CTCS-3級列控系統(tǒng)EMC技術(shù)的研究

鄭 升

（鐵道部運輸局，北京 100844）

隨著國內(nèi)高速鐵路的建設和多條客運專線的開通，中國的鐵路運輸網(wǎng)不斷刷新運營里程、運營速度的世界紀錄。CTCS-3級列控系統(tǒng)是目前我國技術(shù)最先進、自動化程度最高的列車運行控制系統(tǒng)。

在動車組上復雜的電磁環(huán)境中，各類電氣電子設備密集，既有大電流高功率的牽引、變流、空調(diào)設備，也有處理微弱信號的通信與控制設備。它們之間能否達到電磁兼容狀態(tài)，實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)同工作而互不干擾，使得電磁噪聲控制與抑制、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)和車載設備的抗干擾性能、車載電氣設備的布局、布線等設計面臨嚴峻的考驗。尤其對于網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、車載列控設備和安全回路而言，能否經(jīng)受工作條件的考驗，能否正常、安全、穩(wěn)定地工作更是關系到整個鐵路的安全運行的大事。

1 CTCS-3級列控系統(tǒng)的電磁兼容研究概述

CTCS-3是基于無線傳輸信息并采用軌道電路等方式檢查列車占用的列車運行控制系統(tǒng)。CTCS-3級列控系統(tǒng)由車載子系統(tǒng)和地面子系統(tǒng)兩大部分組成，其地面設備由列控中心（TCC）、無線閉塞中心（RBC）、點式信息設備、ZPW-2000軌道電路、GSMR-C無線通信網(wǎng)絡設備等構(gòu)成；車載子系統(tǒng)包括CTCS車載設備和無線系統(tǒng)車載模塊。車載CTCS設備采用列車自動防護（ATP）系統(tǒng)，主要由安全計算機（VC）、軌道電路信息接收單元（STM）、應答器信息接收單元（BTM）、制動接口單元、運行記錄單元、人機界面（DMI）、速度傳感器、軌道電路信息接收天線（STM天線）、應答器接收天線（BTM天線）等組成。GSMR-C車載設備作為信息傳輸平臺完成地車間大容量信息的交換。CTCS-3級列控系統(tǒng)組成，如圖1所示。

為此，對CTCS-3級列控系統(tǒng)設備的電磁兼容技術(shù)研究，可以劃分為“車”、“地”兩大方面。本文將以車載ATP系統(tǒng)為例，介紹電磁兼容試驗和相關的關鍵技術(shù)。

從電磁干擾的構(gòu)成而言，離不開騷擾源、耦合途徑和敏感設備3個要素，如圖2所示。ATP系統(tǒng)作為一套復雜的信息處理和自動操控設備，需要采集軌道電路信息和應答器信息等弱信號，又包含無線通信子系統(tǒng)，故ATP本身較易成為敏感設備而受到干擾；動車組內(nèi)電氣電子設備繁雜，許多設備（尤其是大功率的電氣牽引、變流設備）都有較強的電磁噪聲發(fā)射。另一方面，ATP系統(tǒng)自身的設備也有一定的騷擾發(fā)射，這些都是潛在的騷擾源；動車組上設備密度大、安裝空間狹窄、電纜布線密集，造成騷擾源與敏感設備之間的耦合途徑不唯一，而是一種混合模式，為對干擾系統(tǒng)進行分析帶來了一定的困難。

2 電磁兼容測試

2.1 標準測試

標準測試應當在通過國家認可實驗室資質(zhì)認定的實驗室進行。作為涉及安全應用的關鍵設備，鐵路信號設備的電磁兼容性測試不同于民用產(chǎn)品，不僅對傳導發(fā)射和輻射發(fā)射指標做出了強制性規(guī)定，還對設備的抗擾度指標提出了嚴格的強制性要求。

對于ATP系統(tǒng)，應當依據(jù)中華人民共和國鐵道行業(yè)標準TB/T3073-2003《鐵道信號電氣設備電磁兼容性試驗及其限值》實施。在實驗室搭建完整的模擬運行平臺，以確保ATP系統(tǒng)中各設備在正常工作狀態(tài)下進行測試。主要測試項目如表1所示。

2.2 現(xiàn)場測試

現(xiàn)場測試系指對已裝備動車組的ATP系統(tǒng)進行運行期間的電磁兼容性測試。測試在試驗線路或新建線試驗樣段進行。

不同于標準化的設備測試，現(xiàn)場測試的目的不是為了直接考察設備的騷擾發(fā)射與抗擾度性能，而是為了獲取設備在實際工作條件下的電磁環(huán)境與兼容性電平等數(shù)據(jù)。由于要在動車運行狀態(tài)下進行動態(tài)的測試，考慮到安全的因素，測試方案的實施不能影響到動車組上設備的正常工作，即測試手段和方法不能破壞或更改設備的任何電氣結(jié)構(gòu)和連接關系，也不允許對其注入或施加任何額外的電磁騷擾。在這個前提下，現(xiàn)場測試的內(nèi)容就被嚴格限制在“不對被測對象造成影響的測量”的范疇之內(nèi)。

表1 ATP系統(tǒng)需進行的電磁兼容標準測試項目

針對ATP系統(tǒng)的敏感設備單元，可以進行如下的測試項目：ATP設備機械間的電磁環(huán)境測量、ATP設備主要信號電纜上感應騷擾電流的測量、在GSM-R天線端口測量GSM-R頻段的射頻騷擾等。配合測試序列的設計，在進行上述測量項目的過程中，可以對空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁噪聲、受電弓升降產(chǎn)生的電磁騷擾、弓網(wǎng)離線放電脈沖等騷擾源進行有針對性測量。

舉例而言，電磁騷擾往往通過各種信號端口進入車載列控設備而造成干擾并引發(fā)設備故障。動車組上的電磁騷擾耦合方式可能非常復雜，既存在共地線耦合、線間串擾，也存在空間輻射場被電纜（或天線）接收而竄入設備，這些耦合往往都是混合模式的，且各類干擾都能在信號電纜上反映出共模騷擾電流。無論是接地系統(tǒng)設計缺陷、布線不合理或者電纜接地處理不好，由這些信號端口進入設備的電磁騷擾均有可能引起設備的工作異常或者故障，故而可以對車載ATP設備的各種信號輸入端口進行共模騷擾電流測量。例如對ATP系統(tǒng)BTM單元的天線端口，可以使用電流鉗探頭將其卡在電纜的外皮上，來測量該端口上的共模騷擾電流，如圖3所示。實際測量的結(jié)果如圖4所示。

在現(xiàn)場測試得到數(shù)據(jù)的基礎上，結(jié)合試驗當時的運行工況等條件進行分析，可以初步判斷哪一種形式的騷擾來自牽引系、哪一種形式的來自弓網(wǎng)間的火花噪聲等。為驗證分析結(jié)果的正確性，還需要對實際的牽引電機、變頻電源等單體設備進行測試。這項工作在車上無法實現(xiàn)，因為在整個車輛系統(tǒng)內(nèi)無法分辨具體的噪聲來源，所以需要到制造廠家對各類設備在試驗臺上進行測試。

2.3 故障模擬試驗

由于在實驗室進行的標準化試驗，是針對單臺設備或者某一子系統(tǒng)進行的。即使設備通過了符合性測試，但當其安裝到動車組上，工作在一個復雜的電磁環(huán)境之中時，卻有可能發(fā)生電磁兼容性問題。一是由于實際環(huán)境中的電磁騷擾與實驗室施加的試驗波形不同，二是實際工作環(huán)境的電磁騷擾可能超過標準規(guī)定的試驗電平。

對于發(fā)生的電磁兼容性故障，在確定了敏感故障單元后，可以結(jié)合對該單元設備進行的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，設計具體的故障模擬試驗，在試驗室進行試驗，復現(xiàn)現(xiàn)場的故障現(xiàn)象，從而獲得設備敏感端口的具體的敏感度電平，進而采取適當?shù)拇胧﹣硪种乞}擾和消除干擾。

仍以BTM的天線端口為例。如果在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)該設備發(fā)生故障，懷疑該故障系由電磁干擾引起，并且從現(xiàn)場測試頻譜中發(fā)現(xiàn)有一段可疑的高電平騷擾，那么就可以設計以下的試驗，如圖5所示。

試驗的布置類似于射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗，但注入的騷擾信號不再是標準方法中的80%AM（1 kHz），而是現(xiàn)場實測的結(jié)果，產(chǎn)生一寬帶的模擬騷擾。騷擾的頻譜特性如圖5中左上所示，騷擾的帶寬以應能覆蓋BTM上行頻帶為宜。模擬的電磁騷擾經(jīng)射頻功率放大器放大后，再經(jīng)由功率衰減器進行阻抗匹配，送入騷擾耦合裝置——電磁注入鉗，將騷擾以共模方式注入待測的BTM天線電纜，注入方向為上行方向（天線→BTM）。注入的騷擾功率電平視試驗需要而定，可以連續(xù)調(diào)節(jié)。逐漸提高試驗等級，即逐步增大輸入騷擾的功率，直至BTM設備出現(xiàn)和現(xiàn)場一致的故障現(xiàn)象（如解碼誤碼或其他），在近BTM端口的電纜上監(jiān)測注入騷擾的共模電流（通過共模電流鉗），用以和現(xiàn)場測試的結(jié)果加以比對。同時還可以測量該端口的差模電壓（通過射頻分配網(wǎng)絡，這是在現(xiàn)場測試中無法實現(xiàn)的），從而可以獲知待測設備端口的共模輸入阻抗。

3 標準發(fā)展現(xiàn)狀及展望

3.1 標準現(xiàn)狀

從目前執(zhí)行標準的情況來看，對于鐵路設施（包括對車載電子設備）的電磁兼容性要求與測試方法，主要通過各類強制性或推薦性標準加以約束。鐵路的電磁兼容標準化發(fā)展歷史并不算長，最具代表性的是1996年歐共體建立了一套標準：EN50121-1996《鐵路應用－電磁兼容性》，在2000年、2006年又作了進一步補充和修改。國際標準有IEC62236-2003《鐵路應用－電磁兼容性》，與EN50121-2000是等同采用的。EN50121-2006是目前世界上最完整的軌道交通EMC標準，共分5個部分，內(nèi)容囊括軌道交通系統(tǒng)整體對周圍環(huán)境的影響、系統(tǒng)內(nèi)機車、車載設備、通信信號設備、輸變電站等的電磁兼容性要求；規(guī)范了鐵路系統(tǒng)對外界的輻射、鐵路固定供電設備、機車車輛、列車及配套車輛、車載設備及儀表、信號設備和電信設備等騷擾發(fā)射和抗干擾等特性。這些標準是強制性的，為此軌道交通產(chǎn)品的一些著名制造廠商在產(chǎn)品設計的初始階段都把電磁兼容性作為產(chǎn)品的主要性能指標列入設計文件，例如阿爾卡特、西門子等。

我國鐵路的電磁兼容標準還未形成系列化，目前國內(nèi)有關鐵路系統(tǒng)的電磁兼容性標準，國標有2個，行業(yè)標準2個，還有十余個標準滲入電磁兼容的內(nèi)容。目前執(zhí)行的TB/T3034-2002《機車車輛電氣設備電磁兼容性試驗及其限值》等同于 EN50121-3-2：2000，TB/T3073-2003《鐵道信號電氣設備電磁兼容性試驗及其限值》等效于EN50121-4：2000。

3.2 標準發(fā)展展望

隨著對電磁兼容問題重視程度的不斷加強，近年來國際上及國內(nèi)國標的修訂工作都在不斷推進。而鐵路標準的發(fā)展就相對滯后，主要體現(xiàn)在以下3個方面。

（1）標準的修訂與更新相應滯后。如TB/T3073中的抗擾度試驗項目，所依據(jù)的基礎標準GB/T17626系列標準已經(jīng)修訂至2008版，而鐵標仍然按照1998版或1999版的內(nèi)容執(zhí)行。有些項目已不能滿足實際工作的需要。

（2）目前國內(nèi)現(xiàn)行的鐵路行業(yè)標準TB/T3034和TB/T3073中的測試項目，都是針對設備級的電磁兼容測試項目，而對于系統(tǒng)級的電磁兼容測試方法和評價體系尚未確立。

（3）國內(nèi)尚未建立鐵路電磁兼容的標準體系。目前的行業(yè)標準雖然借鑒和移植自EN50121，但沒有進行系統(tǒng)化的標準建設，沒有形成一部完整的自成體系的標準。

對于整車及車輛分系統(tǒng)間的電磁兼容設計實施細則，目前國內(nèi)鐵道行業(yè)也尚無統(tǒng)一的規(guī)范性指導文件。雖然各個主要設備廠商及車輛制造商都應有企業(yè)內(nèi)部的指導規(guī)范和控制流程，仍需要將這些規(guī)范在整個鐵路行業(yè)內(nèi)進行整合與統(tǒng)一，從而對所有企業(yè)的設計加以規(guī)范和約束，為整車系統(tǒng)集成創(chuàng)造良好技術(shù)條件，為我國鐵路自主化創(chuàng)新鋪平道路。

4 小結(jié)與展望

由于電磁兼容涉及電磁場等復雜的理論問題，所以國內(nèi)外的科研單位和大學都在對電磁兼容性進行廣泛的理論研究。目前的研究主要集中在電磁兼容預測仿真模型的建立、電磁兼容設計的理論分析、新的電磁兼容測試和抑制技術(shù)的研究方面。

就鐵路應用而言，要加強對設備的電磁兼容性重視程度，將電磁干擾在設備裝備之前就加以抑制和消除。具體而言要做好3項工作：規(guī)范產(chǎn)品的電磁兼容設計；嚴格執(zhí)行產(chǎn)品的電磁兼容測試與認證工作；推進行業(yè)及國家標準的制訂工作。