軌道機車電氣系統電磁干擾及耦合對設備可靠性的影響

南車株洲電力機車研究所有限公司 溫素英 劉學全 姚平剛 蔡萬銀

軌道機車電氣系統電磁干擾及耦合對設備可靠性的影響

南車株洲電力機車研究所有限公司 溫素英 劉學全 姚平剛 蔡萬銀

隨著軌道機車運行速度的提升，機車電氣系統構架及技術的更新，與既有標準相比，機車上的電磁干擾在強度和形式上發生了一定的變化。為研究電氣系統電磁干擾及耦合對機車設備可靠性的影響，本文構建了設備可靠性的評價指標，選取了三種常見的電磁干擾源，在三種開關設備中進行了實驗，分析電磁干擾及耦合對設備可靠性的影響，期望能為電磁干擾的抑制提供參考。

電磁干擾；耦合設備；可靠性

前言

1 電磁干擾與耦合

電磁干擾指系統在工作過程中出現的一些與有用信號無關的、并且對系統性能或信號傳輸有害的電氣變化現象。電磁干擾中的干擾源往往不是單一的，而是通過耦合的形式來對電子設備產生影響，它們通過交變電磁場、電路以及傳輸線路等方式耦合到被干擾的電子設備中。常見的各種電磁干擾根據耦合方式的不同可以分為以下兩種[1]：

(1)傳導耦合干擾。指電磁干擾產生的噪聲能量在電路中以電壓或電流的形式，通過金屬導線或電容器、電感器、變壓器等元件耦合到被干擾設備或電路中。

(2)輻射耦合干擾。電磁輻射耦合是指電磁干擾產生的噪聲能量以電磁場能量的形式，通過空間輻射進行傳播，并耦合到被干擾設備或電路中。

2 電磁干擾源

隨著我國軌道機車相關研發能力的增強，軌道機車電氣系統的智能化水平也越來越高，軌道機車電氣二次系統的可靠性要求也越來越高。在實際應用中，電磁干擾主要是對開關設備的輔助設備以及控制設備等二次系統造成干擾，從而影響軌道機車電氣系統的可靠性，通過對電子設備各部件的感染試驗。結合軌道機車電氣系統的運行情況，挑選具有代表性的高斯型脈沖、三角形脈沖和雙指數型脈沖[2]這三種瞬態電磁波對軌道機車電氣系統電磁干擾及耦合對設備可靠性進行分析。本文研究仿真模型的具體參數如下：高度h=0.5m，長度l=12m，終端負載阻抗Z=1.8kΩ，電纜與地面保持平行，由于電纜單端接地往往要比兩端接地受到的干擾要大，因此本文電纜引入方式選為兩端接地[3]。同時為了對不同瞬態電磁波進行對比分析，本文對這三種瞬態電磁波選取同樣的入射幅度（10kV/m）、入射方式，電場極化與電纜長度在方向上保持平行，電纜直徑與長度一樣，分析時間一樣為40光米。

（1）高斯型脈沖的函數表達式為（時域波形從略）：

（1）

（2）三角形脈沖的函數表達式為（時域波形從略）：

“在雪夜曬月亮，我們都快凍成四根凌冰掛樹上了，你們兩位就披一件葛布的袍子，不冷嗎？烏有先生你還搖著你的紙扇子，會傷風的啊！”上官星雨說。

當高斯型脈沖、三角形脈沖和雙指數型脈沖三種電磁波分別對電纜入射時，電纜端接收到的電磁耦合響應分別如圖1-圖3所示的曲線。

圖1 高斯型脈沖

圖2 三角形脈沖

圖3 雙指數型脈沖

從上述三種曲線圖可以看出，在電纜端接負載上耦合的電流波形與入射的瞬態脈沖波形相似，同時端接負載上的耦合電流呈周期性。結合軌道機車電氣系統電磁干擾的實際情況，可看出本文的數值模擬分析其吻合性較好，可據此分析電磁波對電子設備互聯電纜的電磁耦合影響，對抑制和減小電磁干擾有一定的指導作用。

3 設備可靠性評價

根據電子設備可靠性的概念，參考相關研究，本文根據科學性、實用性及可比性的原則對于軌道機車電氣系統設備可靠性的評價指標進行了構建[4]。

本文根據軌道機車電氣系統設備可靠性的評價指標選取原則，結合軌道機車電氣系統運行過程中的實際情況，對常見故障進行統計，選取可靠度、瞬時失效率、平均壽命對電氣系統的可靠性進行評價。

3.1 可靠度

指設備在規定的時間或操作次數及規定的條件下完成規定功能或動作的概率。可靠度用R表示，R是時間t的函數，表示為R(t)。假設軌道機車電氣系統中共有n臺電子設備，在規定時期t內，有m臺設備沒有按照要求完成既定功能或動作，那么軌道機車電氣系統的可靠度可用下列公式表示：

3.2 瞬時失效率

指設備在時刻t處于可用狀態，在時刻(t，t+Δt)出現失效的條件概率與區間長度Δt之比，即在時刻t以后的單位時間內發生失效的概率，一般用λ(t)表示。假設n臺設備從t=0時刻開始依次施加干擾源一次，到t瞬間共施加了一定臺次，其中的失效數為m(t)，在時間到t+Δt時刻，施加的臺次設備增多，失效數為m(t+Δt)，則失效率λ(t)可近似用下式計算。

3.3 平均壽命

由于原材料批次性能的差別、生產批次的差異性、調試過程的差別、使用環境的不同等原因，電子設備即使采用相同的工作原理及結構設計，其壽命也是不穩定的，可靠有效的使用時間各不相同。而平均壽命可對電子設備的整體情況進行評估。壽命測試是一種破壞性試驗，通過增加一定的應力，直到電子設備失效為止。試驗時一般采用抽樣的方式選取待測設備n個，施加電磁干擾進行試驗，記錄每個電子設備的失效時間，然后取平均值即可求得電子設備的平均壽命，平均壽命可用下列公式表示：

在上述三個指標中，參考時間t與可靠度、瞬時失效率、平均壽命三個指標息息相關，而試驗過程中，時間t決定了實驗次數，因此時間t也是試驗次數的函數。

4 試驗結果分析

4.1 數據計算

結合可靠度評價的指標與試驗情況，本文選取軌道機車電氣系統中常用的開關柜、斷路器以及晶閘管進行分析，確定各產品的可靠度評價指標數據，根據上述電磁干擾源的選取方法，收集軌道機車電氣系統的可靠度、瞬時失效率、平均壽命試驗數據，通過計算分析，可得本文研究結果如下。

4.1.1 可靠度

根據前文可靠度計算方法，可得計算數據如表1所示。

表1 可靠度數據分析

4.1.2 瞬時失效率

根據前文瞬時失效率計算方法，可得計算數據如表2所示。

表2 瞬時失效率數據分析

從表2可以看出，有些項目的瞬時失效率為0，這是由于本次試驗選取的時間有限，而隨著試驗時間的延長，實際的瞬時失效率一定是大于零的。

4.1.3 平均壽命

通過施加干擾，測試設備在電磁干擾環境下的失效時間，從而求得設備的可靠性從理論上是可行的。但是，對于很多設備來說，其失效時間可能會很長，因此進行試驗操作是非常困難的。同時，各個產品的壽命可能存在很大的差異性，因此平均壽命的測試必須要通過大樣本量進行測試，這樣通過分布函數進行計算才有意義，本文對此不進行詳述。

4.2 因子分析

在文中的討論中，僅針對這三項干擾進行所占權重分析，即忽略其他因子對設備可靠性的影響，假定這三種電磁干擾對設備的可靠性影響因數之和為1，按照前文所述方法進行數據統計，并進行數據分析，可計算出不同干擾源對不同設備的影響程度。參考層次分析法(AHP)對各因子進行分析，對各評價指標進行兩兩比較，從而判斷各指標的嚴重性以及影響程度，這是一種將人的主觀判斷用數量形式表達和處理以求得出評價的指標權重的方法[5]。首先構造判斷矩陣，即依據試驗數據的統計，接著在同一類型的受試設備上分別對兩兩試驗項目進行比例標度，最后確定各因子的權重，計算結果如表3所示。

表3 干擾項目評價指標權重

從表3可以看出，針對不同設備，當施加不同的電磁干擾時，其影響程度是不一樣的，開關柜以及斷路器受雙指數型脈沖影響較大，而晶閘管受高斯型脈沖影響較大。因此，在軌交機車電氣系統的研發工作中，可以根據測試的結果，根據不同設備的特點開展有針對性的抗干擾工作。

5 結束語

通過上述的試驗及分析方法，可判斷出各設備在施加不同應力時其可靠性的影響程度，從而選擇對設備影響較大的應力，有針對性的增加解決措施，在設計成本小幅度增加的同時最大程度地提高設備的可靠性。

另外，也可以通過估算設備在現場應用中每年承受的電磁干擾頻次，建立數據庫對歷史數據進行分析，得出軌道機車電氣系統的可靠性趨勢，使得軌道機車電氣系統中設備的壽命預測更加精準。

[1]馬世驍,林莘,王鈺等.高壓斷路器壽命可靠性判斷法[J].遼寧工程技術大學學報2006,25(11):170-172.

[2]IEC 61000-4-12:1995.Electromagnetic compatibilitytesting and measurement techniques-oscillatory waves immunity test[S].

[3]王園.互連電纜的電磁兼容性分析[J].電子科技大學學報,1996,25(6):599-605.

[4]Tzeremes G,Kirawanich P,Christodoulou C,et al.Transmission lines as radiating antenna in sources aperture interactions in electromagnetic topology simulations[J].IEEE Antennas andwireless propagation letters,2004,3:283-286

[5]李曉箭,康銳,戴飛,等.一種基于可靠性數學的電磁兼容性分析方法研究[J].遙測遙控,2010(1):65-70.

[6]陸儉國.國內外低壓電器可靠性概況及其發展前景[J].河北工業大學學報,2009,38(1):1-5.

溫素英（1980—），女，福建龍巖人，大學本科，現供職于南車株洲電力機車研究所有限公司，研究方向：可靠性及共性技術。