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EN 50155: 2017 标准对于轨交车载设备供电要求与安全&EMC部分测试解读


  关键词: 轨道交通;车载设备;DC/DC电源模块选型;型式试验 ; 试验等级判定

  0 引言

  EN 501 55 是轨道产品的常见认证标准,其2007 版本已在行业内使用多年,目前最新的版本为 2017 版,于 2018 年 4 月 13 日 正式颁布。该标准为轨道机车车辆上安装设备提供了设计、制造和文件要求的指导,并明确了测试评估方法。此标准测试章节涵盖了电气安全、电磁兼容和环境等方面的试验要求,本文对此进行了详细的解读,旨在为相关人员提供一定的参考。

  1 性能判定准则

  EN 50155:2017 标准中规定了一组默认的性能要求,招标阶段可能会要求不同的性能等级。最低性能判据应由制造商和用户协商决定。委托方提供的试验大纲中需描述最低性能水平或允许的性能降低。性能判据准则定义如下。

  A) 性能判据 A

  在试验过程中和试验后设备能按预期要求连续工作。不允许性能下降或功能丧失,也不允许更改实际运行状态或存储数据。如果相关方之间达成一致,则可以用最低性能级别替换正常性能级别(所有功能按指定要求工作)。

  B) 性能判据 B

  试验后,设备应继续按预期运行。在试验期间,允许性能下降但不允许更改实际的运行状态或存储数据。

  C) 性能判据 C

  在试验过程中允许暂时失去功能,但设备应能满足下列两种情况之一。

  1) 自动重启应在最大的规定时间内获得正常性能,在此之后,设备应保持先前的运行状态并按预期工作,不允许丢失重要数据;

  2) 手动重启或通过操作控制来重启:在这种情况下,应由用户和供应商协商或在用户手册中明确定义,用户手册应在投标阶段供用户使用。

  2 试验项目列表

  轨道机车车辆上安装的电气和电子设备的型式试验项目如表 1 所示,试验顺序不是强制性的。测试计划应指明要执行的测试和遵循的测试顺序。型式试验应根据供应商编写的测试规范和测试程序进行。

  表 1 试验项目列表

序号

试验项目

型式试验

1

外观检查

M

2

性能试验

M

3

供电电源试验

M

4

绝缘试验

M

5

低温存储试验

O

6

低温启动试验

M

7

干热试验

M

8

交变湿热试验

M

9

盐雾试验

O

10

外壳防护试验IP等级

O

11

电磁兼容试验

M

12

振动冲击试验

M

13

应力筛选试验

O

14

快速温度冲击试验

O

  以上表格中测试要求中的 M 代表强制测试;O代表供用双方的协议测试。

  3车载电子设备的电源选型

  隔离电源作为防止故障扩散的方法之一,在车载电子设备中起着重要的作用;但是车载在运行过程中,存在着各种状态,如剧烈的振动状态;剧烈的外界环境温度变化率等情况出现;普通常规的工业级电源很难满足其使用要求;那么车载电源需要满足哪些要求呢?

  3.1冲击和振动

  由于铁路运行环境的性质,铁道车辆会受到冲击和振动。对于安装在铁道车辆上的电子设备必须进行随机振动和冲击试验要求。对于电源模块来说,采用灌胶固定板载元器件的方法,可有效增强其抗振动和冲击的能力。

  车载蓄电池的额定供电电压主要有以下几种:24V、48V、72V、96V、110V等5种规格;由于辅助设备启动或者感性负载进行切换,会产生浪涌电压或者低电压出现;电源设计的输入电压参数能够在0.6VN和1.4VN电压范围内正常工作;并且电源厂家都会兼容多个车载蓄电池电压等级。

  3.2隔离电气要求

  车载电子设备的介电试验(耐压试验)的试验电压与车载蓄电池的供电电压相关,其相关要求如下:

  表2 隔离耐压与蓄电池电压关系

车载蓄电池

隔离耐压要求

24V

500VAC/50Hz/1min

48V

500VAC/50Hz/1min

72~125V

1000VAC/50Hz/1min

  对于车载电子设备的供电类型不确定的话,比如110V蓄电池可能浮冲至125V以上情况出现或者低压可能会产生大于125V电压;建议采用1500VAC隔离的使用要求,可满足瞬时过电压时的电气隔离要求。

  3.3温度和湿度要求

  为了满足长途铁道机车的温度 变化范围和湿度范围要求,要求车载电源要求满足环境温度-40℃~85℃的使用要求,需要通过高低温循坏和湿热交变等可靠性型式试验验证。金升阳铁路电源产品,均按照严格的质量管控体系进行设计和生产,可通过铁路要求的型式可靠性试验。

  3.4特殊浪涌要求

  每个国家对特殊浪涌的要求不一致,例如:英国铁路标准RIA12《拖动及运载设备的直流控制系统中瞬态浪涌保护的通用规范》(海外这句话,可以删除了;或者FAE提供标准英文版名称),要求与供电电源蓄电池连接的电子设备,必须能够经受两种波形:一种是1S 1.5倍输入电压波形另外一种波形是3.5倍输入电压,持续时间20mS的浪涌电压,该浪涌脉冲电压的源阻抗为0.2Ω,如果考虑供电蓄电池额定电压为110VDC,那么如果只是采用单一的钳压器件进行防护,很难吸收(设钳位电压VC为160VDC)高达=2475J的能量,一般瞬时钳压抑制器件很难满足要求,需要专门的电路或者模块来满足标准要求。

  3.5其他方面需求

  对于供电中断、跌落等要求,一般模块电源设计难满足10mS中断需求,需要增加外围输入输出电容满足客户需求。

  4 安全与EMC部分的试验方法及要求

  4.1 绝缘试验

  4.1.1 绝缘电阻试验

  绝缘电阻测量试验应在 500 VDC 下进行,耐压试验前进行绝缘电阻测量并记录绝缘电阻值。耐压试验后进行绝缘电阻测量,结果应大于 20 MΩ。 绝缘试验后,设备应按预期工作并在规定的范围内。在测试过程中,设备不应通电。

  4.1.2 耐压试验

  耐压试验应使用 AC(50 Hz 或 60 Hz)或 DC测试电压进行。通过逐渐地将电压幅度增加到测试电压的方式来施加测试电压,试验时间为 1 min。在测试过程中,设备不应通电。对于 EN 50155:2017 标准未涵盖的电压供电设备,其试验电压的值应符合表 3 中的规定。 耐压试验中不应产生击穿或闪络,试验后,设备应按预期工作并在规定的范围内。

  表 3 耐压试验的试验电压

标称电池电压或 I/O 口电压

测试电压

72 VDC 或 50 VAC rms

500 VAC 或 750 VDC

72 VDCVDC125 VDC 或 50~90 VAC rms

1 000 VAC 或 1 500 VDC

125 VDC VDC < 315 VDC 或90 ~ 225 VAC rms

1 500 VAC 或 2 200 VDC

  4.2 供电电源试验

  A) 电源范围试验

  电子设备的电源端在表 4 所示的电压值下,应能正常工作。 在电源电压从零到最大的情况下,设备既不会失效, 也不会造成其他设备失效。 当电源电压在连续电压范围内时, 设备应在正常工作模式下重新启动。

  表 4 连续电压范围

标称电压 U n

限值

最小连续电压

0.7U n

最大连续电压

1.25U n

  B) 电源暂时过电压试验

  当值为 1.4U n 的电压的持续时间不超过 0.1 s时, 不应导致功能偏差, 设备应满足性能判据 A。当电压值为 1.4U n 的电值的持续时间不超过 1 s 时,设备应满足性能判据 B。 试验应重复 10 次。 试验波形如图 2-3 所示。

  

 

  图 2 暂时过电压试验波形

  

 

  图 3 暂时过电压试验波形

  C) 电源电压暂降试验

  电源电压暂降到 0.6U n , 当该电压的持续时间不超过 0.1 s 时不应引起功能降低, 设备应满足性能判据A。 试验应重复10次。 试验波形如图 4所示。

  

 

  图 4 电压暂降试验波形

  D) 电源电压中断试验

  该试验分成 S1、 S2 和 S3 3 个等级, 试验要求如表 5 所示。 试验等级的选择应由系统集成商定义; 除非另有规定, 否则适用 S2 类的要求。 电源电压中断试验波形如图 5 所示。

  表 5 电源电压中断等级

等级

试验要求

中断持续时间

S1

不做性能判定但设备应在电压中断后继续按规定运行

无要求

S2

设备应满足性能判据 A

10 ms

S3

设备应满足性能判据 A

20 ms

 

  图 5 电源电压中断试验波形

  E) 电源电压变化试验

  1) C1 级: 电压在 0.6U n (无中断) 持续 100 ms,设备应满足性能判据 A, C1 级电源电压变化如图6 所示。

  2) C2 级: 从 U n 开始的 30 ms 电源中断期间, 设备应满足性能判据 B。 电源中断是开路而非短路 “高阻抗条件”。 除非另有规定, 否则 C1类要求仅适用于电源。C2 级电源电压变化如图7 所示。

  

 

  图 6 电源电压变化 C1 级

  

 

  图 7 电源电压变化 C2 级

  4.3 电磁兼容试验

  EMC 全项目测试均应按照 EN 50121 -3 -2:2016 标准进行。 试验项目、 试验要求和性能判据如表 6 所示。 电磁兼容试验中的性能判据 A、 性能判据 B 和性能判据 C 的定义依据标准 EN 50121-1中的要求。

  表 6 电磁兼容试验

试验项目

试验要求

性能判据

传导发射试验

150~500 kHz峰值限值为 99 dBuV

500 kHz~30 MHz峰值限值为 93 dBuV

/

30 MHz~1 GHz辐射骚扰试验

30~230 MHz 准峰值限值为 50 dBuV/m

230 MHz~1 GHz 准峰值限值为 57 dBuV/m

/

1~6 GHz 辐射骚扰试验

1~3 GHz峰值限值为 76 dBuV/m 平均值限值为 56 dBuV/m

3~6 GHz, 峰值限值为 80 dBuV/m平均值限值为 60 dBuV/m

/

谐波失真试验

频率: 50 Hz~2 kHz, THD8%

/

静电放电抗扰度试验

接触放电±6 kV 空气放电±8 kV

B

浪涌(冲击)抗扰度试验

波形 1.2/50 us

线对地 ±2 kV 42 Ω 0.5 uF

线对线 ±1 kV 42 Ω 0.5 uF

B

电快速瞬变脉冲群抗扰度试验

峰值 ±2 kV 电源线和信号线);

T r / T h 试验波形 5/50 ns

重复频率 5 kHz

A

传导抗扰度试验

0.15~80 MHz 10 V rms); 80%AM 1 kHz

A

射频电磁场辐射抗扰度试验

80~800 MHz 20 V/m 80%AM 1 kHz

A

(数字无绳电话)射频电磁场辐射抗扰度试验

800~1000 MHz 20 V/m 80%AM 1 kHz

1400~2000 MHz 10 V/m 80%AM 1 kHz

2000~2700 MHz 5 V/m 80%AM 1 kHz

5100~6000 MHz 3 V/m 80%AM 1 kHz

A

  5 结束语

  本文通过分析车载电子设备的要求,进而为轨道交通车载电子设备DCDC隔离电源模块正确选型做出指导,对于铁路模块电源可靠使用具有重要意义。同时对 EN 50155: 2017 标准中测试章节的型式试验项目, 即性能试验、 绝缘试验、 电磁兼容试验的要求和试验方法等级判定进行了解读, 为轨道机车车辆上使用的电气和电子装置开展相关试验提供了一定的参考。

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