变流技术与电力牵引４／２００１
｜｜｜｜｜誊｜｛｜；｜萎霆型搿引矧撼攫曩ｌ
圜薰鬻糕蒸ｉｉｌ
引圳Ⅲ川川ⅢⅢⅢ珏琳琏翔ｉⅢ；；
铁道机车车辆的电磁兼容性（一）
Ｈ．Ｊ．Ｈｕｍｂｅｒｔ等
（德）
【摘要】由于种种原因，近年来对铁道技术的电磁兼容性（ＥＭＶ）的要求越来越高，为此开发了铁道机车车
辆ＥＭＶ设计方案，以达到减小干扰辐射和提高抗干扰性能的目的。测试结果表明这些措施是有效的。文章概述
了有关铁道机车车辆和ＥＭＶ的基本情况。
关键词：
电磁兼容无线电干扰抗干扰性测量机车车辆
分析和进一步说明，虽然它们未针对铁道机车车辆的
１
引言
近年来由于所使用的技术迅猛发展，对铁道技术
实际情况，但这是分析所有铁路特殊情况的基础。２．１起始情况
所谓电磁兼容（ＥＭＶ），是指电气或电子装置在其所处的环境中能发挥令人满意的功能，同时不对这种环境产生不允许的干扰。这适用于与其本身无关的外部环境中的整个设备（外部的ＥＭＶ）、相互有关的装置或设备部件（内部的ＥＭＶ）以及一个装置中的组件和子部件（装置内部的ＥＭＶ）。不仅要分析干扰发射，而是还要分析装置的抗干扰性。图１是基本情况。
为保证电磁兼容性，首先要了解可能的干扰源及由它产生的干扰现象和到干扰对象的传播途径。只有充分掌握了干扰对象中干扰量的作用，才能制订合适的措施，并能在干扰源或针对干扰对象实施这些措施，或者用这些措施去影响传播途径。这些措施绝大多数
的电磁兼容性要求日益提高。采用了微处理器的牵引、制动及列车的控制装置以及分布在全列车上的数据总线系统，都更重视控制部分的抗干扰性。由于机车车辆的牵引和辅助驱动采用很大功率、很高的电压和电流上升率以及极高的开关频率的现代变流技术，从而大大地提高了功率部分的干扰电势。
机车车辆中设备的安装面积很有限，这一方面迫使控制装置和功率部分靠得很近，另一方面也使功率部分和通信与信号装置靠得很近，因此，导致对铁路技术电磁兼容性有特殊的要求。
除了这些取决于机车车辆及其部件的功能和工作方式的ＥＭＶ要求外，从１９９６年１月１日起德国还必须遵守欧洲共同体的ＥＭＶ法规（ＥＭＶＧ）。欧洲标准ｐｒＥＮ５０１２１（（铁路用电磁兼容性》的３—１和３—２部分，规定了机车车辆抗干扰和干扰辐射的技术要求。
为满足这些要求，在分析、试验和多年经验的基础上开发了铁道机车车辆的ＥＭＶ设计方案，它包括减小与传导和磁场有关的干扰发射，以及提高机车车辆及其部件抗干扰的措施。这些措施涉及到机车车辆的接地、外壳、屏蔽、滤波、电缆敷设和设备布置。此外，还包括从测量上证实标准和法规的执行、电磁兼容措施的有效性以及与信号和通信设备的兼容性。
下面将概述有关铁道机车车辆和ＥＭＶ的基本情况，其目的不是讨论实际的ＥＭＶ问题。
对接地、屏蔽、滤波、线路和电缆铺设起作用。
———・－———－－－－－—－－－■’
．．．．．．．．．．．．．—．．—．Ｕｍｇｅｂｕｎｇ
嘴器篙豁⑤
图１外部和内部的ＥＭＶ
①装置；②设备；③内部ＥＭＶ；④环境；⑤干扰发射、抗干扰
２．２传播途径
２
ＥＭＶ的基本原理掌握ＥＭＶ的关键是知道干扰传播途径。这对于消除干扰源的干扰、提高受扰对象的抗干扰性以及衰减从干扰源到受扰对象途中的干扰量是必不可少的。
万方数据 下面将对ＥＭＶ的基本概念及其相互关系作一般
铁道机车车辆的电磁兼窖性（一）变流技术与电力牵引４／２００１
原则上有４种干扰传播途径，它们使干扰源和受干扰对象耦合，因此可将这些传输途径称为耦合（图２）。
电詈莹娶合≥匝
电容性耦合、电耦合—多Ｌ＝∑二—二二＿
辐射耦合７
图２干扰传播途径
电容性耦合是借助电场的耦合。它只在几厘米的邻
近范围中起作用，首先是平行铺设的电缆。因为这里电缆之间以及可能的干扰源和受扰对象之间的电容特别大。
电感性耦合是通过电磁场的耦合。线匝中的电流产生磁场，它在其他线匝中又感应出电流和电压。
电耦合是通过各种电的连接，也就是通过干扰源和受扰体之间的导电连接线而产生的。这里还应考虑到通过外壳接地线、安全保护引线和电位均衡导线的连接。
辐射或电磁耦合是通过电磁场的耦合，它来自无线电广播和移动无线电，这是大家熟悉的。
２．３干扰现象
可根据干扰现象来划分电干扰量的等级，该划分是按干扰源中产生干扰量的物理过程来进行的。所有标准和测量规则均以干扰现象为基础和在相应的试验中模拟这种干扰现象。在抗干扰性试验中使用能产生准确定义干扰量的发生器。进行干扰发射试验时除要考虑干扰现象外，还应考虑到可能对受扰对象的影响。
这里将干扰现象分成对装置抗干扰性起重要作用的干扰现象，以及在干扰发射时应分析的干扰现象。２．３．１抗干扰性
对于抗干扰性有重要作用的最主要干扰现象是：（１）突发的干扰现象。如在很高电压时断开机械触头产生的快速瞬时干扰脉冲；机车动车主断路器的触头闭合时也会出现这种效应。在开断机械开关时，开关上的感性负载和馈电线上的电感使触头上的电压陡峭升高，导致电火花。电压崩溃，电火花又立即熄灭。这种过程可能在几毫秒时间内重复出现成百上千次，一直持续到触头完全断开和不再出现闪烙电压为止。这种干扰脉冲可通过容性耦合到相邻的平行导线上去。机械触头上的电压可达４ｋＶ，平行导线上的电压可达
１
ｋＶ。这些脉冲群的蓄能小，由于陡峭的脉冲前缘的
上升时间约为５ｎｓ，所以脉冲群的频谱最高达１００ＭＨｚ。如果这样的脉冲侵人数字电路，装置内部受干扰就不可避免。
（２）浪涌式的干扰现象。主要是大电流用电器具迅速断开时产生高能量的电压和电流脉冲。如迅速断万
方数据开极大的电流（例如熔断器烧断），引入线上的电感会导致一个电压或电流脉冲。相对来说，蓄能量大，有时会损坏用电器具，电压能高达４ｋＶ、电流高达２ｋＡ。脉冲上升时间为１弘ｓ～２弘ｓ，脉冲持续时间为２０ｐｓ～５０弘ｓ，而频谱最高约达１００ｋＨｚ。这种浪涌式的干扰脉冲主要是电耦合传播给馈电线的。
（３）静电放电。按环境和天气条件，人体静电充电可能高达８ｋＶ，一旦与导电部分接触，在极短时间内就放电，在不到１ｎｓ时间内电流增加到１５Ａ。这些脉
冲包含达几百兆赫兹的高频分量，蓄能量小。
（４）电磁场。主要是由无线电广播、电视发射台、手机和移动通信设备产生的很强的电磁场。频率范围从长波时的１００ｋＨｚ直到电网中的１．８ＧＨｚ。需估计的场强与距发射台的距离有关。在公众可达到的固定发射台范围内，以及距可移动设备通常＞２０ｃｍ的距离中，应考虑到最大电磁场场强为２０Ｖ／ｍ。２．３．２干扰的发射
对铁道机车车辆的干扰发射，主要是下列现象起重要作用。
无线电干扰场强：电子和电气部件产生的电磁场会干扰无线电广播、移动电话和小型便携式无线电台（例
如生产调度用的无线电和行政及安全部门用的无线电）的接收，或影响接收质量。这不仅涉及到路外设备，而且也涉及到铁路本身的设备。目前频率范围是１００ｋＨｚ
２
ＧＨｚ，估计今后这个频率范围会向上扩展。
对电网的反作用、干扰电流：牵引传动装置和辅助
驱动装置的静止变流器，由于功率部分中的电流和电压的重复开关，在向该变流器供电的电网中会产生干扰电流。这些干扰电流大多经钢轨和接触导线流回变电站，其频率从几赫兹到几十赫兹。它们干扰铁路范围中的信号装置和通信设备，尤其是干扰轨道直流电路、连续式列车自动控制和列车运行自动控制系统（ＡＴＯ）。除模拟电话线外，在铁路内都有这种影响。
电感性的干扰发射、磁场：向机车车辆提供的大电流、变流器和电动机或制动电阻之间极高的脉冲电流，以及由变流器电容性耦合到接地系统的杂散电流，都
会在钢轨中和现代机车车辆底架中产生磁场。原则上
这种磁场会干扰所有电感性工作的通信和信号系统，
例如干扰车轴计数器、连续式或点式列车自动控制系
统和欧洲自动控制系统的信标及其他等。
３铁道机车车辆的ＥＭＶ
３．１一般
近年来由于现代化机车车辆的牵引传动和辅助驱
变流技术与电力牵引４／２００１铁道机车车辆的电磁兼窖性（一）
．
１３
动装置采用了计算机辅助控制和静止变流器，电磁兼容（ＥＭＶ）问题显得越来越重要。
保证铁道机车车辆的内部电磁兼容及其与铁路内、外环境相容性的措施，基本上与一般工业设备所采用的措施相同，所用的部件大都与自动化和传动技术中所用的部件和组件相同，甚至是完全一样的。根据环境提出的要求也大体相同。
但是铁道机车车辆的ＥＭＶ有它的一些特殊性。与其他工业设备中的完全不一样，至少不能用同一尺度来考虑。这些特殊性也必然会影响所用到的ＥＭＶ设计方案。
３．２机车车辆上的特殊性
在对现代机车车辆的ＥＭＶ要求中，必须考虑下列边界条件。这些边界条件对绝大多数工业设备甚至是无关紧要的，至少可以说是次要的。
最主要的一个区别是机车车辆是运动着的。它们的运行要越过大城市、一个国家甚至整个欧洲，它们不得干扰沿线的周围环境，或者不得干扰其自身。因为不可能按照ＥＭＶ的观点，对沿线整个环境进行研究，而且这些环境可能是不断变化的，所以与固定的工业设备不同，铁道机车车辆的ＥＭＶ至少部分是按未知的环境条件来设计的。
也希望每一个人都能进入铁道机车车辆，这必然造成不断变化的且难以准确定义的环境条件。尤其是在车内使用可移动小型无线电台和手机时，更提高了对抗干扰性的要求。而在许多工业设备中，这是可以通过组织方面的措施来解决的。因为不能禁止装心脏起搏器的旅客乘车，所以必须考虑到车内有静电和低频磁场时对干扰发射的特殊要求。这对铁路来说就更困难了，因为受系统的制约，大功率牵引装置及其引入线之间的间距常常很小。
电力电子部件和电感性工作的信号或通信设备靠得很近，这对铁路又是一个挑战。ＧＴＯ变流器的电压上升斜率０．５ｋＶ／ｔｔｓ
１
ｋＶ／／Ｌｓ；ＩＧＢＴ变流器的达到
３
ｋＶ／ｔｔｓ
１０
ｋＶ／／ｕｓ。ＧＴＯ变流器电流上升率在３Ａ／
弘ｓ～３００Ａ／弘ｓ之间，ＩＧＢＴ变流器的在３０Ａ／ｔ．ｃｓ～６００
Ａ／／ｕｓ之间波动。变流器中间电路的电压在６００
Ｖ～
２．８
ｋＶ之间。在这些变流器及与其相连接的电动机、
变压器或制动电阻所有电缆布线的相邻范围中，信号设备应可靠地工作，其使用电平在几安和几毫安之间，或Ａ／ｍ～ｍＡ／ｍ之间。
在无线电通信网的功率较弱时，为保证可靠接收运行调度无线电，还要求车上接收装置的天线座处的最大允许干扰电平限制为一１０距控制装置部件和功率部件最多为３万
方数据ｄＢ／－Ｖ（ｏ．３弘Ｖ）。天线
ｍ～５Ｉｎ，有时甚
至还不到１ｍ。因此对部件在一些频率范围中的干扰
发射提出了极严的要求，这远远超过工业标准或欧洲
铁路标准ＥＮ５０１２１—３—１的ＥＭＶ标准的要求。
图３是机车车辆信号和通信系统示意图。
Ｌｉｎｉｅｎｌｅｌｔｅｒ⑥Ｆ：ｅｒｎｍｅｉｄｅｈＩｍＮ⑦
图３信号和通信系统
①机车车辆｝②运行调度用无线电天线Ｉ③车上的接收天线；④轨道中的接收天线；⑤轨道电路｝⑥线路导线ｌ⑦通信电缆
３．３机车车辆的ＥＭＶ设计方案
机车车辆电气设备的一般ＥＭＶ设计方案确定了与项目无关的基本规划和设计规则，以及部件和整台机车车辆应采取的措施。它们必须满足下述要求：
（１）机车车辆的所有部件应不受干扰地发挥其功
能；
（２）机车车辆与其路内、外环境应不受干扰地协调工作；
（３）遵守运营者特殊的ＥＭＶ要求；
（４）遵守有关抗扰性和干扰发射的法定标准；（５）确保人身安全。
根据自动化技术的多年经验和考虑到铁路的特别要求，制定基本的ＥＭＶ－设计方案。它考虑了对机车车辆的几乎所有部分的影响。它首先是对机车车辆控制部分和功率部分中的接地、外壳、屏蔽、滤波、信号传输、设备布置和布线产生作用。
在此基础上形成了控制部分中平面的外壳和屏蔽设计方案以及功率部分中平面的屏蔽设计方案。这与以前机车车辆上所用的星形的外壳和屏蔽设计方案是不同的。由于采用数字技术和微处理器技术，改变了的干扰源（首先是变流器）以及各式各样的受扰对象，都要求作出此变化。
平面的屏蔽设计能够有效地屏蔽低频磁场、高频电场与电磁场。加上控制装置中的平面外壳设计、控制装置和蓄电池之间的电位隔离以及各控制装置之间的电位隔离，因而能使电子装置具有与其环境和屏蔽相同的电位，从而显著地减少干扰耦合。
图４是外壳和屏蔽设计示意图。机车车辆的所有导
１４
铁道机车车辆的电磁蘩窖性（一）变流技术与电力牵引４／２００１
节拍干扰的灵敏性。图５是对控制装置的
①Ｐｏｔｅｎｚｉａｌｎ＇ｅｎｎｕｎｇ
Ｉ
＿ｒ
一些主要要求。
＼Ｌｉ箩Ａ・什・“・ｌ
Ｌｔ
Ｉ‘
首一
＼
山
１－
ｒ
按ＥＭＶ设计的机械和电气部分，通过今天几乎是唯一的数字信号处理和
、
传输方面的基本规定而得到完善。通常，模拟或数字数据尽快进行处理是绝对必要的，这就是说，将模拟部件限制在功能
ｔ
●
必要的带宽范围内。数字信号的处理原则上是同步进行的，反应时间应与必要
的物理条件相适应。能考虑到的是大部
件的温度时间常数、水平显示的最大变化速度、电容器的充电／放电时间常数。这样～些措施能明显减少监控装置的误动作和诊断系统中的错误的故障显示。
图４外壳和屏蔽设计示意图
①电位隔离ｌ②装置Ａｌ③蓄电池，④装置ＢＩ⑤屏蔽的数据总线ｆ⑥机车车辆外壳（车体中可导电部分）｝⑦屏蔽的信号发生器
电部分相互是电连接的。机车车辆外壳形成一平面的基准电位。所有装置和部件的箱体又与这个基准电位是低阻抗的连接，即低电感的和低欧姆的连接。这意味着尽可能是平面的或在尽可能多的部位相连接。所有
数据总线上使用协议规程是理所当然的。故障情况反
馈级和自动重新初始化的结构，能有效地缩短许多装
置的失效时间。
．
屏蔽至少应布置在两侧，它们应尽可能低阻抗地，也就
是平面地与可导电的装置箱体或与机车车辆外壳相连接。
控制装置的电子部件通过电位隔离的ＤＣ／ＤＣ变换器得电，在装置里面，次级的电子装置的外壳与作为控制装置屏蔽罩的箱体低阻抗地连接。如果要使一个装置屏蔽，那么该装置的各侧均需屏蔽。起屏蔽作用的所有部分相互必须是低阻抗的连接，与机车车辆外壳也必须是低阻抗的连接。
控制装置之间的每个通信部分必须是电位隔离的，所有具有蓄电池电位的二进制输入输出导线也就得到电位隔离。这些措施的目的是使电子装置和屏蔽之间的电位差尽量小，封闭的屏蔽罩结构是为了提高抗干扰性和减少干扰发射，以及避免不同安装位置的各部件之间的电的耦合。
在外壳设计的基础上，所有控制装置在蓄电池侧安装一个高频电源滤波器。这种高频电源滤波器在２０ｋＨｚ数１００ＭＨｚ频率范围中有足够的插入衰减。滤波器罩与装置的箱体必须是导电的且尽可能是平面的连接。因为有用信号和干扰信号的频率范围常常重叠，所以信号线和数据线通常不能滤波。为避免机械式开关开断时产生的过电压，所有继电器和接触器线圈、电磁阀等都应连接压敏电阻。所有滤波措施的目的是为了提高对传导干扰的抗干扰性和减少传导的干扰发射。
数据传输率高的所有数据总线系统对机车车辆外壳是自由电位和对称的结构，这样就明显降低了对同
译自（（ｅｂ））２０００，ＮＯ－ｌｌ～１２译者：王渤洪校者：黄济荣
（未完待续）
第二部分将介绍机车车辆、装置和部件以及电缆
图５
⑧盔‰⑨雠
控制装置上的措施，ＧＮＤ外壳
①蓄电池；②滤波器；⑧ＤＣ／Ｄｃ变换器｝④控制装置；⑤总线；⑥任选的滤波器｝⑦过压保护，任选滤波器｝⑧输入／输出导线；⑨信号发生器导线
布线方面的各种措施，并作进一步说明。
万方数据