城市軌道交通機電核心系統建設環節的電磁兼容問題探討

陳光宇

(上海申通軌道交通研究咨詢有限公司， 200070， 上?！胃呒壒こ處?

T/CAMET 04017.2—2019《城市軌道交通 全自動運行系統規范 第2部分：核心設備產品》提出:“全自動運行系統是基于現代計算機、通信、控制和系統集成技術，由信號、車輛、綜合監控、通信、站臺門等與列車運行相關的設備組成，實現列車運行全過程自動化的系統?！庇纱丝芍?，城市軌道交通的信號系統、車輛、綜合監控系統、通信系統、站臺門等共同構成機電核心系統。這是個強電與弱電共存的復雜系統，存在著各種類型的電磁干擾，可能給機電核心系統運行的可靠性、列車運行的安全性及人員健康帶來嚴重的影響。如果能在機電核心系統的建設環節，正確識別電磁干擾隱患，從技術上采取相應的抑制或防護措施，就能有效避免或降低EMC(電磁兼容)問題帶來的危害，從而確保城市軌道交通機電核心系統設備能在電磁環境中安全、穩定、可靠地工作，有效降低對乘客及工作人員健康的影響。

1 EMC問題研究的相關現狀

國際電工委員會(IEC)對EMC的定義為：電子、電氣系統或設備在所處的電磁環境中能正常工作，同時不會對其環境中的其他事物產生不能承受的電磁干擾的能力。EMC包括EMI(電磁干擾)及EMS(電磁耐受性)兩部分。EMI是指系統或設備本身在執行應有功能的過程中，伴隨電壓、電流作用而產生的，不利于其他系統、設備、有生命或無生命物體的電磁騷擾。EMS是指處在一定環境中的系統或設備，在執行應有功能的過程中，承受相應標準、相應規定范圍內的電磁能量干擾的能力。

目前，在城市軌道交通機電核心系統建設環節，對EMC問題及其影響的理解通常不夠全面和深刻。這主要表現在：

1)在機電核心系統的采購階段，業主方會編制各系統的電磁兼容要求，并納入招標文件用戶需求書中的“通用技術要求”章節。而該要求所參照的EMC標準、涉及的范圍及深度缺乏統一的認識和籌劃。

2)在機電核心系統的設計階段，各系統供貨商缺少對城市軌道交通運行環境中存在的干擾源及其干擾機理進行定量、定性分析，缺少對所有易受干擾源干擾的設備進行有效的界定。

3)在機電核心系統設計、制造及安裝階段，大多數系統供貨商僅僅向業主方提供部分設備的EMC第三方實驗室檢測報告，并未提出針對EMC隱患分析結果而采取的EMC優化措施和方法。

4)在機電核心系統調試及試運行階段，各系統供貨商未對現場的EMC環境(包含機房和軌旁)進行充分測試和評估，也未采取有效隔離手段來降低電磁干擾到可接受的程度，而是往往等到出現了影響運行的電磁騷擾事件時才進行補救。

對于UGT(城市軌道交通運輸)系統而言，在GB/T 32590.1—2016《軌道交通 城市軌道交通運輸管理和指令控制系統 第1部分：系統原理和基本概念》中對EMC提出了明確的要求。可見，關注EMC問題是城市軌道交通建設過程中不可或缺的環節，將會對即將建成的機電核心系統的可靠性、可操作性以及安全性產生深遠的影響。

2 招標采購階段的EMC標準選擇

在國際范圍上，EMC標準的制定已經有了80多年的發展歷程。起初，由CISPR(國際無線電子干擾標準化特別委員會)對各種用電設備和系統提出了相關的電磁干擾發射限值和測量方法。隨著電子、電氣設備的迅速發展，為了解決日趨增多的EMC問題，世界各大標準化組織和各國標準化機構也陸續制定了許許多多的EMC標準，大致可分為：①基礎標準，如GB/T 6113《無線電騷擾和抗擾度測量設備和測量方法規范》系列標準等；②通用標準，如GB 17799.4—2012《電磁兼容 通用標準 工業環境中的發射》等；③產品族標準，如GB 9254—2008《信息技術設備的無線電騷擾限值和測量方法》等；④專用產品標準。

EMC標準不僅種類繁多、專業性強，而且各專業系統間的接口還存在著復雜的關聯性。因此，對不同專業的招標文件通用技術條件而言，難以選擇合適的EMC標準。在建設環節的招標采購階段，應從電磁環境影響、機電核心系統、重點設備機房評價、頻帶干擾等方面的評價來選擇EMC標準。

2.1 對電磁環境影響評價的標準

城市軌道交通項目中可能影響人體健康的電磁輻射，主要來自于牽引變電站高壓設施產生的工頻電磁場和高頻電磁輻射，以及專用的無線電設施設備產生的射頻電磁輻射等。

GB 8702—2014《電磁環境控制限值》定義了電磁環境中控制公眾暴露的評價和管理方法。其中，下列產生電場、磁場、電磁場的設施或設備可以豁免：①100 kV以下電壓等級的交流輸變電設施；②向無屏蔽空間發射0.1 MHz～300 GHz電磁場的，且其等效輻射功率小于規定上限值的設施或設備。

表1 可豁免設施或設備的等效輻射功率上限

由此可見，從電磁環境保護管理角度，城市軌道交通項目僅需要考慮110 kV變電站所產生的電磁場騷擾(其工頻電場強度控制限值為10 kV/m)，并按HJ 24—2014《環境影響評價技術導則 輸變電工程》中的電磁環境影響評價工作等級進行三級評價。由于工頻磁場強度控制限值未在GB 8702—2014中定義，故可參考ICNIRP(國際非電離輻射防護委員會)制定的《限制時變電場、磁場及電磁場暴露的導則》，將對公眾全天輻射時的限值100 μT(如果用磁場強度表示,相當于80 A/m)作為工頻磁場的評價標準。

2.2 機電核心系統的評價標準

為確保各機電核心系統設備能在工作電磁環境中安全、穩定、可靠地工作，機電核心系統設備的電磁兼容性應滿足GB/T 24338《軌道交通 電磁兼容》系列標準或EN 50121《鐵路應用 電磁兼容》系列標準的要求。這2個標準雖存在對應關系，卻也存在一定的差異。此外，同一標準的不同版本也存在差異。例如，GB/T 24338.4—2018的“發射試驗和限值” 部分規定了機箱端口的發射限值，且該限值要求與EN 50121-3-2：2015的要求對應。但在最新版的EN 50121-3-2：2016/A1：2019標準中， “發射試驗和限值”部分卻取消了機箱端口的發射限值規定。故業主應選擇統一的標準及版本來納入各機電核心系統招標文件，以免產生矛盾，對評判造成不必要的困擾。

此外，有些業主在招標時采用GB 4824—2019《工業、科學和醫療設備 射頻騷擾特性限值和測量方法》，或與之相對應的EN 55011：2016《工業、科學和醫療設備-射頻干擾特性-限值和測量方法》作為列車車載設備必須執行的電磁兼容標準。相較于GB/T 24338.4或EN 50121-3-2系列標準，GB 4824—2019與EN 55011：2016將列車車載設備的傳導發射限值提高了20 dB。由此，業主方應該在實際項目中進一步確認該取值的合理性。

2.3 重點設備機房的評價標準

根據交通運輸部2019年頒布的《交通運輸部辦公廳關于印發城市軌道交通初期運營前安全評估技術規范 第1部分：地鐵和輕軌的通知》，在線路初期運營前，應對信號、通信等重點設備機房進行電磁兼容測試，可采用GB 50174—2017《數據中心設計規范》作為機房電磁兼容的執行標準。

2.4 頻帶干擾的評價標準

為確保城市軌道交通車地無線通信系統有足夠的保護，以防止其他在ISM(工業、科學、醫療)頻段及LTE(長期演進)頻段工作的無線通信設備干擾，需對城市軌道交通工程全線的車站(含站廳和站臺)、隧道區間(含風井)、車輛段、停車場及控制中心等區域的無線電磁環境進行全面測試及評價，此項評價可采用GB/T 51211—2016《城市軌道交通無線局域網寬帶工程技術規范》和T/CAMET 04005.1—2018《城市軌道交通車地綜合通信系統(LTE-M)總體規范第一部分：系統需求》等標準。

3 工程實施階段的EMC管理

為了確保城市軌道交通機電核心系統所有電氣和電子設備的設計和制造能滿足電磁兼容的相關要求，也為了確保在工作電磁環境中運行的設備無質量和性能的退化或功能的損失，業主方應在建設環節的工程實施階段，監督并參與各承包商的EMC管理活動。建議業主方能在建設環節增設專門的EMC管理小組，將技術和組織管理相結合，以解決EMC問題。

3.1 EMC管理計劃

城市軌道交通機電核心系統的承包商應在合同簽訂后1個月內，編制并向業主提交EMC管理計劃。該計劃包括EMC管理的組織機構、所提供的主要子系統涉及EMC的描述、列出所采用的EMC標準、工程各階段為示范和保證EMC性能所執行的活動與任務、列出須提交給業主EMC成果文件等內容。

3.2 EMC隱患分析報告

城市軌道交通機電核心系統的承包商應在設計聯絡開始前1個月，編制各專業系統的EMC隱患分析初步報告。該隱患分析包括識別設備對EMI的易感性、EMI的設備或系統來源、干擾發生的相應后果、緩解EMI的建議措施，還包括該系統同其他安裝于城市軌道交通電磁環境中的接口系統之間的電磁兼容性，以及本系統內部的電磁兼容性等。

城市軌道交通機電核心系統的承包商應在設計聯絡過程中充分識別EMC的隱患，提出EMC的控制措施和解決方案，并在設計聯絡完成后1個月內，編制并向業主提交1份終版的EMC隱患分析報告。

3.3 EMC測試計劃

為了確保機電核心系統各專業承包商所交付的產品滿足合同規定的電磁兼容標準，需要建立針對性的測試流程。通過測試來判定機電核心系統是否滿足EMC的設計要求，是否與城市軌道交通的EMC環境相兼容，進而驗證承包商在各專業系統設計中采用了合理、有效、安全的電磁兼容措施。

城市軌道交通機電核心系統的各專業承包商應在系統設備交付前3個月，編制并向業主提交本專業系統的EMC測試計劃。測試計劃應分為兩個階段：交付前測試和交付后測試。交付前的測試是指在第三方電磁兼容實驗室或得到業主許可的廠內實驗室進行的EMC測試。交付后測試是指在軌道交通安裝現場的電磁環境中進行的EMC測試。

EMC測試計劃的編制應該嚴格契合EMC管理計劃中的EMC標準依據，并結合EMC隱患分析報告中所關注的風險點進行定義、測試和驗證。

3.4 EMC測試報告

EMC測試工作完成后，城市軌道交通機電核心系統的各專業承包商應在其系統設備交付前1個月向業主提交實驗室EMC測試報告；在其系統開通試運營前1個月向業主提交現場EMC測試報告。EMC測試報告應包含測試結果，并提供符合合同及已建立的EMC要求證據。EMC測試報告通常包括以下部分內容：適用標準、被測設備、設備和電纜布置結構、測試場所、測試設備列表、度量單位、測試程序、報告的測試數據、正常條件和特殊條件、綜合結果、所需的簽名、測試報告附錄等。

4 結語

機電核心系統是實現城市軌道交通統一指揮調度、保證列車運行安全、提高運輸效率和質量的關鍵技術設備。電磁干擾可能會導致機電核心系統設備故障，從而影響運營的安全和效率。如今，多個城市都在積極推進全自動無人駕駛線路(GOA4級別，即自動化等級為4級)的建設，對各專業系統設備的可靠性和安全性都提出了更高的要求。為了避免既有線運營中日益增多的EMC問題在未來建成的新線中重復出現，本文梳理并探討了招標采購階段EMC標準的選擇和工程實施階段的EMC管理，對新線建設中機電核心系統設備的電磁兼容性管理有一定借鑒意義。