磁兼容與系列歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN5121

1、電磁兼容與系列歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50121電氣牽引2001年第2期(總第102期)電磁兼容與系列歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50121湘潭電機(jī)股份有限奔司(411101)郝?！菊看蠊β逝c徽電子設(shè)備同時(shí)共處在牽引電氣設(shè)備中,使干擾與被干擾問題突出.在整個(gè)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(zhǔn)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(xué)技術(shù)的發(fā)展,日益廣泛采用的微電子技術(shù)和電力設(shè)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(cái)富的同時(shí)所形成的復(fù)所有電氣產(chǎn)品都必須通過電磁兼容檢測(cè),不久第一套鐵路專用的關(guān)于電磁兼容的標(biāo)準(zhǔn)EN50121(包括6個(gè)子標(biāo)準(zhǔn))在歐洲問世了

2、,它的各項(xiàng)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(gè)裝置內(nèi)形成了高電磁負(fù)荷能源器件或設(shè)備與低電壓小功率信息設(shè)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(fù)雜.其實(shí),對(duì)于電磁兼容概念的理解,一般人并不困難,但對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算以及測(cè)試又確實(shí)不太容易.同樣,在一項(xiàng)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(yán)重后果,到這時(shí)再修修補(bǔ)補(bǔ)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(shè)計(jì)開始階段和在設(shè)備的招投標(biāo)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)(如EN50121)的要求,但在目前國(guó)情條件下仍可能被接受.從各電工行業(yè)經(jīng)驗(yàn)來看,對(duì)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(yīng)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(dǎo)性耦臺(tái),如軌道電路電流發(fā)生無序變化則可能導(dǎo)致信號(hào)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(dāng)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(shí),如果此時(shí)電力機(jī)車對(duì)這一頻率又呈低阻抗就會(huì)出現(xiàn)對(duì)軌道電路信號(hào)的干擾.又如軌道上運(yùn)

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(cè)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(huì)作用到同一個(gè)軌邊檢測(cè)器上使它又返回軌道空閑(即前方無列車)狀態(tài),發(fā)出錯(cuò)誤信號(hào),這樣就出現(xiàn)了我國(guó)古戰(zhàn)場(chǎng)小說中所描繪的前方”虛虛實(shí)實(shí)令人費(fèi)解的場(chǎng)面,使司機(jī),信號(hào)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(zhǎng)距離的高頻電路也可能產(chǎn)生這個(gè)效果.當(dāng)然軌道電路本身可以采用頻率,時(shí)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(jī)車車輛,供電設(shè)備對(duì)產(chǎn)生電磁騷擾的自律以及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的限制.在整個(gè)電氣化鐵路系統(tǒng)中,通信與信號(hào)設(shè)備是易受干擾的弱勢(shì)群體.在機(jī)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(hào)電路既是弱勢(shì)群體,同時(shí)也是車輛的中樞神經(jīng),對(duì)它們要嚴(yán)加保護(hù)使其有盡量高的抗擾能力,有這些部分的產(chǎn)品都應(yīng)作抗擾試驗(yàn)(見后面EN50121一】及EN5O12132)增強(qiáng)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(yàn),真正,認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)布線,使用的關(guān)鍵軟件要有自恢復(fù)能力,即受強(qiáng)干擾后能自動(dòng)恢復(fù)功能,使用抗干擾能力強(qiáng)而且穩(wěn)定可靠的電源等等也都是

6、值得注意的事項(xiàng).對(duì)于機(jī)車車輛設(shè)計(jì)來說,任何設(shè)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(shè)備由車下改為放置在車頂,即從接近地磁場(chǎng)環(huán)境躍升到距接觸導(dǎo)線不足】m的距離,強(qiáng)大的電磁場(chǎng)可以想象,加之與受電弓距離縮短,電纜導(dǎo)線的感抗減小,也會(huì)使傳導(dǎo)的干擾量大增,若元慎重的措施對(duì)于各種變流器等設(shè)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(jī)車車輛的輸入阻抗和濾波參數(shù)也不可任意改動(dòng),如要更改則要通知信號(hào),通信及供電等左鄰右舍,協(xié)商后再改動(dòng).在一個(gè)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(duì)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(yīng)用一電磁兼容系列歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50121下面首要介紹系列歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50121六個(gè)部分的內(nèi)容.3.1EN50l211鐵路應(yīng)用電磁兼窖一一第1部分:通則該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鐵路上電磁兼容問題進(jìn)行總體敘述,它規(guī)定了整體實(shí)施標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施與運(yùn)營(yíng)之間達(dá)到電磁兼容提供了管理方法.這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鐵路電磁發(fā)射的處理是將整個(gè)鐵路對(duì)外部環(huán)境視為一個(gè)整體,也就是說工作在鐵路內(nèi)的設(shè)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(xiàng)限值相容.本標(biāo)準(zhǔn)包含的頻率范圍是由直流到400GHz,但目前對(duì)高于1GHz頻率的測(cè)量尚無定義,故僅適于1GHz以下的情況,本標(biāo)準(zhǔn)全面考慮抗擾能力,使鐵路本身設(shè)備與路

8、外設(shè)備發(fā)射的電磁干擾得到合理的抑制本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(duì)某個(gè)電機(jī),電器或電子設(shè)備的電磁兼容試驗(yàn),其結(jié)果是否符合實(shí)際要】3電氣牽引2001年第2期(總第102期)求是一個(gè)比較復(fù)雜的I可題,很難有精確定量的標(biāo)準(zhǔn),為此根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)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(gè)級(jí)別,產(chǎn)品翻造商可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果在試驗(yàn)報(bào)告中決定被試驗(yàn)設(shè)備符合哪一個(gè)級(jí)別:性能判定A級(jí):被試驗(yàn)設(shè)備在試驗(yàn)中和試驗(yàn)后都能在所期望的技術(shù)條件下運(yùn)行,如有性能下降和功能失效也不應(yīng)低于規(guī)定的性能水平.性能判定B級(jí):被試設(shè)備在試驗(yàn)后仍能在所期望的技術(shù)條件下運(yùn)行,如有性能下降

9、和功能失效也不應(yīng)低于規(guī)定的性能水平.但被試設(shè)備在試驗(yàn)中可允許性能降低,其實(shí)際的動(dòng)作狀態(tài)和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不允許改變.性能判定C級(jí):允許在試驗(yàn)中暫時(shí)失去功能,但通過控制系統(tǒng)的操作可使被試設(shè)備自動(dòng)恢復(fù)或重建功能.此外,如被試設(shè)備在試驗(yàn)中處于危險(xiǎn)或不安全狀態(tài)則不同于上述各判定級(jí),而被認(rèn)為沒有通過試驗(yàn)在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中還強(qiáng)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(shè)備中如何保證在有限空間,嚴(yán)酷工作環(huán)境下的正常工作,并能保證對(duì)其他設(shè)備(如信號(hào)通信裝置)的干擾能在允許的限度內(nèi)為此應(yīng)有一系列電磁兼容的管理計(jì)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(shè)備能在同一電磁環(huán)境中和諧工作.本標(biāo)準(zhǔn)

10、附錄B對(duì)列車經(jīng)營(yíng)者與基礎(chǔ)設(shè)施主管入之間在電磁兼容問題上如何各負(fù)其責(zé),如何判別故障,如何評(píng)估危險(xiǎn)及如何劃分法律責(zé)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(jī)制也都存在,它們是靜電耦臺(tái),電容性耦合,電感性耦合,傳導(dǎo)性耦合和電磁輻射5種形式.各種設(shè)備的抗干擾能力主要面對(duì)低額與高頻的傳導(dǎo)和低頻與高頻的輻射現(xiàn)象的考驗(yàn)談及鐵路內(nèi)部的電磁干擾源,它們可以】4是靜止設(shè)備(變電所,架線都是高低頻電磁噪聲源),也可以是移動(dòng)設(shè)備(電力機(jī)車,多節(jié)電動(dòng)車組,內(nèi)燃機(jī)車,輕軌車等).對(duì)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(dǎo)體可控器件,它們?cè)谧儞Q電能形式的同時(shí)也產(chǎn)生了直接輻射或通過供電

11、網(wǎng)的間接輻射,這時(shí)的架空線猶如一付天線.車上的各種輔助設(shè)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(dòng)受流會(huì)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(huì)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(tái),各種雷達(dá)設(shè)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(jī)等).3.2EN501212鐵路應(yīng)用電磁兼窖第2部分:整個(gè)鐵路焉I統(tǒng)對(duì)外部環(huán)境的電磁發(fā)射這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了整個(gè)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(cè)量方法,并給出了常用的場(chǎng)強(qiáng)限值.標(biāo)準(zhǔn)中先

12、繪制了整個(gè)鐵路系統(tǒng)在不同接魅網(wǎng)電壓下,不同頻段內(nèi)對(duì)外界發(fā)射的電場(chǎng),磁場(chǎng)強(qiáng)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(jī)車車輛的電磁發(fā)射限值,其中對(duì)運(yùn)行列車產(chǎn)生電磁發(fā)射的測(cè)量講述得尤為詳盡,盡管有些內(nèi)容對(duì)目前我國(guó)國(guó)情來講似乎是超前的,但從發(fā)展觀點(diǎn)來看對(duì)其有所了解并及早采取相應(yīng)對(duì)策是必要的,特別是在城市環(huán)境中對(duì)電磁兼容問題敏感的輕軌車輛,更應(yīng)是未雨綢繆早作準(zhǔn)備.電氣牽gI2001年第2期(總第102期)3.3EN5012131鐵路應(yīng)用電磁兼容第3.1部分:列車與完整的車輛在該標(biāo)準(zhǔn)的前言中寫道:”大功率電力電子設(shè)備與小功率微控制器和其他電子設(shè)備共同安裝在列車內(nèi),電磁兼容因此成

13、為車輛設(shè)備和整個(gè)列車設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題,為在預(yù)定的環(huán)境中能有一個(gè)卓有成效的系統(tǒng),機(jī)車車輛應(yīng)對(duì)電磁發(fā)射和抗擾性能在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)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(duì)機(jī)車車輛上各設(shè)備分別提出的(見EN5012l一32),這樣規(guī)定只是為了便于測(cè)試,例如它規(guī)定設(shè)備在O.15MHz-IGHz額段內(nèi)應(yīng)有20V/m電場(chǎng)強(qiáng)度的抗擾度,如能做到,則估計(jì)在組裝成整車后仍能有足夠大的抗擾能力.對(duì)于整車發(fā)射,繼EN0l212之后又作了深入敘述.對(duì)與信號(hào)系統(tǒng)(軌道電路,計(jì)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(duì)列車輻射電磁騷擾的試驗(yàn)條件,試驗(yàn)設(shè)備與程序也

14、都有詳述.3.4EN5012132鐵路應(yīng)用電磁兼容第3.2部分:機(jī)車車輛一設(shè)備這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具體規(guī)定了應(yīng)用在機(jī)車車輛上的電氣,電子設(shè)備的電磁發(fā)射與抗擾性能,除各項(xiàng)限值外,對(duì)試驗(yàn)方法與要求也作了敘述,此外,對(duì)車內(nèi)外的環(huán)境都作了統(tǒng)籌的考慮.對(duì)電磁發(fā)射的要求是這樣的:應(yīng)確保設(shè)備在車輛內(nèi)正常工作時(shí)不產(chǎn)生超過某一水平的騷擾量,如達(dá)到這一水平時(shí)其他設(shè)備的正常狀態(tài)將會(huì)受到影響.同樣,對(duì)于抗擾度的要求是確保機(jī)車車輛上的設(shè)備能正常工作應(yīng)有足夠的抗干擾能力.為對(duì)電磁兼容的敘述及測(cè)試的規(guī)范一致,選用”端口”一詞作為考核的測(cè)試點(diǎn),簡(jiǎn)言之,端口就是設(shè)備與外部環(huán)境(電磁場(chǎng),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(chǎng)與設(shè)備間的物理邊界,在這里設(shè)備受到電磁場(chǎng)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(hào)與通信螭口過程.測(cè)量與控制|岢口設(shè)備制造商提供的電磁兼容試驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)有設(shè)備的功能敘述并確定出它的性能判定級(jí)別(它是以EN501211中3級(jí)判定級(jí)為依據(jù)的).本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)圖中所示的主要端口都有相應(yīng)電磁發(fā)射的顙率范圍,限值及性能的規(guī)定,同時(shí)也有對(duì)抗擾性能試驗(yàn)項(xiàng)目,判定等級(jí)和嚴(yán)酷度(即設(shè)備應(yīng)能經(jīng)受的試驗(yàn)環(huán)境條件)的規(guī)定.在附錄A中列舉了機(jī)車車輛上17種典型電氣電子設(shè)備應(yīng)采用的測(cè)試端口.3.5EN501214鐵路應(yīng)用一一電磁兼容第4部分:信號(hào)與通信設(shè)備的電磁發(fā)射與抗擾

16、性本標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)機(jī)車車輛外的信號(hào),通信設(shè)備制定的,它對(duì)這些設(shè)備同樣制定了電磁發(fā)射和抗擾性能的限值.對(duì)于發(fā)射,沿用EN501212(EMC通用發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)一第2部分:工業(yè)環(huán)境)標(biāo)準(zhǔn),而抗擾性能的判定仍按EN50l211的劃分級(jí)別原則.在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)也可用逐個(gè)端口進(jìn)行試驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)中詳述了試驗(yàn)方法,所需條件,設(shè)備及試驗(yàn)結(jié)果的分析方法等.3,6EN501215鐵路應(yīng)用電磁兼容第5部分:固定供電裝置與設(shè)備的電磁發(fā)射與抗擾性與機(jī)車車輛情況相似,供電裝備對(duì)內(nèi),外都有電磁發(fā)射現(xiàn)象,因此變電所內(nèi)控制保護(hù)電路及變電所外的通信,信號(hào)裝置以至機(jī)車車輛都應(yīng)對(duì)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(huì)夾雜進(jìn)牽引供電產(chǎn)生的電

17、磁噪聲,對(duì)其用戶也應(yīng)有所了解.抗干擾性能應(yīng)包括對(duì)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(huì)在意大利佛羅倫薩召開IECTC9第41屆年會(huì)已在意大利佛羅倫薩召開參加會(huì)議的有中國(guó),日本,加拿大,英國(guó),法國(guó),德國(guó),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(gè)國(guó)家的58位代表會(huì)上,TC9討論了各國(guó)的意見,并在中國(guó)的提議下成立了一個(gè)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(shè)備(ElectricRailwayEqu

18、ipment)”改為”鐵路電氣設(shè)備與系統(tǒng)(ElectrieatEquipmentandSystemsforRailwqys)”,同時(shí)相應(yīng)修改了技術(shù)委員會(huì)的工作范圍,并補(bǔ)充了越來越受到關(guān)注的生態(tài)環(huán)境等方面的標(biāo)準(zhǔn)化工作內(nèi)容會(huì)議共討論了73個(gè)文件,形成了20項(xiàng)決議,內(nèi)容涉及IEC/TC9行政管理,聯(lián)系與臺(tái)作及列車通信網(wǎng)絡(luò),電磁兼容性,變流器,旋轉(zhuǎn)電機(jī),斷路器等多個(gè)領(lǐng)域.電磁兼容和機(jī)車電氣設(shè)備電磁兼容試驗(yàn)電磁兼容性是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對(duì)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(shè)備的電磁兼容性主要包含了兩方面的內(nèi)容,即設(shè)備向周圍環(huán)境的發(fā)射特性(EMI)及設(shè)備的抗擾度水平(EMS).根據(jù)歐盟鐵路機(jī)車車輛用電氣設(shè)備電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)ENV50l2l一32的要求,一般車載電氣設(shè)備應(yīng)完成7項(xiàng)電磁兼容性試驗(yàn):電磁輻射騷擾特性的測(cè)量;電源端騷擾電壓的測(cè)量;射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度;射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)電壓及短路電流等都會(huì)對(duì)鐵路系統(tǒng)中各部分構(gòu)成騷擾.標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)試驗(yàn)情況有詳細(xì)的敘述,所應(yīng)用的性能判定指標(biāo)仍為FN5012ll中規(guī)