容因此成

13、為車輛設備和整個列車設計的關(guān)鍵問題,為在預定的環(huán)境中能有一個卓有成效的系統(tǒng),機車車輛應對電磁發(fā)射和抗擾性能在產(chǎn)品標準中規(guī)定出各種限值”.與電磁發(fā)射情況不同,抗擾度限值不是以整車形式給出的,而是對機車車輛上各設備分別提出的(見EN5012l一32),這樣規(guī)定只是為了便于測試,例如它規(guī)定設備在O.15MHz-IGHz額段內(nèi)應有20V/m電場強度的抗擾度,如能做到,則估計在組裝成整車后仍能有足夠大的抗擾能力.對于整車發(fā)射,繼EN0l212之后又作了深入敘述.對與信號系統(tǒng)(軌道電路,計軸器及ATC等),與通信系統(tǒng)(數(shù)字及模擬系統(tǒng))的兼容也提出了原則性意見.對列車輻射電磁騷擾的試驗條件,試驗設備與程序也

14、都有詳述.3.4EN5012132鐵路應用電磁兼容第3.2部分:機車車輛一設備這個標準具體規(guī)定了應用在機車車輛上的電氣,電子設備的電磁發(fā)射與抗擾性能,除各項限值外,對試驗方法與要求也作了敘述,此外,對車內(nèi)外的環(huán)境都作了統(tǒng)籌的考慮.對電磁發(fā)射的要求是這樣的:應確保設備在車輛內(nèi)正常工作時不產(chǎn)生超過某一水平的騷擾量,如達到這一水平時其他設備的正常狀態(tài)將會受到影響.同樣,對于抗擾度的要求是確保機車車輛上的設備能正常工作應有足夠的抗干擾能力.為對電磁兼容的敘述及測試的規(guī)范一致,選用”端口”一詞作為考核的測試點,簡言之,端口就是設備與外部環(huán)境(電磁場,電路)的界面或接口(見圖).如圖中的”外殼端口”是外部

15、電磁場與設備間的物理邊界,在這里設備受到電磁場的輻射或照射.AC/DC牽引電薄j崮口AC/DC輔助電源端口蓄電池相關(guān)端口外殼端口接地端口信號與通信螭口過程.測量與控制|岢口設備制造商提供的電磁兼容試驗報告中應有設備的功能敘述并確定出它的性能判定級別(它是以EN501211中3級判定級為依據(jù)的).本標準對圖中所示的主要端口都有相應電磁發(fā)射的顙率范圍,限值及性能的規(guī)定,同時也有對抗擾性能試驗項目,判定等級和嚴酷度(即設備應能經(jīng)受的試驗環(huán)境條件)的規(guī)定.在附錄A中列舉了機車車輛上17種典型電氣電子設備應采用的測試端口.3.5EN501214鐵路應用一一電磁兼容第4部分:信號與通信設備的電磁發(fā)射與抗擾

16、性本標準是對機車車輛外的信號,通信設備制定的,它對這些設備同樣制定了電磁發(fā)射和抗擾性能的限值.對于發(fā)射,沿用EN501212(EMC通用發(fā)射標準一第2部分:工業(yè)環(huán)境)標準,而抗擾性能的判定仍按EN50l211的劃分級別原則.在進行試驗時也可用逐個端口進行試驗,標準中詳述了試驗方法,所需條件,設備及試驗結(jié)果的分析方法等.3,6EN501215鐵路應用電磁兼容第5部分:固定供電裝置與設備的電磁發(fā)射與抗擾性與機車車輛情況相似,供電裝備對內(nèi),外都有電磁發(fā)射現(xiàn)象,因此變電所內(nèi)控制保護電路及變電所外的通信,信號裝置以至機車車輛都應對其有一定的抗擾能力;此外變電所的非牽l用選的供電也會夾雜進牽引供電產(chǎn)生的電

17、磁噪聲,對其用戶也應有所了解.抗干擾性能應包括對射頻,靜電,工顙干擾及瞬態(tài),猝發(fā)及浪涌干擾的抗擾能力.在網(wǎng)路】5電氣牽引2001年第2期(總第102期)IECTC9第41屆年會在意大利佛羅倫薩召開IECTC9第41屆年會已在意大利佛羅倫薩召開參加會議的有中國,日本,加拿大,英國,法國,德國,意大利,瑞士,瑞典,丹麥,挪威,芬蘭,捷克,斯洛伐克,南斯拉夫,印度尼西亞,阿根廷等l8個國家的58位代表會上,TC9討論了各國的意見,并在中國的提議下成立了一個特別工作組,于10月18日討論并修改了IECTC9的名稱,工作范圍和發(fā)展方向,將TC9的名稱由”鐵路電氣設備(ElectricRailwayEqu

18、ipment)”改為”鐵路電氣設備與系統(tǒng)(ElectrieatEquipmentandSystemsforRailwqys)”,同時相應修改了技術(shù)委員會的工作范圍,并補充了越來越受到關(guān)注的生態(tài)環(huán)境等方面的標準化工作內(nèi)容會議共討論了73個文件,形成了20項決議,內(nèi)容涉及IEC/TC9行政管理,聯(lián)系與臺作及列車通信網(wǎng)絡,電磁兼容性,變流器,旋轉(zhuǎn)電機,斷路器等多個領(lǐng)域.電磁兼容和機車電氣設備電磁兼容試驗電磁兼容性是指設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力因此,設備的電磁兼容性主要包含了兩方面的內(nèi)容,即設備向周圍環(huán)境的發(fā)射特性(EMI)及設備的抗擾度水平(EMS).根據(jù)歐盟鐵路機車車輛用電氣設備電磁兼容標準ENV50l2l一32的要求,一般車載電氣設備應完成7項電磁兼容性試驗:電磁輻射騷擾特性的測量;電源端騷擾電壓的測量;射頻電磁場輻射抗擾度;射頻場感應的傳導騷擾抗擾度;靜電放電抗擾度;電快速瞬變脈沖群抗擾度;浪涌(沖擊)抗擾度中共模傳導的干擾很重要,變電所整流裝置產(chǎn)生的高次諧波(在脈波數(shù)較小情況),接觸網(wǎng)中牽引電流突變產(chǎn)生的感應電壓及短路電流等都會對鐵路系統(tǒng)中各部分構(gòu)成騷擾.標準中對試驗情況有詳細的敘述,所應用的性能判定指標仍為FN5012ll中規(guī)