CTCS-3级列控系统EMC技术的研究

郑 升

（铁道部运输局，北京 100844）

随着国内高速铁路的建设和多条客运专线的开通，中国的铁路运输网不断刷新运营里程、运营速度的世界纪录。CTCS-3级列控系统是目前我国技术最先进、自动化程度最高的列车运行控制系统。

在动车组上复杂的电磁环境中，各类电气电子设备密集，既有大电流高功率的牵引、变流、空调设备，也有处理微弱信号的通信与控制设备。它们之间能否达到电磁兼容状态，实现系统协同工作而互不干扰，使得电磁噪声控制与抑制、网络控制系统和车载设备的抗干扰性能、车载电气设备的布局、布线等设计面临严峻的考验。尤其对于网络控制系统、车载列控设备和安全回路而言，能否经受工作条件的考验，能否正常、安全、稳定地工作更是关系到整个铁路的安全运行的大事。

1 CTCS-3级列控系统的电磁兼容研究概述

CTCS-3是基于无线传输信息并采用轨道电路等方式检查列车占用的列车运行控制系统。CTCS-3级列控系统由车载子系统和地面子系统两大部分组成，其地面设备由列控中心（TCC）、无线闭塞中心（RBC）、点式信息设备、ZPW-2000轨道电路、GSMR-C无线通信网络设备等构成；车载子系统包括CTCS车载设备和无线系统车载模块。车载CTCS设备采用列车自动防护（ATP）系统，主要由安全计算机（VC）、轨道电路信息接收单元（STM）、应答器信息接收单元（BTM）、制动接口单元、运行记录单元、人机界面（DMI）、速度传感器、轨道电路信息接收天线（STM天线）、应答器接收天线（BTM天线）等组成。GSMR-C车载设备作为信息传输平台完成地车间大容量信息的交换。CTCS-3级列控系统组成，如图1所示。

为此，对CTCS-3级列控系统设备的电磁兼容技术研究，可以划分为“车”、“地”两大方面。本文将以车载ATP系统为例，介绍电磁兼容试验和相关的关键技术。

从电磁干扰的构成而言，离不开骚扰源、耦合途径和敏感设备3个要素，如图2所示。ATP系统作为一套复杂的信息处理和自动操控设备，需要采集轨道电路信息和应答器信息等弱信号，又包含无线通信子系统，故ATP本身较易成为敏感设备而受到干扰；动车组内电气电子设备繁杂，许多设备（尤其是大功率的电气牵引、变流设备）都有较强的电磁噪声发射。另一方面，ATP系统自身的设备也有一定的骚扰发射，这些都是潜在的骚扰源；动车组上设备密度大、安装空间狭窄、电缆布线密集，造成骚扰源与敏感设备之间的耦合途径不唯一，而是一种混合模式，为对干扰系统进行分析带来了一定的困难。

2 电磁兼容测试

2.1 标准测试

标准测试应当在通过国家认可实验室资质认定的实验室进行。作为涉及安全应用的关键设备，铁路信号设备的电磁兼容性测试不同于民用产品，不仅对传导发射和辐射发射指标做出了强制性规定，还对设备的抗扰度指标提出了严格的强制性要求。

对于ATP系统，应当依据中华人民共和国铁道行业标准TB/T3073-2003《铁道信号电气设备电磁兼容性试验及其限值》实施。在实验室搭建完整的模拟运行平台，以确保ATP系统中各设备在正常工作状态下进行测试。主要测试项目如表1所示。

2.2 现场测试

现场测试系指对已装备动车组的ATP系统进行运行期间的电磁兼容性测试。测试在试验线路或新建线试验样段进行。

不同于标准化的设备测试，现场测试的目的不是为了直接考察设备的骚扰发射与抗扰度性能，而是为了获取设备在实际工作条件下的电磁环境与兼容性电平等数据。由于要在动车运行状态下进行动态的测试，考虑到安全的因素，测试方案的实施不能影响到动车组上设备的正常工作，即测试手段和方法不能破坏或更改设备的任何电气结构和连接关系，也不允许对其注入或施加任何额外的电磁骚扰。在这个前提下，现场测试的内容就被严格限制在“不对被测对象造成影响的测量”的范畴之内。

表1 ATP系统需进行的电磁兼容标准测试项目

针对ATP系统的敏感设备单元，可以进行如下的测试项目：ATP设备机械间的电磁环境测量、ATP设备主要信号电缆上感应骚扰电流的测量、在GSM-R天线端口测量GSM-R频段的射频骚扰等。配合测试序列的设计，在进行上述测量项目的过程中，可以对空调系统产生的电磁噪声、受电弓升降产生的电磁骚扰、弓网离线放电脉冲等骚扰源进行有针对性测量。

举例而言，电磁骚扰往往通过各种信号端口进入车载列控设备而造成干扰并引发设备故障。动车组上的电磁骚扰耦合方式可能非常复杂，既存在共地线耦合、线间串扰，也存在空间辐射场被电缆（或天线）接收而窜入设备，这些耦合往往都是混合模式的，且各类干扰都能在信号电缆上反映出共模骚扰电流。无论是接地系统设计缺陷、布线不合理或者电缆接地处理不好，由这些信号端口进入设备的电磁骚扰均有可能引起设备的工作异常或者故障，故而可以对车载ATP设备的各种信号输入端口进行共模骚扰电流测量。例如对ATP系统BTM单元的天线端口，可以使用电流钳探头将其卡在电缆的外皮上，来测量该端口上的共模骚扰电流，如图3所示。实际测量的结果如图4所示。

在现场测试得到数据的基础上，结合试验当时的运行工况等条件进行分析，可以初步判断哪一种形式的骚扰来自牵引系、哪一种形式的来自弓网间的火花噪声等。为验证分析结果的正确性，还需要对实际的牵引电机、变频电源等单体设备进行测试。这项工作在车上无法实现，因为在整个车辆系统内无法分辨具体的噪声来源，所以需要到制造厂家对各类设备在试验台上进行测试。

2.3 故障模拟试验

由于在实验室进行的标准化试验，是针对单台设备或者某一子系统进行的。即使设备通过了符合性测试，但当其安装到动车组上，工作在一个复杂的电磁环境之中时，却有可能发生电磁兼容性问题。一是由于实际环境中的电磁骚扰与实验室施加的试验波形不同，二是实际工作环境的电磁骚扰可能超过标准规定的试验电平。

对于发生的电磁兼容性故障，在确定了敏感故障单元后，可以结合对该单元设备进行的现场测量数据，设计具体的故障模拟试验，在试验室进行试验，复现现场的故障现象，从而获得设备敏感端口的具体的敏感度电平，进而采取适当的措施来抑制骚扰和消除干扰。

仍以BTM的天线端口为例。如果在现场发现该设备发生故障，怀疑该故障系由电磁干扰引起，并且从现场测试频谱中发现有一段可疑的高电平骚扰，那么就可以设计以下的试验，如图5所示。

试验的布置类似于射频场感应的传导骚扰抗扰度试验，但注入的骚扰信号不再是标准方法中的80%AM（1 kHz），而是现场实测的结果，产生一宽带的模拟骚扰。骚扰的频谱特性如图5中左上所示，骚扰的带宽以应能覆盖BTM上行频带为宜。模拟的电磁骚扰经射频功率放大器放大后，再经由功率衰减器进行阻抗匹配，送入骚扰耦合装置——电磁注入钳，将骚扰以共模方式注入待测的BTM天线电缆，注入方向为上行方向（天线→BTM）。注入的骚扰功率电平视试验需要而定，可以连续调节。逐渐提高试验等级，即逐步增大输入骚扰的功率，直至BTM设备出现和现场一致的故障现象（如解码误码或其他），在近BTM端口的电缆上监测注入骚扰的共模电流（通过共模电流钳），用以和现场测试的结果加以比对。同时还可以测量该端口的差模电压（通过射频分配网络，这是在现场测试中无法实现的），从而可以获知待测设备端口的共模输入阻抗。

3 标准发展现状及展望

3.1 标准现状

从目前执行标准的情况来看，对于铁路设施（包括对车载电子设备）的电磁兼容性要求与测试方法，主要通过各类强制性或推荐性标准加以约束。铁路的电磁兼容标准化发展历史并不算长，最具代表性的是1996年欧共体建立了一套标准：EN50121-1996《铁路应用－电磁兼容性》，在2000年、2006年又作了进一步补充和修改。国际标准有IEC62236-2003《铁路应用－电磁兼容性》，与EN50121-2000是等同采用的。EN50121-2006是目前世界上最完整的轨道交通EMC标准，共分5个部分，内容囊括轨道交通系统整体对周围环境的影响、系统内机车、车载设备、通信信号设备、输变电站等的电磁兼容性要求；规范了铁路系统对外界的辐射、铁路固定供电设备、机车车辆、列车及配套车辆、车载设备及仪表、信号设备和电信设备等骚扰发射和抗干扰等特性。这些标准是强制性的，为此轨道交通产品的一些著名制造厂商在产品设计的初始阶段都把电磁兼容性作为产品的主要性能指标列入设计文件，例如阿尔卡特、西门子等。

我国铁路的电磁兼容标准还未形成系列化，目前国内有关铁路系统的电磁兼容性标准，国标有2个，行业标准2个，还有十余个标准渗入电磁兼容的内容。目前执行的TB/T3034-2002《机车车辆电气设备电磁兼容性试验及其限值》等同于 EN50121-3-2：2000，TB/T3073-2003《铁道信号电气设备电磁兼容性试验及其限值》等效于EN50121-4：2000。

3.2 标准发展展望

随着对电磁兼容问题重视程度的不断加强，近年来国际上及国内国标的修订工作都在不断推进。而铁路标准的发展就相对滞后，主要体现在以下3个方面。

（1）标准的修订与更新相应滞后。如TB/T3073中的抗扰度试验项目，所依据的基础标准GB/T17626系列标准已经修订至2008版，而铁标仍然按照1998版或1999版的内容执行。有些项目已不能满足实际工作的需要。

（2）目前国内现行的铁路行业标准TB/T3034和TB/T3073中的测试项目，都是针对设备级的电磁兼容测试项目，而对于系统级的电磁兼容测试方法和评价体系尚未确立。

（3）国内尚未建立铁路电磁兼容的标准体系。目前的行业标准虽然借鉴和移植自EN50121，但没有进行系统化的标准建设，没有形成一部完整的自成体系的标准。

对于整车及车辆分系统间的电磁兼容设计实施细则，目前国内铁道行业也尚无统一的规范性指导文件。虽然各个主要设备厂商及车辆制造商都应有企业内部的指导规范和控制流程，仍需要将这些规范在整个铁路行业内进行整合与统一，从而对所有企业的设计加以规范和约束，为整车系统集成创造良好技术条件，为我国铁路自主化创新铺平道路。

4 小结与展望

由于电磁兼容涉及电磁场等复杂的理论问题，所以国内外的科研单位和大学都在对电磁兼容性进行广泛的理论研究。目前的研究主要集中在电磁兼容预测仿真模型的建立、电磁兼容设计的理论分析、新的电磁兼容测试和抑制技术的研究方面。

就铁路应用而言，要加强对设备的电磁兼容性重视程度，将电磁干扰在设备装备之前就加以抑制和消除。具体而言要做好3项工作：规范产品的电磁兼容设计；严格执行产品的电磁兼容测试与认证工作；推进行业及国家标准的制订工作。