国内外铁路通信信号设备环境条件标准体系对比分析

郭玉华,李天石

(中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081)

引言

当前中国已经形成设计速度250～350 km/h高速铁路、160 km/h客货共线铁路、120 km/h货运铁路、200 km/h及以下城际铁路的架构清晰、体系完整的铁路运输体系，中国铁路建设取得的成就举世瞩目。开展中外铁路通信信号设备技术标准对比及差异性分析，研究通信信号设备对国外铁路环境条件的适应性，为承揽国外铁路工程项目提供基础信息和技术资料，对“走出去”发展战略及“一带一路”发展倡议具有十分重要的意义。

国际上铁路环境条件标准主要采用国际电工委员会起草的IEC标准及欧洲EN标准，而IEC标准在参考或基于EN标准基础上，又结合了其他IEC成员国的建议。国内采用的环境条件标准GB一般等同采用IDT或修改采用MOD国际IEC标准，因此GB对于IEC及EN标准而言，有一定的借鉴、采纳或继承关系。但由于GB和IEC标准考虑的国别范围不同，更新周期不同，导致GB与IEC标准存在一些差异。因此，需要对这些标准进行比较分析，明确我国现行GB与IEC标准之间的差异和适应性，为适应海外工程的产品研发提供依据。

1 气候及振动冲击环境条件标准对比及适应性分析

1.1 气候及冲击振动环境标准概况

铁路通信信号设备气候及振动冲击环境条件标准，国际上主要采用IEC/TC 104“国际电工委员会—气候环境、分级和测试方法技术委员会”、IEC/TC 9“国际电工委员会—铁路牵引电气设备和系统技术委员会”，以及由欧洲电工技术标准化委员会及欧洲标准化委员会CENELEC/CEN制定的欧洲EN标准。根据CCS TSI应用导则[1]，欧洲铁路ETCS采用EN 50125[2]。国内则主要有SAC/TC 278“全国牵引电气设备与系统标准化技术委员会”和SAC/TC 8“全国通信信号产品气候环境和环境试验标准化技术委员会”制定的标准，以及行业标准TB。

目前国内外铁路采用的气候环境条件标准及冲击振动标准见表1。

表1 国内外铁路通信信号设备气候环境及冲击振动标准

1.2 气候环境及振动冲击标准对比分析

促进国际标准统一是标准化工作的基本原则之一。在此原则指导下，SAC/TC 278及SAC/TC 8以等同采用或修改采用IEC国际标准的方法制定相应GB标准，并在此基础上结合我国气候环境和振动冲击条件的具体情况，在等级划分和限值设定上进行了一些修改和调整。

1.2.1 车载设备环境条件标准对比分析

GB/T 25119修改采用IEC 60571，适用于安装于车上的控制、保护、供电等电子设备。表2给出了GB/T 25119和IEC 60571气候环境条件的主要区别。

表2 GB/T 25119与IEC 60571气候环境条件差别

由表2可见，GB/T 25119对海拔要求高于IEC 60571，并根据我国气候特点及车载设备实际工作环境，增加或删除了个别条款。

GB/T 25119对振动冲击要求及试验引用了GB/T 21563，而GB/T 21563等同采用IEC 61373。分析可知：GB/T 21563—2008[5]对车载设备分类、车载设备应进行的试验类别、试验顺序，以及试验采用的加速度频谱密度(ASD)、加速度均方根值(r.m.s)、各方向持续时间等参数，均与IEC 61373—1999[6]中的规定完全一致。

以上分析可知：在一般环境条件方面，根据我国通信信号车载设备实际使用环境，GB/T 25119修改采用了IEC 60571，但不低于IEC 60571要求；振动冲击等同采用IEC 61373，所以车载设备环境条件标准完全满足国际标准要求。

1.2.2 地面设备环境条件标准对比分析

目前地面设备环境条件有GB/T 32347.3标准，以及TB/T 1433、TB/T 1434标准，另外还有振动试验标准TB/T 2846。

(1)GB/T 32347.3 信号和通信设备环境条件标准修改采用IEC 62498-3，而IEC 62498-3代替EN 50125-3，可见GB/T 32347.3与IEC和EN是一脉相承的。

表3给出了GB 32347.3与IEC 62498-3海拔参数的对比情况。GB 32347.3—2015[7]将海拔分为5个等级，重点在海拔1 400 m以上，1 400 m以下统一为G1.4级。IEC 62498-3：2010[8]分为4个等级，重点在海拔1 400 m以下，1 400 m以上统一为AX级。可见GB不仅完全覆盖了IEC标准的要求，而且在高原部分的规定比IEC更具体。

表3 GB 32347.3与IEC 62498-3海拔参数对比

GB 32347.3—2015将温度和湿度划分为T1、T2、TX三个等级，各等级极限值、温度变化率等与IEC 62498—3：2010完全一致；取消了IEC中无室外气象温度的T3、T4、T5三个等级。对于暴露在室外的设备应能承受的空气流动、风、雨、雪、冰雹、太阳辐射等自然条件等方面的规定，除降雨外，GB 32347.3—2015与IEC 62498—3：2010完全一致。对于降雨，GB一般情况按6 mm/min考虑，特殊情况按15 mm/min考虑；而IEC仍划分为6个等级，但取值与GB基本相当，见表4。

表4 IEC 62498—3：2010降雨分级

(2)TB/T 1433和TB/T 1434非等效采用了IEC 60721—3—3和IEC 60721—3—4中气候环境和振动冲击等级的相关规定，同时参考了其他IEC标准，并根据铁路通信信号设备使用情况进行了调整和个别修改。

TB/T 1433—1999[9]和TB/T 1434—1999[10]中规定大气压力为70～106 kPa，相当于海拔3 000 m以下，与IEC 60721一致。根据室内外及温湿度调节等因素，TB/T 1433—1999和TB/T 1434-1999将气候条件分为六级：有温度和湿度控制的室内场所KX1及KX2、有温度控制的室内KX3、温度和湿度全无控制的室内KX4、室外空间较小的封闭场所KX5、直接暴露于室外KX6。这6个等级的温度、湿度、太阳辐射、热辐射、凝露、降雨等条件，基本覆盖了IEC 60721-3-3：2002[11]中除3K9(热带雨林)和3K10(热带沙漠)外的所有气候条件。

(3)TB/T 2846规定了地面固定使用的振动试验要求及方法，该标准参考了IEC 60721、日本JIS标准及相关国军标。TB/T 2846—2015[12]规定地面设备应进行的振动试验包括共振试验、振动性能试验和振动耐久试验，根据振动频率及位移幅值(或加速度幅值)将试验分为四类，分别适用于安装于室内、轨旁、轨枕上或钢轨上的信号设备。由于TB/T 2846参考了相关国军标，并以现场实测数据为依据，其对振动试验参数，特别是加速度幅值的规定，大大高于同类IEC标准和TB。如TB/T 2846—2015共振试验的第4类加速度全振幅规定为981 m/s2，相当于100g，而TB/T 1433中仅为50 m/s2，约为5g，可见TB/T 2846比同类标准的规定要严格得多。

在地面设备一般环境条件标准GB 32347.3、TB/T 1433及TB/T 1434中，GB 32347.3等同采用IEC 62498—3；TB/T 1433及TB/T 1434参考了IEC 60721，其中海拔要求高于IEC 60721，一般环境条件要求覆盖了IEC 60721。地面设备振动标准TB/T 2846更是高于IEC标准要求。

1.2.3 高原环境条件标准

GB/T 20626.X是基于国家科技基础研究专项“极端(特殊)气候环境的物质标准”的研究成果，针对我国西部高原、干热和沙漠等严酷环境下各类基础装备的环境适应性，对环境极限条件及分级、模拟试验方法等形成的特殊气候环境系列标准。

由于高原环境下，空气压力和空气密度下降，空气温度和湿度降低，昼夜温差大，太阳辐射强，对低压电器的介电性能、温升、材料耐候性等提出了新的要求，GB/T 20626.X给出了相应性能指标要求及试验方法，为应用于高原环境的通信信号设备高原适应性试验验证和考核提供了依据。铁路通信信号产品一般采用GB/T 20626.1—2006[13]的规定，进行产品介电性能、耐受电压等试验参数的高海拔修正，从而考核产品对高原环境条件的适应性。

1.3 气候环境及冲击振动标准区别和适应性

1.3.1 标准的区别

(1)车载设备标准

GB/T 25119对车载设备应适应的气候环境条件的规定与IEC 60571是基本一致的，其对海拔高度的要求高于后者，对振动冲击的规定与IEC 61373完全一致。

(2)地面设备标准

GB/T 32347.3完全覆盖了IEC 62498—3海拔高度要求的同时，针对海拔1 400 m以上进行了进一步划分和详细规定，海拔最高可达到5 000 m；温度和湿度的等级划分则将IEC的6个等级简化为3个等级，个别参数也进行了调整，但可以覆盖IEC的要求。

TB/T 1433和TB/T 1434海拔规定为3 000 m以下，与IEC 60721一致。由于TB主要考虑国内正常使用中遇到的气候环境，而IEC考虑的是全球(或全体成员国)范围内气候环境，因此TB/T 1433和TB/T 1434将气候环境条件由IEC 60721的13个等级简化为6个级，涵盖了除热带雨林和热带沙漠以外的IEC 60721中规定的所有环境条件。

振动试验标准TB/T 2846将机械(振动)环境条件分为四类，并规定了产品应进行的振动试验种类、试验条件等，针对性和可操作性更强。由于TB 2846参考了国军标的内容，因此在振动频率、加速度全振幅等试验参数设置上要严于IEC标准。

(3)高原环境条件标准

高原环境条件标准GB/T 20626.X给出了高原条件下，设备介电性能、温升、材料耐候性等方面的要求及试验方法，为车载和地面设备进行高原适用性试验提供了依据，而国际上适用于铁路通信信号设备的高原环境条件标准尚属空白。

1.3.2 标准的适应性

从以上分析可知，目前我国铁路通信信号车载和地面设备采用的主要气候环境条件标准、振动冲击标准基本等同采用或修改采用了IEC标准。对于修改采用IEC标准的，根据我国气候环境条件修改了相应技术参数，但修改后与IEC标准仍然是可以兼容的。地面设备振动标准还参考了国军标，振动频率、加速度(或位移)振幅等的规定要严于IEC相关标准。高原环境条件标准更是填补了国际国外标准的空白。因此我国目前铁路通信信号环境条件标准完全可以满足“走出去”工程需要。

2 电磁兼容标准对比及适应性分析

高速铁路的迅速发展，对通信信号设备在铁路复杂电磁环境下的稳定性和可靠性提出了更高的要求。一方面通信信号设备的电磁兼容抗扰度性能必须达到相关标准要求；另一方面，为了避免通信信号设备影响其他电子设备，其对外的电磁辐射需控制在电磁兼容标准要求范围以内。因此，电磁兼容测试标准在通信信号系统设备检测标准中占有较重要的地位。

2.1 电磁兼容标准体系的组成

我国铁路电磁兼容标准、IEC铁路电磁兼容标准、EN铁路电磁兼容标准的组成分别见图 1、图2和图3。

图1 我国铁路电磁兼容标准的组成

图2 IEC铁路电磁兼容标准的组成

图3 EN铁路电磁兼容标准的组成

EN 50121-X系列标准是全球第一套完整的铁路电磁兼容标准，IEC 62236-X在EN 50121-X基础上修订形成，GB/T24338.X[14]等同采用或者修改采用IEC 62236-X标准，3套标准的总体结构基本相同。

2.2 电磁兼容标准的对比分析

虽然GB电磁兼容标准的组成部分及各部分针对的领域与IEC标准和EN标准一致，但是各个部分中试验项目的具体要求存在一定的差异。

涉及到铁路通信信号系统的主要有4部分：第1部分 总则，第3(3-1)部分 机车车辆 列车和整车，第4(3-2)部分 机车车辆 设备，第5(4)部分 信号和通信设备的发射和抗扰度。

第1部分总则，规定了整套标准的适用范围和性能判据，国内外电磁兼容标准在第1部分没有本质上的区别。

第3(3-1)部分主要规定了铁路系统机车车辆在静态和慢行状态下对外电磁辐射的测量和限值。3个标准在测量方法上差别不大，但是在限值要求上有较大差别。静态试验限值中，GB没有专门规定有轨/无轨电车的限值，而IEC和EN标准有相关规定，具体如图4所示(虚线限值)，即有轨/无轨电车的静态发射限值，IEC和EN标准要严于GB。在慢行试验限值中，GB限值低于IEC和EN标准10 dB，说明GB在慢速运行条件下铁路机车车辆的发射要求要严于IEC和EN，具体见图5。

注：实线为IEC和EN标准限值，虚线为GB限值图4 静态试验限值区别

图5 慢行试验限值区别

第4(3-2)部分主要规定了车载设备的电磁发射限值和电磁骚扰抗扰度要求，电磁发射的限值分为传导发射限值和空间辐射发射限值，按照电磁骚扰的类型和进入设备的途径分别制定了不同的抗扰度要求。GB、IEC和EN标准由于制定的年代不同，考虑的电磁环境也不完全一致，因此在具体试验要求上不尽相同，具体区别见表5。

表5 第4部分GB与国外标准测试项目对比

从表5可以看出：3个标准在射频场传导骚扰抗扰度试验、静电放电试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验上没有什么区别，基本的试验等级要求和考核端口均一样。在浪涌试验的试验等级和考核端口方面3个标准均一致，但是在干扰信号源阻抗方面的规定略有不同，GB源阻抗为2 Ω和12 Ω，而其他两个标准均规定的是42 Ω。我国这样规定主要认为是在电源端口进行试验，参照了GB/T 17626.5中电源浪涌试验直接注入的方式来设定参数，而另外两个标准是参照间接耦合的施加方式来设定浪涌信号参数。在干扰电压一定的情况下，源阻抗越小，电流越大，这样一来GB在浪涌这一项上要严于另外两个标准。3个标准在传导发射和辐射发射试验中的区别主要是频率覆盖范围不同，EN标准范围最大，覆盖了较为全面的频段，IEC标准覆盖的频率略小，而GB覆盖的频率最少。在辐射抗扰度实验中，GB和另外两个标准差别较大，在80～1 000 MHz频段另外两个标准要求明显严于GB要求，在1 400～2 000 MHz频段GB要严于另外两个标准，在2 000～2 500 MHz频段GB没有限值要求，而另外两个标准均有要求。GB对车载设备的耐受电源波动的能力有要求，而IEC标准和EN标准没有做明确规定。

第5(4)部分主要规定了铁路中通信信号地面设备的电磁发射限值和电磁骚扰抗扰度要求，内容和要求与第4部分类似。具体区别见表6。

表6 第5部分GB与国外标准测试项目对比

从表6可以看出：3个标准在射频场传导骚扰抗扰度试验、浪涌试验、静电放电试验、电快速瞬变脉冲群抗扰度试验和传导发射上没有什么区别，基本的试验等级要求和考核端口均一样。在辐射抗扰度实验中，GB和另外两个标准差别较大，在80～1 000 MHz频段另外两个标准要求明显严于GB，在1 400～2 000 MHz频段GB要严于另外两个标准，在2 000～2 500 MHz频段GB没有限值要求，而另外两个标准均有要求。在工频磁场抗扰度试验中，GB对直流磁场抗扰度的要求是100 A/m，而另外两个标准的要求是300 A/m。GB和IEC标准对脉冲磁场抗扰度有要求，而EN标准没有相关规定。辐射发射试验要求频率覆盖范围不同，IEC标准和EN标准考虑覆盖了1～6 GHz的频率范围，而GB只覆盖了1 GHz下的频率。

2.3 标准的区别与适用性

2.3.1 标准的区别

通过以上对比可知，GB使用的基本测试方法和手段与国际标准基本一致，在个别试验项目的具体频率要求和限值上有所差别。在铁路系统静态、慢速、正常运行对外界的电磁辐射限值的要求上，GB严于或者等同于其他两个标准。在单一设备抗扰度和发射限值上，主要区别有：车载设备和地面设备辐射发射试验的覆盖频率， EN标准要求覆盖的频率更宽，最高频率到6 GHz，充分考虑到现阶段所使用电子设备的频率需求，而GB的要求还停留在1 GHz以下；车载设备和地面设备的辐射抗扰度的频率和限值，IEC标准和EN标准要求的频率最高到6 GHz，场强限值也更为合理，GB的频率要求只覆盖到2 GHz，而且在1 GHz以下的场强限值也不如IEC标准和EN标准的严格；在车载设备电源端口浪涌和电压波动项目上，GB考虑了更为不利的电源供电情况，浪涌冲击试验的短路电流要大于IEC标准和EN标准，同时要求考核车载设备承受电源短时波动和中断的能力。

2.3.2 标准的适用性分析

现阶段在通信信号设备对外界的电磁发射和外界通信系统的电磁辐射对通信信号设备的抗扰度方面，GB没有国际标准考虑的全面，国际标准频率覆盖更大，标准限值严于GB的要求。满足GB标准要求，在绝大部分的抗扰度和发射限值要求上可以满足国际标准的要求，但是可能在辐射抗扰度和辐射发射的试验项目上不满足国际上标准的要求。因此对于“走出去”的产品而言，需要考虑这2个项目国际标准的在更宽频率上的要求。

3 结论

通过以上对比分析可以看出，我国铁路通信信号设备采用的环境条件标准，主要是在等同采用或修改采用相应的国际标准基础上，结合我国铁路环境条件特点制定的，可以满足国外主要国家和地区铁路环境条件要求。

另外提出以下几点需要注意的问题。

(1)GB 32347.3等同采用IEC 62498-3，是专门针对铁路应用而制定的环境条件标准，且基于CCS TSI应用导则规定的欧洲铁路环境条件标准EN 50125，技术要求更明确具体，针对性更强。因此，建议今后地面产品技术标准制定及试验检验中，尽量采用GB 32347.3替代TB/T 1433及TB/T 1434。

(2)GB电磁兼容标准的试验项目和试验方法与IEC标准和EN标准基本相同；大部分项目的限值要求也与IEC标准和EN标准的要求相同，个别试验项目(如辐射抗扰度、辐射发射等)的限值要求与IEC标准和EN标准有所差别。对于要“走出去”产品而言，如果满足GB电磁兼容标准要求，在绝大部分的抗扰度和发射限值要求上可以满足国际标准的要求，但在辐射抗扰度和辐射发射的试验项目上是否能够满足国际标准要求，还需要通过相关试验验证。

(3)需要注意的是，本文以目前在用的GB和TB有效版本为基础，分析其与相应国际标准的差别，而没有考虑国际标准的更新换版。以IEC 61373为例，本文的分析基于IEC 61373—2008，而其最新版本为IEC 61373—2010。文献[15]显示，由于选用的疲劳模型不同以及对循环次数的定义发生了变化，IEC 61373—2010相比于IEC 61373—2008，模拟长寿命试验采用的加速振动量级对应的加速比大幅度降低，如果按照IEC 61373—2010进行试验考核，意味着降低了对产品结构强度的要求。可见不能将标准版本更新简单理解成技术要求的提高，而是要结合相应的技术发展进行综合分析，对GB或TB进行及时更新，以保证其先进性、适用性和经济性。