浅析高速铁路电磁兼容技术

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摘要：本文分析了电磁兼容设计的关键技术，并提出了相应的对策，希望此文能给读者一些启示，不断完善我国高速铁路的电磁兼容标准。
关键词：高速电气化铁路；电磁兼容；电磁环境
电磁兼容（EMC）技术是一门研究在有限的空间、时间和频率资源条件下，各种电气、电子设备或系统在同一电磁环境中可以相互兼容而不致引起其性能降低的应用科学技术。电磁兼容是当今高速铁工程建设中的一个重要指标，是保证高速铁路通信、信号系统安全可靠运行的关键技术。
1 铁路电磁兼容国内外发展现状
在国外高速铁路建设中，尤其在欧洲，对电磁兼容有比较完善的标准，并且不断修订，已日趋成熟。到2002年，由CENELEC制定的铁路EMC标准EN50121-1~5，被IEC采纳成为国际标准IEC62236-1~5。其中，IEC62236-1描述了铁路的电磁现象。IEC62236-2规定了铁路系统向外的发射限值。IEC62236-3规定了机车车辆以及装置的发射限值和抗扰度。IEC62236-4规定了铁路通信信号设备的发射限值和抗扰度，给出了影响通信信号设备可靠运行的EMC限值。IEC62236-5规定了固定电力设备和装置的发射限值和抗扰度。另外，关于铁路通信信号安全方面的标准还有IEC62278（EN50126）、IEC62279（EN50128）等等。
在国内，为满足我国电磁兼容工程应用的需要，虽然我国也颁布了《雷电及电磁兼容防护指导意见》（铁运【2006】26号文）、《客运专线综合接地技术实施办法（暂行）》（铁集成【2006】220号文）、《铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定》（铁运【2007】39号文），但由于高速铁路建设在国内才刚刚开始，没有系统成熟的标准条例，尚无成功经验可以借鉴，所以仍存在一些未能解决的问题。
2 高速铁路系统的电磁环境
高速电气化铁路是一个庞大而复杂的系统，其电磁环境可分为铁路系统内部和铁路系统外部两种。
铁路系统外部的干扰源大致可分为以下几种：
自然干扰。包括雷电、大气层的电场变化及太阳黑子的电磁辐射等。雷电能在输电线上产生幅值很高的高频涌浪电压，对铁路供电系统形成干扰。太阳黑子的电磁辐射能量很强，可造成无线通信的中断。
放电干扰。局部放电可以分成正电晕放电、负电晕放电和火花放电三种。最常见的电晕放电来自高压输电线，高压输电线因绝缘失效会产生间隙脉冲电流，形成电晕放电，在输电线垂直方向上的电晕干扰是衡量影响路外通信、导航系统的程度的重要指标之一。
工频干扰。供电设备和输出线都产生工频干扰，因信号线跟供电线平行，这种低频干扰就会耦合到信号线上成为干扰。
射频干扰。通信设备、无线电广播、雷达等通过天线会发射强烈的电波。射频干扰通过空间传播，其实质是骚扰能量以场的形式向四周传播，分为近场和远场。周围空间的骚扰电场和磁场都会在闭合环路中产生感应电压，从而对环路产生干扰。
电力干扰。随着越来越多的电力设备接入电力主干网，系统会出现一些潜在的干扰。这些干扰包括电力线干扰、电快速瞬变、电涌、电压变化、闪电瞬变和电力线谐波等。
在电气化铁路迅速发展的今天，铁路系统内部的干扰主要表现在电气化牵引供电系统对信号设备的干扰。
电气化铁路供电及接触网系统的故障放电。电力机车受电弓在接触网导线上滑动产生的电磁噪声（主要影响线路的无线、有线通信、信号系统）。电力机车（尤其是车载设备复杂的动车组）内部的电力电子器件（主要影响车内安装的弱电设备）。地线干扰。牵引回流引起的地线上的地电位升是信号系统接地的重要干扰源。轨道电路和车载设备受钢轨中不平衡牵引电流回流的传导性干扰。信息传输电缆受牵引网系统的感性、容性耦合的干扰。运动中的电力机车上的电动力系统对其下面的轨道电路的电磁感应干扰。
所以，保证通信信号系统在电气化铁路环境下可靠安全地工作是一个非常困难复杂的课题。
3 电磁兼容的三要素
前面已列出了高速铁路系统电磁环境中的一些主要干扰源，而干扰的形成过程就是：干扰源发出干扰信号，经过耦合通道达到受干扰设备上。即：源、传播通道、敏感设备。要有效地抑制干扰，首先要找到干扰的发源地，防患于发源处是抑制干扰的积极措施。当产生了难以避免的干扰时，削弱通道对干扰的耦合，以及提高受干扰设备的抗干扰能力就成为非常重要的方法。
4 电磁干扰（EMI）的物理过程（如图）
电磁干扰按传输途径可分为两大类
传导干扰。传导干扰是指电压或电流通过干扰源和被干扰对象之间的公共阻抗进入被干扰对象，传导干扰是沿着导体传播的干扰，所以传导干扰要求有一个完整的电路连接，只要有连接便可能传导EMI。工程实践表明，影响最大的是电源回路传导的干扰，如上图所示，电路沿回流线或钢轨或贯通地线回流时，其中一个电路电流的增大必将使另一个电路的电流减小。电流不断的变化，就会产生变化无常的电场和磁场，引起电磁噪声，并通过回流线、地线或钢轨形成复杂的交叉干扰。
电气化机车牵引带来的近千安的工作电流需通过大地、钢轨、回流线、贯通地线流通返回变电所，即强电流与轨道电路弱信号有一段公共的阻抗，所以会对铁路信号轨道电路产生干扰。
辐射干扰。电磁辐射干扰时指干扰源通过空间传播到敏感设备的干扰。例如，当有动车组（或电力机车）通过时，接触网有电流通过，即在其周围产生电磁场，接触线电晕产生的无线电干扰即属于辐射干扰。此种干扰表现为静电感应与电磁感应导致的干扰。任一载流导体周围都产生感应电磁场并向外辐射一定强度的电磁波，相当于一段发射天线。处于电磁场中的任一导体则相当于一段接收天线，会产生一定的电动势。导体的这种天线效应是导致电子设备相互产生电磁辐射干扰的根本原因。
在铁路领域，研究电磁骚扰源的传播特性最多的是关于电气化铁路动车组运行时产生的电磁干扰沿铁路垂直方向的传播特性，这是衡量影响通信、信号系统的重要指标之一。电气化铁路对邻近的通信线路的干扰影响与危险影响主要考虑：在研究的距离范围之内的干扰问题，也就是近场问题，又称感应场。近场有电场和磁场，其耦合分别属于电容耦合和互感耦合，对于近场主要采取屏蔽的方法来减小耦合程度。
随着无线通信（GSM-R）在高速铁路建设的广泛应用，铁路周围空间的辐射电磁波对无线通信的干扰问题，即远场问题（也称辐射场）也不容忽视。
5 电磁兼容设计的关键技术
EMC设计的关键技术是对EMI源的研究。从EMI源处控制其电磁辐射是治本的方法。但是针对铁路供电系统，控制此源并非易事。除了从EMI源产生的机理着手降低其产生电磁噪音的电平外，还需要广泛地应用屏蔽（包括隔离）、滤波、接地和浪涌抑制等技术。需要牢记的一点是：在解决电磁兼容问题时，合理的接地是最经济有效的EMC设计技术。目前我国客运专线的建设都采用了综合接地系统，车站也采用了信号设备雷电综合防护系统，但对综合接地、雷电综合防护系统的研究还不是很深，缺乏有针对性和说服力的详细分析论证，所以EMC的问题还需不断的研究。
总的来说，针对EMI的三要素，通过抑制干扰源产生的EMI，通过切断干扰的传播途径，通过提高敏感设备抗EMI的能力（降低对干扰的敏感度），采用技术和组织两方面相结合的办法来实现此问题的解决。
结束语
从长远来看，在高速铁路快速发展的今天，尽早制定出一套适合我国高速铁路电磁兼容的标准，对我国高速铁路建设、电磁兼容技术发展能起到很好的推动作用。应从通信信号设备的开发阶段开始，尽早地注意解决电磁兼容问题。铁路电磁兼容作为一项适应形势发展的新技术必将会得到更大范围的研究与应用。
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