高速鐵路四電集成系統間電磁兼容風險識別技術分析

常媛媛

0 引言

高速鐵路的四電集成工程是鐵路建設過程中施工建造的主體工程之一，其中牽引供電、電力和通信、信號專業之間的電磁兼容性是保證工程質量的重要內容。目前，隨著我國高速鐵路建設的持續推進，設計速度達350 km/h甚至更高，設計牽引功率和牽引電流增大，同時通信設備及信號室內、軌旁控制設備技術升級，主體采用電子器件或微電子器件為核心的主控單元，這些因素客觀上使高速鐵路強弱電系統間的電磁兼容性變得敏感復雜。筆者查閱了近幾年國際鐵路建設項目的招標文件，其中電磁兼容性風險管理為強制性實施工程內容之一[1，2]。本文基于未來我國電氣化鐵路普及電磁兼容風險管理實施的趨勢[3，4]，結合我國電氣化鐵路四電集成項目現狀，對四電集成系統接口間產生電磁兼容風險的干擾源、干擾途徑及受擾對象進行技術分析并進行風險識別，為我國電氣化鐵路電磁兼容風險管理提供技術支撐。

1 高速鐵路四電系統集成電磁兼容風險分析的必要性

1.1 高速鐵路電磁環境特點

高速鐵路與既有電氣化鐵路相比，電磁環境具 有以下新特點：

（1）牽引功率及電流增大帶來的問題。主要包括：牽引供電系統無線電磁輻射發射對軌道區域內的弱電設備無線電干擾幾率增大；對信號電纜的磁感應耦合增大；在貫通地線接地電阻較大的區域，引起軌旁信號設備因地阻抗耦合發生損毀故障的幾率增大。

（2）高速鐵路通信、信號系統技術升級，大量微電子器件廣泛應用于微機、控制、調度指揮系統中，使其系統內部設備對電磁干擾的敏感度提高；同時電磁干擾源復雜、多變，對系統外部電磁環境及系統內電磁兼容協調性要求提高。

（3）動車組內大電流、高電壓的車載電力電子器件產生的強電磁干擾可能影響車內安裝的弱電信號設備的穩定性。

高速鐵路的電磁環境復雜，各種干擾源和受干擾設備同時存在，對在建及已開通的高速鐵路電磁環境及其影響的分析應根據研究對象和目標的特點采用不同方法和試驗手段，以確保防護措施的合理性和有效性。

1.2 高速鐵路電磁兼容風險分析必要性

建立、完善系統化的電磁兼容風險分析技術，目的是有效降低甚至消除高速鐵路強電和弱電系統間、系統內部的電磁兼容風險，達到行車全面電磁兼容性要求。

提前針對電磁兼容風險進行分析并采取合理有效的防護措施，可滿足鐵路建設以最合理投資得到最大化收益的原則需求。目前，鐵路行業對于電磁兼容問題的解決方式多為事后整改，在高速鐵路技術背景下，事后整改耗資較高、難度較大且不徹底，同時增加運營管理部門的維護管理難度，效率較低。通過電磁兼容風險分析技術，可以提前識別四電集成系統間電磁兼容風險，有效指導設計階段的電磁兼容設計，是實現將電磁兼容問題、隱患解決在開通前的重要技術環節，最大程度降低開通后因電磁兼容問題帶來的人、財、物消耗[5]。

2 四電集成接口間電磁兼容風險分析技術

高速鐵路四電集成系統工程包括牽引供電系統工程、電力系統工程、通信系統工程和信號系統工程（四電工程）。四電工程接口間的電磁兼容風險識別包括牽引供電系統與電力系統之間的電磁兼容風險分析與識別，牽引供電系統與通信、信號系統間的電磁兼容風險分析與識別，電力系統與通信、信號系統間的電磁兼容風險分析與識別，通信系統與信號系統之間的電磁兼容風險分析與識別等。需要提出的一點是，電磁兼容風險識別的重點在于識別強電系統對弱電系統可能造成電磁影響的干擾源識別的分析，同時兼顧弱電系統之間產生電磁影響的干擾源的識別分析，本文主要針對前者進行分析。

2.1 牽引供電系統對電力系統

我國高速鐵路采用工頻單相交流供電制式，目前主要以AT供電方式為主，牽引供電電壓27.5 kV，機車運行時網上牽引電流可達上千安，電力系統采用10 kV電力傳輸電纜，因此牽引供電系統對電力系統的干擾源主要為牽引回流。當電力電纜外屏蔽層雙端接地時，瞬間較大的牽引電流可能造成電纜燒損；在電纜屏蔽層接地接頭處，當接地處理不當時，可能造成接頭放電、黏連，甚至電纜燒損等情況。牽引供電系統與電力系統間電磁影響風險識別矩陣如表1所示。

表1 牽引供電系統與電力系統間電磁兼容風險識別矩陣

2.2 牽引供電系統對通信系統

牽引供電系統對通信系統的電磁干擾源主要包括：牽引網27.5 kV送電電壓、牽引電流及其高次諧波、無線電電磁輻射、雜散電流。干擾途徑包括：容性耦合、感性耦合、傳導、輻射等。受擾對象包括：通信室內設備、線路線纜、車載設備等。

（1）靜電感應電壓（電容性感應電壓）。當牽引網與通信線路平行架設，由于兩線路與大地間存在靜電電容，當牽引網帶27.5 kV電壓時，便在通信線路中產生靜電感應電壓。當通信電纜雙端絕緣敷設或單端接地對端絕緣敷設時，通常在電纜絕緣端測得的電壓是由該容性感應電壓引起[6]。

（2）牽引電流高次諧波的傳導干擾。由于電力機車為非線性負載，在整流換相和運行過程中會產生大量高次諧波電流，諧波電流會在通過導線傳導到設備的端口處對設備產生影響，同時，對電話機和人耳直接產生影響。

（3）無線電輻射干擾。機車在運行過程中，受電弓與接觸導線滑動接觸，受電弓離線產生的高頻電磁發射是電氣化鐵路主要的無線電干擾源。無線電波可能對通信設備造成同頻干擾或鄰頻干擾。

2.3 牽引供電系統對信號系統

牽引供電系統對信號系統的電磁干擾源主要包括：網上牽引電流、機車運行時受電弓離線產生的無線電輻射、牽引回流、牽引回流入地的雜散電流等。電磁影響途徑包括：傳導、電感應耦合、磁感應耦合、輻射發射等。信號系統的受擾設備、模塊、單元包括：沿線敷設的信號（信息）傳輸電纜、沿線安裝的室外設備、室外設備接地線、軌道電路、進出設備間的防雷模塊、軌道電路繼電器、機車內部的計算機/控制/顯示設備等。干擾源與受擾對象風險識別矩陣如表2所示。

（1）牽引回流對軌道電路的傳導干擾影響。牽引回流流過軌道電路的兩條鋼軌時，會有不平衡電流存在，不平衡電流會對軌道電路造成干擾。不平衡電流使流過扼流變壓器初級線圈的電流的磁通量不能完全抵消，在扼流變壓器次級線圈將產生一個感應電動勢，其大小相當于扼流變壓器一次側半個線圈中流有一個大小為兩條鋼軌電流差的電流在次級線圈中的感應值，該差值使扼流變壓器升壓，電壓升到一定程度會使軌道繼電器誤動。同時，牽引回流也會通過信號電纜或其外屏蔽層回流，造成對信號電纜芯線的電磁干擾。

（2）靜電感應耦合。當信號軌旁設備或信號電纜與大地之間有電勢差存在時，27.5 kV高壓接觸導線與設備之間或電纜間將會存在電容耦合，電容耦合將使信號設備或電纜產生靜電感應電動勢。

（3）電磁感應耦合。接觸導線上持續流過交流電流將會在周圍空間產生磁場，使附近的信號軌旁設備的易感部位或與接觸導線平行敷設的信號電纜通過磁感應耦合產生縱向感應電動勢。

（4）輻射。任一載流導體周圍都將產生感應電磁場并向外輻射一定強度的電磁波，處于電磁場中的任一導體則相當于一段接收天線。導體的這種天線效應是導致信號系統電子設備接收電磁輻射和相互產生電磁輻射干擾的根本原因。機車在運行過程中受電弓與接觸網滑動接觸時產生的無線電磁發射及弓網離線電弧產生的瞬間強電磁脈沖也會通過輻射發射使信號設備受到電磁干擾。

（5）其他情況。當牽引網發生接觸導線與鋼軌短路或接觸導線與正饋線短路等情況，或當機車發生受電弓絕緣閃絡、放電間隙擊穿等接地故障時，巨大的短路電流會對鋼軌造成瞬間不平衡電流的沖擊，造成扼流變壓器瞬間飽和，導致熔絲熔斷，從而使軌道繼電器誤動。機車受電弓過分相時的電磁暫態（電弧、電磁場的瞬變、鋼軌上牽引回流突變、合閘涌流）也是信號系統設備受到電磁干擾的原因之一。

牽引供電系統的電磁排放標準和限值應根據相關電磁兼容標準的要求和鐵路通信信號的抗擾度水平來確定，以保證達到鐵路運行的整體電磁兼容安全的要求。

表2 牽引供電系統與信號系統間電磁兼容風險識別矩陣

2.4 電力系統對通信信號系統

電力配電系統對通信信號系統的電磁影響主要體現在電力電纜和通信信號電纜平行接近敷設時，對通信信號電纜的靜電感應干擾和磁感應耦合干擾。10 kV電力電纜的高壓電可能會在通信信號電纜上產生靜電感應電壓，靜電電壓的長期存在可能造成通信信號電纜老化甚至燒損。同時需加強10 kV電力傳輸電纜的安全設計，電力傳輸電纜的擊穿燒損可能造成通信信號電纜受波及燒損。應通過分析設計圖紙，推算電纜縱向感應電動勢最大值限值，得出其與電力電纜鋪設最小間距及最大平行鋪設距離；或采取強弱電電纜分槽敷設設計[7]。

另外，當電壓諧波含量過高，有可能造成供電回路當中某次諧波產生局部諧振，使電網電壓的波形畸變嚴重，從而影響接入的通信信號設備的正常運行，同時對通信信號系統電源端口或電路造成射頻場感應的傳導干擾影響。電力系統與通信信號系統間電磁影響風險識別矩陣如表3所示。

表3 電力系統與通信信號系統間電磁兼容風險識別矩陣

3 結語

高速鐵路四電集成系統間的電磁環境復雜多變，往往具有很大隨機性，使系統間的電磁兼容風險分析也變得復雜，包括干擾源識別、干擾途徑、受擾對象的分析鎖定等，需要結合現場實際環境和干擾案例的分析進行系統化風險分析。通過大量具體案例的分析，同時結合電磁兼容理論分析，可以得出普遍性的主導規律，以指導高速鐵路電磁兼容問題的分析和解決，這需要科技工作者的持續努力。