轨道交通电磁兼容测试简介_世纪汇泽（苏州）检测技术有限公司

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轨道交通电磁兼容测试简介

发布时间：

2023-08-14 00:00

　　一、概述

　　1，前言

　　随着中国城市化进程，轨道交通作为高效、安全、大运力的城市交通方式越来越多的被各大城市采用。

　　与之相伴的，轨道交通系统电气化程度越来越高，除了正常运营所必须的设备仪器和管线系统外，系统中的电子设备和各种信号接口也越来越复杂。

　　有的设备/装置在运行时会对外界产生比较强烈的电磁干扰，如列车架空牵引接触网、受电弓、移动通信装置等;有的设备对电磁干扰比较敏感，如控制系统、弱电系统等。

　　2，标准现状

　　目前，影响力较大的轨道交通电磁兼容性国际标准主要有EN50121系列和IEC62236系列。

　　EN 50121系列是欧洲现行的铁路设施电磁兼容性标准，也是世界上第一套完整的轨道交通电磁兼容标准体系。不仅提供了一套用于铁路系统的电磁兼容管理框架，同时也规定了铁路系统作为一个整体的电磁发射限值及在系统内运行设备的电磁发射和抗扰度测试限值，一共6个部分。

　　最初版本的EN50121系列标准，于1996年由欧洲电工标准化委员会 (CENELEC) 颁布，其后分别于2000年、2006年进行修订，并在2008年1次勘误。目前最新的电磁兼容标准版本为EN50121: 2015。

　　IEC62236最初于2003年，修改采用EN50121: 2000版标准，其结构、内容与EN50121基本一致，目前的IEC62236版于2018年。

　　在GB/T 24338 系列颁布之前，我国铁路系统没有一套完整的电磁兼容标准体系，主要的电磁兼容标准为 TB/T 3034 和TB/T 3073。这两个标准分别规定了机车车辆电气设备，即车载电气设备，电磁兼容性试验项目测试等级及发射限值，以及铁路信号设备，即地面信号设备，电磁兼容性试验项目、测试等级及发射限值。

　　GB/T 24338规定了整个轨道系统对外部环境的电磁发射限值和测量方法，以及轨道交通设备的电磁发射限值、抗扰度等级、性能判据和测量方法。

　　GB/T 24338(所有部分)适用频率范围为0 GH~400 GH，且在没有要求的频率不进行试验，对于干线铁路、地铁和有轨无轨电车静态发射限值要求不同。

　　3，GB/T 24338标准

　　GB/T24338《轨道交通电磁兼容》目前包括以下部分：

　　GB/T24338.1-2018 轨道交通电磁兼容第1部分总则

　　GB/T24338.2-2018 轨道交通电磁兼容第2部分: 整个轨道系统对外界的发射

　　GB/T24338.3-2018 轨道交通电磁兼容第3-1部分：机车车辆列车和整车

　　GB/T24338.4-2018 轨道交通电磁兼容第 3-2 部分：机车车辆设备

　　GB/T 24338.5-2018 轨道交通电磁兼容第 4 部分：信号和通信设备的发射与抗扰度

　　GB/T 24338.6-2018 轨道交通电磁兼容第 5 部分：地面供电设备和系统的发射与抗扰度

　　轨道交通电磁兼容的测试项目与一般民品相类，包括：

　　电磁兼容发射EMI试验：传导骚扰试验、辐射骚扰试验。

　　电磁兼容抗扰度EMS试验：静电放电试验、射频电磁场辐射抗扰度试验、脉冲群试验、浪涌冲击试验、传导抗扰度试验、工频磁场试验、脉冲磁场试验。

　　其测试难点在于：

　　1) 、电源配置种类多，骚扰来源复杂;

　　由380VAC供电制式的列车，电源一般来自列车编组中的发电车厢的柴油发电机; 高铁供电电压为27.5KV，透过接触网经由受电弓将电供给列车。高压电输送到辅助变流器后输出440VAC电压，再通过变压器将电压调整到各设备所需要的电压，比如220VAC; 有些车型，增加了逆变设备，可以将列车底部蓄电池里的电经过升压、逆变成AC220V供给插座。

图1

　　2) 动力系统和子系统种类多，功率变化大;

　　轨道交通系统主要包括动车组、电源系统、制动系统、通信系统和控制系统。

　　动车组是高铁的核心部分，负责驱动高铁前进。动车组通常由一组电力机车和一组动力车组成，其中电力机车负责发电，动力车负责传递动力。

　　电源系统是动力系统的重要组成部分，负责为列车提供电力。

　　制动系统是动力系统的重要组成部分，负责控制列车的速度和安全停车。

　　通信系统是高铁动力系统的重要组成部分，负责实现高铁的信息传输和交互。

　　控制系统是轨道交通系统的重要组成部分，负责控制列车的运行。控制系统通常采用计算机控制和人工干预相结合的方式。普速铁路是以人控为主，机器做辅助的，而高速铁路采用的是CTCS-3级国际先进列控系统，是反过来的--机器控制为主，人是辅助的。

图2 C3系统原理框图

　　3) 车辆运行的环境复杂;

　　铁路线路长，高山、高原、平原、沙漠，城市、乡村，等多方面因素造成铁路电磁环境复杂多变。高速铁路的最小行车间隔为3分钟，在如此高速度高密度行车下，保证车辆运行安全就显得重要且必要。

图3

　　4) 列车的电源波动难以控制;

　　高速铁路的主要干扰源是牵引设备和弓网电火花。高速铁路的高架桥、高速运行的列车车体也会对无线电信号产生遮挡、反射，这会对各种无线电信号的传播产生不利影响。时速350公里的高速动车如果瞬间刹车制动，需要减速滑行6500米。各种因素导致列车电源的波动是无规律的，难控制的。而高铁必须遵从“高可靠、高可用、高安全原则”，当系统检测到任何可能影响列车安全运行的因素时，列控系统都会自动采取措施，及时防止发生严重后果。

图4

　　4，电磁兼容设计时的必要性

　　在这样一个极其复杂精密的系统中，一旦某一设备受到电磁干扰而无法正常工作，甚至产生误动作的话，就会给轨道交通系统的带来非常严重的后果。因此，需要我们对相关电磁兼容标准进行全面的了解，在设计和制造轨道交通电子产品之初，就应当：

　　1). 确保轨道交通系统设备/装置不会产生超过标准限定水平的电磁干扰，以免对其他抗扰能力弱的电子电气设备产生干扰;

　　2). 确保轨道交通系统设备/装置具备一定的抗干扰能力;

　　3). 确保轨道交通系统设备/装置符合国家相关电磁兼容性的要求;

　　4). 确保轨道交通系统设备/装置符合轨道车辆业主客户的规格需求书中有关电磁兼容性的要求;

　　从设计到量产的每一个环节，都应当对车辆和零部件供应商进行质量控制，要求其加大电磁兼容测试力度和品读，以期减少电磁兼容问题的发生。确保所有电子电气产品能在各种电磁干扰环境中正常运行，同时不会对其他系统产生干扰。尽最大的可能保护公共交通设备的安全性和运行效率，保护民众的生命财产安全。

　　二、整个轨道系统对外界的发射

　　GB/T 24338-2规定了整个轨道系统(包括城市轨道交通系统)对外界发射的限值和测量方法。GB/T 24338-2适用范围不包括整个深入地下且发射不影响地面的轨道系统。

　　1，基本测量参数

图5

　　测量天线与机车车辆运行的轨道中心线之间的测量距离应为 10 m。

　　如果轨道中心与最近的牵引变电所栅栏(围墙)距离小于 30m，则测量仅对其他三边栅栏(围墙)进行;否则应对四边栅栏(围墙)进行测量。

　　如果栅栏(围墙)边长超过 30 m，应在栏(围墙)的拐角增加测量点，如果牵引变电所没有栅栏(围墙)，测量天线应距离设备或其外壳 10 m。

图6 环形天线中心距参考平面的高度应在 1.0m -2.0 m 选定

图7 偶极子天线或对数周期天中心距参考平面的高度应在2.5 m~3.5m之间选定

　　测量报告应记录所选定的高度。

　　试验开始和结束阶段应记录环境噪声。

　　2，测试方法和限值

　　1) 对于运行中的机车车辆：

　　系统发射主要源于接触网的发射，而非机车车辆自身的发射。因此只需在机车车辆一侧进行测量。对于三轨受流系统，测量点应与第3轨同侧。

　　测量采用峰值检波，所选频点驻留时间应足够长，并保证获取准确的测量结果，宜为50ms。

　　机车车辆通过测量点时，系统发射并不一定最大，而是可能在机车车辆通过某个远离测量点的位置时最大，因此测量时间应足够长并保证测量到系统发射最大值。

　　对于高架轨道测量，如果无法实现前述天线高度要求，可采用地平面代替轨平面作为天线高度的参考平面。列车应在测量点的可视范围内，且天线中心轴延伸方向应指向列车。测量点宜距离轨道中心线30m。测量报告应详细说明测量布置。

　　如果测量对象为有架空接触网的铁路系统，测量点应选择在架空接触网两支柱的中点，且不是接触导线的非连续点。测量过程中应确认在射频范围是否存在谐振点。如果有谐振点，测量频率应避开谐振点，并在测量报告中记录谐振点。

图8 0.15 MHz~1GHz的发射限值(10m法)

　　说明:

　　A 限值曲线——适用于交流25 kV供电线路;

　　B 限值曲线——适用于交流15 kV、直流3kV和1.5kV供电线路;

　　C 限值曲线——适用于750V和600V直流供电线路有轨/无轨电车等城市机车车辆和非电气化线路

　　2)对于牵引变电所：

　　应在轨道交通牵引供电系统特定的馈电结构布置条件下进行发射测量。轨道交通变电所负荷在短时间内大范围变化，而负荷直接影响电磁发射，因此测量应记录实际的负荷变化情况。

　　应采用峰值检波最大保持扫描进行测量，如发现有超过限值的频率分量，则再对该频率分量进行准峰值检波测量。准峰值检波测量的负荷条件与峰值检波时的负荷条件相比，不必精确重现，但宜具有可比性。

图9 牵引变电所的发射限值(准峰值)

　　图9 限值对应以下 GB/T 6113.101 定义的带宽:

　　—— 0.15 MHz~30 MHz 的测量采用 9 kHz 带宽;

　　—— 30 MHz~1GHz 的测量采用 120 kHz 带宽;

　　图 9 限值也适用于其他地面固定装置，如自耦变压器

　　3，数据测量方法

　　轨道系统(包括运行的机车车辆)产生的电磁发射应根据列车运行方式和速度选择固定频率方法或频率扫描方法进行测量，并满足以下要求:

　　—— 测量仪器应满足 GB/T 6113.101 的要求

　　—— 如果机车车辆高速运行，应采用固定频率方法对每个频点连续监测。如果扫描速率满足下表要求，其对于移动发射源扫描时间足够短，可确保列车每运行5m的时间内完成一次扫描，可采用频率扫描方法作为替代方法。在较高速度条件下，FFT技术优于频率扫描方式。

　　—— 当机车车辆在最大额定功率运行且速度较慢时，可采用频率扫描方法。

图10

　　三、机车车辆的测试

　　机车车辆分为两个部分：

　　GB/T24338.3-2018 轨道交通电磁兼容第3-1部分：机车车辆列车和整车

　　GB/T24338.4-2018 轨道交通电磁兼容第 3-2 部分：机车车辆设备

　　在GB/T24338.3规定了所有类型机车车辆(包括牵引车辆、拖车和城市街道使用的城市车辆)的发射与抗扰度要求，但是需要注意的是，GB/T24338.3没有规定整车抗扰度试验!

　　如果通过电磁兼容管理计划确认所有设备满足GB/T 24338.4的抗扰度限值要求，则集成了设备的整车抗扰度满足要求。

　　1，列车和整车射频电磁骚扰的试验条件：

　　试验应涵盖所有可能产生电磁发射的车载设备的工作模式。

　　拖车应在静态带电工作条件(辅助变流器和电池充电器等正常工作)下进行试验。天线应对准在测量频率下可能产生最大发射的设备。

　　对于相同的客车车厢或货车仅进行一次试验。

　　牵引车辆应在静态和低速行驶条件下进行试验。在静态试验过程中，辅助变流器应工作(最大负载条件下不一定产生最大发射水平)，牵引变流器应通电但不工作。天线宜对准车辆中心线，否则选择预期产生较大发射水平的位置。

　　慢行试验时，速度应适当，既避免发生接触拉弧或跳动，也适合采用电制动。城市车辆速度宜为(20±5)km/h.干线车辆速度宜为(50±10)km/h。当经过天线时，机车车辆应在给定速度范围内以大约其最大牵引力的1/3加速或减速

　　如果满足下列条件，对工作在其最大牵引力1/3下的机车车辆可采用机械制动的静态试验替代慢行试验:

　　—— 牵引设备可在静止时工作;

　　—— 如果制动中没有使用不同的电路，则不对电制动进行试验。

　　如果带牵引力的静态试验替代了慢行试验，应采用慢行试验的限值要求，且在试验报告中说明替代理由

　　对于牵引采用车载储能设备供电的车辆，其充电过程应采用慢行试验和限值要求。

　　2，列车和整车射频电磁骚扰的发射限值

　　发射限值按静态试验与慢行试验两种模式给出，静态试验发射限值见图11.慢行试验发射限值见图12。

图11 150 kHz~1GHz 静态试验限值(准峰值，10 m法)

　　说明:

　　A 限值曲线 —— 适用于其他轨道车辆;

　　B 限值曲线 —— 适用于城市街道中的有轨/无轨电车。

　　由于在 1GHz 以上频率没有显著的干扰源，因此，发射限值只规定到1 GHz。微处理器设备可能产生大于1GHz 的发射应符合 GB/T 243384 的要求。

图 12 150 kHz~1GH慢行试验限值(峰值10m法)

　　说明:

　　A 限值曲线 —— 适用于交流 25 kV 供电的车辆;

　　B 限值曲线 —— 适用于交流 15 kV直流 3 kV和1500 供电的车辆;

　　C 限值曲线 —— 适用于直流 750 V或 600 V供电的车辆以及有轨/无轨电车。

　　所有的值为 10 m 法测得的峰值。

　　除非另有规定(如在低电压电气化线路的应用)，内燃机车和内燃动车组应满足图 1 中的限值曲线A 和图2中的限值曲线 B的要求。

　　发射限值的适用频率范围不大于1GHz，微处理控制器引起高于1GHz 的发射应满足 GB/T 24338.4的要求。

　　3，轨道机车车辆电气和电子设备电磁兼容性的实验条件

　　对设备每项功能都进行电磁兼容试验通常是不可能的，应在制造商认可的典型工况(模拟设备产生最大的发射或对噪声有最大敏感度时的现场工况)下进行试验。制造商应在试验大纲中规定试验工况。

　　试验大应规定试验的系统配置和运行模式，试验报告应记录实际的试验条件并满足GB/T 17626.2~GB/T17626.6的相关要求。

　　如果设备是系统的一部分，或能够连接到辅助设备，那么设备应在最小系统配置条件下按

　　GB/T 9254进行试验。

　　如果设备有大量电气特性类似的端口或连接类似的端口，应选择足量的端口(例如选择

　　4个端口或总数的20%)模拟现场工况确保涵盖所有不同类型的端口。

　　4，轨道机车车辆电气和电子设备电磁兼容性的发射要求

　　根据端口类型规定发射试验和限值，详见表1~表3。

　　每种类型的干扰应在已定义和可重复条件下进行测量。表1~表3给出了试验具体要求，对表1~表3 给出的基础标准仅限于采用这些标准的试验说明试验方法和试验配置。

表1

表2

表3

　　5，轨道机车车辆电气和电子设备电磁兼容性的抗扰度要求

　　表 4~表 6 给出了试验具体要求，对表 4~表 6 给出的基础标准，仅限于采用这些标准的试验说明、试验方法和试验设置。

　　试验方法应明确且试验结果可重现。应逐项进行试验，试验顺序可选择。

　　为确保整个机车车辆的抗扰度等级，限值适用于所有机车车辆设备。

　　宜制定电磁兼容管理计划，保证既有机车车辆安装或更换新设备不会降低 EMC 性能。

表4

表5

表6

　　四、信号和通信设备的发射与抗扰度

　　GB/T 24338.5信号和通信设备的发射与抗扰度适用于GB/T 24338.4包含的安装在轨道交通环境中且正常工作的设备，以及与被测设备相连的通信信号数据线和电源线。

　　车载信号和通信设备的发射与抗扰度要求由GB/T 24338.4规定，安装于变电站内及与变电站相连的信号和通信设备的发射和抗扰度要求由GB/T 24338.6规定。GB 17625.1或 GB/T 17625.2 范围内的设备的电磁兼容要求由GB 17625.1或GB/T 17625.2规定。

　　设备的发射如果符合GB/T 17799.4规定的发射限值，只要任意直流电源端口的发射小于所规定的交流电源端口的发射限值，那么也将符合本部分的规定。

　　本部分规定的抗扰度要求适用于:

　　—— 关键设备，如联锁系统和信号控制系统;

　　—— 3m区域内的设备;

　　—— 10m区域内的设备且与3m区域内的设备有连接端口;

　　—— 10m区域内的设备且连接有超过30m的电缆

　　注：3m区域：轨道两侧且距离最近钢轨中心线不大于3m的沿线区域

　　10m区域：轨道两侧且距离最近钢轨中心线大于3m但不大于10m的线区域

　　1，发射限值要求

　　信号和通信设备的最大发射应满足 GB 17799.4/EN61000-6-4，传导发射限值应同时适用于交流电源端口和直流电源端口。具体限值要求可以参考GB 17799.4的表3~表5。

图13 世纪汇泽实验室测试布置图

　　2，抗扰度试验

　　信号和通信设备的抗扰度应在明确和可重复的试验条件下逐项进行试验，试验顺序可选择。在基础标准规定的试验条件、环境骚扰、试验方法和试验配置见表7~表11。如果设备有大量电气特性类似的端口或连接类似的端口，应选择足量的端口(例如，选择端口总数的20%或至少4个端口)模拟现场工况，确保涵盖所有不同类型的端口。

　　1)静电放电测试

　　静电放电测试依据GB/T 17626.2进行，接触放电要求±6KV，空气放电±8KV。详细要求参见表7.