高速铁路四电集成系统间电磁兼容风险识别技术分析

常媛媛

0 引言

高速铁路的四电集成工程是铁路建设过程中施工建造的主体工程之一，其中牵引供电、电力和通信、信号专业之间的电磁兼容性是保证工程质量的重要内容。目前，随着我国高速铁路建设的持续推进，设计速度达350 km/h甚至更高，设计牵引功率和牵引电流增大，同时通信设备及信号室内、轨旁控制设备技术升级，主体采用电子器件或微电子器件为核心的主控单元，这些因素客观上使高速铁路强弱电系统间的电磁兼容性变得敏感复杂。笔者查阅了近几年国际铁路建设项目的招标文件，其中电磁兼容性风险管理为强制性实施工程内容之一[1，2]。本文基于未来我国电气化铁路普及电磁兼容风险管理实施的趋势[3，4]，结合我国电气化铁路四电集成项目现状，对四电集成系统接口间产生电磁兼容风险的干扰源、干扰途径及受扰对象进行技术分析并进行风险识别，为我国电气化铁路电磁兼容风险管理提供技术支撑。

1 高速铁路四电系统集成电磁兼容风险分析的必要性

1.1 高速铁路电磁环境特点

高速铁路与既有电气化铁路相比，电磁环境具 有以下新特点：

（1）牵引功率及电流增大带来的问题。主要包括：牵引供电系统无线电磁辐射发射对轨道区域内的弱电设备无线电干扰几率增大；对信号电缆的磁感应耦合增大；在贯通地线接地电阻较大的区域，引起轨旁信号设备因地阻抗耦合发生损毁故障的几率增大。

（2）高速铁路通信、信号系统技术升级，大量微电子器件广泛应用于微机、控制、调度指挥系统中，使其系统内部设备对电磁干扰的敏感度提高；同时电磁干扰源复杂、多变，对系统外部电磁环境及系统内电磁兼容协调性要求提高。

（3）动车组内大电流、高电压的车载电力电子器件产生的强电磁干扰可能影响车内安装的弱电信号设备的稳定性。

高速铁路的电磁环境复杂，各种干扰源和受干扰设备同时存在，对在建及已开通的高速铁路电磁环境及其影响的分析应根据研究对象和目标的特点采用不同方法和试验手段，以确保防护措施的合理性和有效性。

1.2 高速铁路电磁兼容风险分析必要性

建立、完善系统化的电磁兼容风险分析技术，目的是有效降低甚至消除高速铁路强电和弱电系统间、系统内部的电磁兼容风险，达到行车全面电磁兼容性要求。

提前针对电磁兼容风险进行分析并采取合理有效的防护措施，可满足铁路建设以最合理投资得到最大化收益的原则需求。目前，铁路行业对于电磁兼容问题的解决方式多为事后整改，在高速铁路技术背景下，事后整改耗资较高、难度较大且不彻底，同时增加运营管理部门的维护管理难度，效率较低。通过电磁兼容风险分析技术，可以提前识别四电集成系统间电磁兼容风险，有效指导设计阶段的电磁兼容设计，是实现将电磁兼容问题、隐患解决在开通前的重要技术环节，最大程度降低开通后因电磁兼容问题带来的人、财、物消耗[5]。

2 四电集成接口间电磁兼容风险分析技术

高速铁路四电集成系统工程包括牵引供电系统工程、电力系统工程、通信系统工程和信号系统工程（四电工程）。四电工程接口间的电磁兼容风险识别包括牵引供电系统与电力系统之间的电磁兼容风险分析与识别，牵引供电系统与通信、信号系统间的电磁兼容风险分析与识别，电力系统与通信、信号系统间的电磁兼容风险分析与识别，通信系统与信号系统之间的电磁兼容风险分析与识别等。需要提出的一点是，电磁兼容风险识别的重点在于识别强电系统对弱电系统可能造成电磁影响的干扰源识别的分析，同时兼顾弱电系统之间产生电磁影响的干扰源的识别分析，本文主要针对前者进行分析。

2.1 牵引供电系统对电力系统

我国高速铁路采用工频单相交流供电制式，目前主要以AT供电方式为主，牵引供电电压27.5 kV，机车运行时网上牵引电流可达上千安，电力系统采用10 kV电力传输电缆，因此牵引供电系统对电力系统的干扰源主要为牵引回流。当电力电缆外屏蔽层双端接地时，瞬间较大的牵引电流可能造成电缆烧损；在电缆屏蔽层接地接头处，当接地处理不当时，可能造成接头放电、黏连，甚至电缆烧损等情况。牵引供电系统与电力系统间电磁影响风险识别矩阵如表1所示。

表1 牵引供电系统与电力系统间电磁兼容风险识别矩阵

2.2 牵引供电系统对通信系统

牵引供电系统对通信系统的电磁干扰源主要包括：牵引网27.5 kV送电电压、牵引电流及其高次谐波、无线电电磁辐射、杂散电流。干扰途径包括：容性耦合、感性耦合、传导、辐射等。受扰对象包括：通信室内设备、线路线缆、车载设备等。

（1）静电感应电压（电容性感应电压）。当牵引网与通信线路平行架设，由于两线路与大地间存在静电电容，当牵引网带27.5 kV电压时，便在通信线路中产生静电感应电压。当通信电缆双端绝缘敷设或单端接地对端绝缘敷设时，通常在电缆绝缘端测得的电压是由该容性感应电压引起[6]。

（2）牵引电流高次谐波的传导干扰。由于电力机车为非线性负载，在整流换相和运行过程中会产生大量高次谐波电流，谐波电流会在通过导线传导到设备的端口处对设备产生影响，同时，对电话机和人耳直接产生影响。

（3）无线电辐射干扰。机车在运行过程中，受电弓与接触导线滑动接触，受电弓离线产生的高频电磁发射是电气化铁路主要的无线电干扰源。无线电波可能对通信设备造成同频干扰或邻频干扰。

2.3 牵引供电系统对信号系统

牵引供电系统对信号系统的电磁干扰源主要包括：网上牵引电流、机车运行时受电弓离线产生的无线电辐射、牵引回流、牵引回流入地的杂散电流等。电磁影响途径包括：传导、电感应耦合、磁感应耦合、辐射发射等。信号系统的受扰设备、模块、单元包括：沿线敷设的信号（信息）传输电缆、沿线安装的室外设备、室外设备接地线、轨道电路、进出设备间的防雷模块、轨道电路继电器、机车内部的计算机/控制/显示设备等。干扰源与受扰对象风险识别矩阵如表2所示。

（1）牵引回流对轨道电路的传导干扰影响。牵引回流流过轨道电路的两条钢轨时，会有不平衡电流存在，不平衡电流会对轨道电路造成干扰。不平衡电流使流过扼流变压器初级线圈的电流的磁通量不能完全抵消，在扼流变压器次级线圈将产生一个感应电动势，其大小相当于扼流变压器一次侧半个线圈中流有一个大小为两条钢轨电流差的电流在次级线圈中的感应值，该差值使扼流变压器升压，电压升到一定程度会使轨道继电器误动。同时，牵引回流也会通过信号电缆或其外屏蔽层回流，造成对信号电缆芯线的电磁干扰。

（2）静电感应耦合。当信号轨旁设备或信号电缆与大地之间有电势差存在时，27.5 kV高压接触导线与设备之间或电缆间将会存在电容耦合，电容耦合将使信号设备或电缆产生静电感应电动势。

（3）电磁感应耦合。接触导线上持续流过交流电流将会在周围空间产生磁场，使附近的信号轨旁设备的易感部位或与接触导线平行敷设的信号电缆通过磁感应耦合产生纵向感应电动势。

（4）辐射。任一载流导体周围都将产生感应电磁场并向外辐射一定强度的电磁波，处于电磁场中的任一导体则相当于一段接收天线。导体的这种天线效应是导致信号系统电子设备接收电磁辐射和相互产生电磁辐射干扰的根本原因。机车在运行过程中受电弓与接触网滑动接触时产生的无线电磁发射及弓网离线电弧产生的瞬间强电磁脉冲也会通过辐射发射使信号设备受到电磁干扰。

（5）其他情况。当牵引网发生接触导线与钢轨短路或接触导线与正馈线短路等情况，或当机车发生受电弓绝缘闪络、放电间隙击穿等接地故障时，巨大的短路电流会对钢轨造成瞬间不平衡电流的冲击，造成扼流变压器瞬间饱和，导致熔丝熔断，从而使轨道继电器误动。机车受电弓过分相时的电磁暂态（电弧、电磁场的瞬变、钢轨上牵引回流突变、合闸涌流）也是信号系统设备受到电磁干扰的原因之一。

牵引供电系统的电磁排放标准和限值应根据相关电磁兼容标准的要求和铁路通信信号的抗扰度水平来确定，以保证达到铁路运行的整体电磁兼容安全的要求。

表2 牵引供电系统与信号系统间电磁兼容风险识别矩阵

2.4 电力系统对通信信号系统

电力配电系统对通信信号系统的电磁影响主要体现在电力电缆和通信信号电缆平行接近敷设时，对通信信号电缆的静电感应干扰和磁感应耦合干扰。10 kV电力电缆的高压电可能会在通信信号电缆上产生静电感应电压，静电电压的长期存在可能造成通信信号电缆老化甚至烧损。同时需加强10 kV电力传输电缆的安全设计，电力传输电缆的击穿烧损可能造成通信信号电缆受波及烧损。应通过分析设计图纸，推算电缆纵向感应电动势最大值限值，得出其与电力电缆铺设最小间距及最大平行铺设距离；或采取强弱电电缆分槽敷设设计[7]。

另外，当电压谐波含量过高，有可能造成供电回路当中某次谐波产生局部谐振，使电网电压的波形畸变严重，从而影响接入的通信信号设备的正常运行，同时对通信信号系统电源端口或电路造成射频场感应的传导干扰影响。电力系统与通信信号系统间电磁影响风险识别矩阵如表3所示。

表3 电力系统与通信信号系统间电磁兼容风险识别矩阵

3 结语

高速铁路四电集成系统间的电磁环境复杂多变，往往具有很大随机性，使系统间的电磁兼容风险分析也变得复杂，包括干扰源识别、干扰途径、受扰对象的分析锁定等，需要结合现场实际环境和干扰案例的分析进行系统化风险分析。通过大量具体案例的分析，同时结合电磁兼容理论分析，可以得出普遍性的主导规律，以指导高速铁路电磁兼容问题的分析和解决，这需要科技工作者的持续努力。