國內外鐵路通信信號設備環境條件標準體系對比分析

郭玉華,李天石

(中國鐵道科學研究院集團有限公司通信信號研究所,北京 100081)

引言

當前中國已經形成設計速度250～350 km/h高速鐵路、160 km/h客貨共線鐵路、120 km/h貨運鐵路、200 km/h及以下城際鐵路的架構清晰、體系完整的鐵路運輸體系，中國鐵路建設取得的成就舉世矚目。開展中外鐵路通信信號設備技術標準對比及差異性分析，研究通信信號設備對國外鐵路環境條件的適應性，為承攬國外鐵路工程項目提供基礎信息和技術資料，對“走出去”發展戰略及“一帶一路”發展倡議具有十分重要的意義。

國際上鐵路環境條件標準主要采用國際電工委員會起草的IEC標準及歐洲EN標準，而IEC標準在參考或基于EN標準基礎上，又結合了其他IEC成員國的建議。國內采用的環境條件標準GB一般等同采用IDT或修改采用MOD國際IEC標準，因此GB對于IEC及EN標準而言，有一定的借鑒、采納或繼承關系。但由于GB和IEC標準考慮的國別范圍不同，更新周期不同，導致GB與IEC標準存在一些差異。因此，需要對這些標準進行比較分析，明確我國現行GB與IEC標準之間的差異和適應性，為適應海外工程的產品研發提供依據。

1 氣候及振動沖擊環境條件標準對比及適應性分析

1.1 氣候及沖擊振動環境標準概況

鐵路通信信號設備氣候及振動沖擊環境條件標準，國際上主要采用IEC/TC 104“國際電工委員會—氣候環境、分級和測試方法技術委員會”、IEC/TC 9“國際電工委員會—鐵路牽引電氣設備和系統技術委員會”，以及由歐洲電工技術標準化委員會及歐洲標準化委員會CENELEC/CEN制定的歐洲EN標準。根據CCS TSI應用導則[1]，歐洲鐵路ETCS采用EN 50125[2]。國內則主要有SAC/TC 278“全國牽引電氣設備與系統標準化技術委員會”和SAC/TC 8“全國通信信號產品氣候環境和環境試驗標準化技術委員會”制定的標準，以及行業標準TB。

目前國內外鐵路采用的氣候環境條件標準及沖擊振動標準見表1。

表1 國內外鐵路通信信號設備氣候環境及沖擊振動標準

1.2 氣候環境及振動沖擊標準對比分析

促進國際標準統一是標準化工作的基本原則之一。在此原則指導下，SAC/TC 278及SAC/TC 8以等同采用或修改采用IEC國際標準的方法制定相應GB標準，并在此基礎上結合我國氣候環境和振動沖擊條件的具體情況，在等級劃分和限值設定上進行了一些修改和調整。

1.2.1 車載設備環境條件標準對比分析

GB/T 25119修改采用IEC 60571，適用于安裝于車上的控制、保護、供電等電子設備。表2給出了GB/T 25119和IEC 60571氣候環境條件的主要區別。

表2 GB/T 25119與IEC 60571氣候環境條件差別

由表2可見，GB/T 25119對海拔要求高于IEC 60571，并根據我國氣候特點及車載設備實際工作環境，增加或刪除了個別條款。

GB/T 25119對振動沖擊要求及試驗引用了GB/T 21563，而GB/T 21563等同采用IEC 61373。分析可知：GB/T 21563—2008[5]對車載設備分類、車載設備應進行的試驗類別、試驗順序，以及試驗采用的加速度頻譜密度(ASD)、加速度均方根值(r.m.s)、各方向持續時間等參數，均與IEC 61373—1999[6]中的規定完全一致。

以上分析可知：在一般環境條件方面，根據我國通信信號車載設備實際使用環境，GB/T 25119修改采用了IEC 60571，但不低于IEC 60571要求；振動沖擊等同采用IEC 61373，所以車載設備環境條件標準完全滿足國際標準要求。

1.2.2 地面設備環境條件標準對比分析

目前地面設備環境條件有GB/T 32347.3標準，以及TB/T 1433、TB/T 1434標準，另外還有振動試驗標準TB/T 2846。

(1)GB/T 32347.3 信號和通信設備環境條件標準修改采用IEC 62498-3，而IEC 62498-3代替EN 50125-3，可見GB/T 32347.3與IEC和EN是一脈相承的。

表3給出了GB 32347.3與IEC 62498-3海拔參數的對比情況。GB 32347.3—2015[7]將海拔分為5個等級，重點在海拔1 400 m以上，1 400 m以下統一為G1.4級。IEC 62498-3：2010[8]分為4個等級，重點在海拔1 400 m以下，1 400 m以上統一為AX級。可見GB不僅完全覆蓋了IEC標準的要求，而且在高原部分的規定比IEC更具體。

表3 GB 32347.3與IEC 62498-3海拔參數對比

GB 32347.3—2015將溫度和濕度劃分為T1、T2、TX三個等級，各等級極限值、溫度變化率等與IEC 62498—3：2010完全一致；取消了IEC中無室外氣象溫度的T3、T4、T5三個等級。對于暴露在室外的設備應能承受的空氣流動、風、雨、雪、冰雹、太陽輻射等自然條件等方面的規定，除降雨外，GB 32347.3—2015與IEC 62498—3：2010完全一致。對于降雨，GB一般情況按6 mm/min考慮，特殊情況按15 mm/min考慮；而IEC仍劃分為6個等級，但取值與GB基本相當，見表4。

表4 IEC 62498—3：2010降雨分級

(2)TB/T 1433和TB/T 1434非等效采用了IEC 60721—3—3和IEC 60721—3—4中氣候環境和振動沖擊等級的相關規定，同時參考了其他IEC標準，并根據鐵路通信信號設備使用情況進行了調整和個別修改。

TB/T 1433—1999[9]和TB/T 1434—1999[10]中規定大氣壓力為70～106 kPa，相當于海拔3 000 m以下，與IEC 60721一致。根據室內外及溫濕度調節等因素，TB/T 1433—1999和TB/T 1434-1999將氣候條件分為六級：有溫度和濕度控制的室內場所KX1及KX2、有溫度控制的室內KX3、溫度和濕度全無控制的室內KX4、室外空間較小的封閉場所KX5、直接暴露于室外KX6。這6個等級的溫度、濕度、太陽輻射、熱輻射、凝露、降雨等條件，基本覆蓋了IEC 60721-3-3：2002[11]中除3K9(熱帶雨林)和3K10(熱帶沙漠)外的所有氣候條件。

(3)TB/T 2846規定了地面固定使用的振動試驗要求及方法，該標準參考了IEC 60721、日本JIS標準及相關國軍標。TB/T 2846—2015[12]規定地面設備應進行的振動試驗包括共振試驗、振動性能試驗和振動耐久試驗，根據振動頻率及位移幅值(或加速度幅值)將試驗分為四類，分別適用于安裝于室內、軌旁、軌枕上或鋼軌上的信號設備。由于TB/T 2846參考了相關國軍標，并以現場實測數據為依據，其對振動試驗參數，特別是加速度幅值的規定，大大高于同類IEC標準和TB。如TB/T 2846—2015共振試驗的第4類加速度全振幅規定為981 m/s2，相當于100g，而TB/T 1433中僅為50 m/s2，約為5g，可見TB/T 2846比同類標準的規定要嚴格得多。

在地面設備一般環境條件標準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 1434參考了IEC 60721，其中海拔要求高于IEC 60721，一般環境條件要求覆蓋了IEC 60721。地面設備振動標準TB/T 2846更是高于IEC標準要求。

1.2.3 高原環境條件標準

GB/T 20626.X是基于國家科技基礎研究專項“極端(特殊)氣候環境的物質標準”的研究成果，針對我國西部高原、干熱和沙漠等嚴酷環境下各類基礎裝備的環境適應性，對環境極限條件及分級、模擬試驗方法等形成的特殊氣候環境系列標準。

由于高原環境下，空氣壓力和空氣密度下降，空氣溫度和濕度降低，晝夜溫差大，太陽輻射強，對低壓電器的介電性能、溫升、材料耐候性等提出了新的要求，GB/T 20626.X給出了相應性能指標要求及試驗方法，為應用于高原環境的通信信號設備高原適應性試驗驗證和考核提供了依據。鐵路通信信號產品一般采用GB/T 20626.1—2006[13]的規定，進行產品介電性能、耐受電壓等試驗參數的高海拔修正，從而考核產品對高原環境條件的適應性。

1.3 氣候環境及沖擊振動標準區別和適應性

1.3.1 標準的區別

(1)車載設備標準

GB/T 25119對車載設備應適應的氣候環境條件的規定與IEC 60571是基本一致的，其對海拔高度的要求高于后者，對振動沖擊的規定與IEC 61373完全一致。

(2)地面設備標準

GB/T 32347.3完全覆蓋了IEC 62498—3海拔高度要求的同時，針對海拔1 400 m以上進行了進一步劃分和詳細規定，海拔最高可達到5 000 m；溫度和濕度的等級劃分則將IEC的6個等級簡化為3個等級，個別參數也進行了調整，但可以覆蓋IEC的要求。

TB/T 1433和TB/T 1434海拔規定為3 000 m以下，與IEC 60721一致。由于TB主要考慮國內正常使用中遇到的氣候環境，而IEC考慮的是全球(或全體成員國)范圍內氣候環境，因此TB/T 1433和TB/T 1434將氣候環境條件由IEC 60721的13個等級簡化為6個級，涵蓋了除熱帶雨林和熱帶沙漠以外的IEC 60721中規定的所有環境條件。

振動試驗標準TB/T 2846將機械(振動)環境條件分為四類，并規定了產品應進行的振動試驗種類、試驗條件等，針對性和可操作性更強。由于TB 2846參考了國軍標的內容，因此在振動頻率、加速度全振幅等試驗參數設置上要嚴于IEC標準。

(3)高原環境條件標準

高原環境條件標準GB/T 20626.X給出了高原條件下，設備介電性能、溫升、材料耐候性等方面的要求及試驗方法，為車載和地面設備進行高原適用性試驗提供了依據，而國際上適用于鐵路通信信號設備的高原環境條件標準尚屬空白。

1.3.2 標準的適應性

從以上分析可知，目前我國鐵路通信信號車載和地面設備采用的主要氣候環境條件標準、振動沖擊標準基本等同采用或修改采用了IEC標準。對于修改采用IEC標準的，根據我國氣候環境條件修改了相應技術參數，但修改后與IEC標準仍然是可以兼容的。地面設備振動標準還參考了國軍標，振動頻率、加速度(或位移)振幅等的規定要嚴于IEC相關標準。高原環境條件標準更是填補了國際國外標準的空白。因此我國目前鐵路通信信號環境條件標準完全可以滿足“走出去”工程需要。

2 電磁兼容標準對比及適應性分析

高速鐵路的迅速發展，對通信信號設備在鐵路復雜電磁環境下的穩定性和可靠性提出了更高的要求。一方面通信信號設備的電磁兼容抗擾度性能必須達到相關標準要求；另一方面，為了避免通信信號設備影響其他電子設備，其對外的電磁輻射需控制在電磁兼容標準要求范圍以內。因此，電磁兼容測試標準在通信信號系統設備檢測標準中占有較重要的地位。

2.1 電磁兼容標準體系的組成

我國鐵路電磁兼容標準、IEC鐵路電磁兼容標準、EN鐵路電磁兼容標準的組成分別見圖 1、圖2和圖3。

圖1 我國鐵路電磁兼容標準的組成

圖2 IEC鐵路電磁兼容標準的組成

圖3 EN鐵路電磁兼容標準的組成

EN 50121-X系列標準是全球第一套完整的鐵路電磁兼容標準，IEC 62236-X在EN 50121-X基礎上修訂形成，GB/T24338.X[14]等同采用或者修改采用IEC 62236-X標準，3套標準的總體結構基本相同。

2.2 電磁兼容標準的對比分析

雖然GB電磁兼容標準的組成部分及各部分針對的領域與IEC標準和EN標準一致，但是各個部分中試驗項目的具體要求存在一定的差異。

涉及到鐵路通信信號系統的主要有4部分：第1部分 總則，第3(3-1)部分 機車車輛 列車和整車，第4(3-2)部分 機車車輛 設備，第5(4)部分 信號和通信設備的發射和抗擾度。

第1部分總則，規定了整套標準的適用范圍和性能判據，國內外電磁兼容標準在第1部分沒有本質上的區別。

第3(3-1)部分主要規定了鐵路系統機車車輛在靜態和慢行狀態下對外電磁輻射的測量和限值。3個標準在測量方法上差別不大，但是在限值要求上有較大差別。靜態試驗限值中，GB沒有專門規定有軌/無軌電車的限值，而IEC和EN標準有相關規定，具體如圖4所示(虛線限值)，即有軌/無軌電車的靜態發射限值，IEC和EN標準要嚴于GB。在慢行試驗限值中，GB限值低于IEC和EN標準10 dB，說明GB在慢速運行條件下鐵路機車車輛的發射要求要嚴于IEC和EN，具體見圖5。

注：實線為IEC和EN標準限值，虛線為GB限值圖4 靜態試驗限值區別

圖5 慢行試驗限值區別

第4(3-2)部分主要規定了車載設備的電磁發射限值和電磁騷擾抗擾度要求，電磁發射的限值分為傳導發射限值和空間輻射發射限值，按照電磁騷擾的類型和進入設備的途徑分別制定了不同的抗擾度要求。GB、IEC和EN標準由于制定的年代不同，考慮的電磁環境也不完全一致，因此在具體試驗要求上不盡相同，具體區別見表5。

表5 第4部分GB與國外標準測試項目對比

從表5可以看出：3個標準在射頻場傳導騷擾抗擾度試驗、靜電放電試驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗上沒有什么區別，基本的試驗等級要求和考核端口均一樣。在浪涌試驗的試驗等級和考核端口方面3個標準均一致，但是在干擾信號源阻抗方面的規定略有不同，GB源阻抗為2 Ω和12 Ω，而其他兩個標準均規定的是42 Ω。我國這樣規定主要認為是在電源端口進行試驗，參照了GB/T 17626.5中電源浪涌試驗直接注入的方式來設定參數，而另外兩個標準是參照間接耦合的施加方式來設定浪涌信號參數。在干擾電壓一定的情況下，源阻抗越小，電流越大，這樣一來GB在浪涌這一項上要嚴于另外兩個標準。3個標準在傳導發射和輻射發射試驗中的區別主要是頻率覆蓋范圍不同，EN標準范圍最大，覆蓋了較為全面的頻段，IEC標準覆蓋的頻率略小，而GB覆蓋的頻率最少。在輻射抗擾度實驗中，GB和另外兩個標準差別較大，在80～1 000 MHz頻段另外兩個標準要求明顯嚴于GB要求，在1 400～2 000 MHz頻段GB要嚴于另外兩個標準，在2 000～2 500 MHz頻段GB沒有限值要求，而另外兩個標準均有要求。GB對車載設備的耐受電源波動的能力有要求，而IEC標準和EN標準沒有做明確規定。

第5(4)部分主要規定了鐵路中通信信號地面設備的電磁發射限值和電磁騷擾抗擾度要求，內容和要求與第4部分類似。具體區別見表6。

表6 第5部分GB與國外標準測試項目對比

從表6可以看出：3個標準在射頻場傳導騷擾抗擾度試驗、浪涌試驗、靜電放電試驗、電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗和傳導發射上沒有什么區別，基本的試驗等級要求和考核端口均一樣。在輻射抗擾度實驗中，GB和另外兩個標準差別較大，在80～1 000 MHz頻段另外兩個標準要求明顯嚴于GB，在1 400～2 000 MHz頻段GB要嚴于另外兩個標準，在2 000～2 500 MHz頻段GB沒有限值要求，而另外兩個標準均有要求。在工頻磁場抗擾度試驗中，GB對直流磁場抗擾度的要求是100 A/m，而另外兩個標準的要求是300 A/m。GB和IEC標準對脈沖磁場抗擾度有要求，而EN標準沒有相關規定。輻射發射試驗要求頻率覆蓋范圍不同，IEC標準和EN標準考慮覆蓋了1～6 GHz的頻率范圍，而GB只覆蓋了1 GHz下的頻率。

2.3 標準的區別與適用性

2.3.1 標準的區別

通過以上對比可知，GB使用的基本測試方法和手段與國際標準基本一致，在個別試驗項目的具體頻率要求和限值上有所差別。在鐵路系統靜態、慢速、正常運行對外界的電磁輻射限值的要求上，GB嚴于或者等同于其他兩個標準。在單一設備抗擾度和發射限值上，主要區別有：車載設備和地面設備輻射發射試驗的覆蓋頻率， EN標準要求覆蓋的頻率更寬，最高頻率到6 GHz，充分考慮到現階段所使用電子設備的頻率需求，而GB的要求還停留在1 GHz以下；車載設備和地面設備的輻射抗擾度的頻率和限值，IEC標準和EN標準要求的頻率最高到6 GHz，場強限值也更為合理，GB的頻率要求只覆蓋到2 GHz，而且在1 GHz以下的場強限值也不如IEC標準和EN標準的嚴格；在車載設備電源端口浪涌和電壓波動項目上，GB考慮了更為不利的電源供電情況，浪涌沖擊試驗的短路電流要大于IEC標準和EN標準，同時要求考核車載設備承受電源短時波動和中斷的能力。

2.3.2 標準的適用性分析

現階段在通信信號設備對外界的電磁發射和外界通信系統的電磁輻射對通信信號設備的抗擾度方面，GB沒有國際標準考慮的全面，國際標準頻率覆蓋更大，標準限值嚴于GB的要求。滿足GB標準要求，在絕大部分的抗擾度和發射限值要求上可以滿足國際標準的要求，但是可能在輻射抗擾度和輻射發射的試驗項目上不滿足國際上標準的要求。因此對于“走出去”的產品而言，需要考慮這2個項目國際標準的在更寬頻率上的要求。

3 結論

通過以上對比分析可以看出，我國鐵路通信信號設備采用的環境條件標準，主要是在等同采用或修改采用相應的國際標準基礎上，結合我國鐵路環境條件特點制定的，可以滿足國外主要國家和地區鐵路環境條件要求。

另外提出以下幾點需要注意的問題。

(1)GB 32347.3等同采用IEC 62498-3，是專門針對鐵路應用而制定的環境條件標準，且基于CCS TSI應用導則規定的歐洲鐵路環境條件標準EN 50125，技術要求更明確具體，針對性更強。因此，建議今后地面產品技術標準制定及試驗檢驗中，盡量采用GB 32347.3替代TB/T 1433及TB/T 1434。

(2)GB電磁兼容標準的試驗項目和試驗方法與IEC標準和EN標準基本相同；大部分項目的限值要求也與IEC標準和EN標準的要求相同，個別試驗項目(如輻射抗擾度、輻射發射等)的限值要求與IEC標準和EN標準有所差別。對于要“走出去”產品而言，如果滿足GB電磁兼容標準要求，在絕大部分的抗擾度和發射限值要求上可以滿足國際標準的要求，但在輻射抗擾度和輻射發射的試驗項目上是否能夠滿足國際標準要求，還需要通過相關試驗驗證。

(3)需要注意的是，本文以目前在用的GB和TB有效版本為基礎，分析其與相應國際標準的差別，而沒有考慮國際標準的更新換版。以IEC 61373為例，本文的分析基于IEC 61373—2008，而其最新版本為IEC 61373—2010。文獻[15]顯示，由于選用的疲勞模型不同以及對循環次數的定義發生了變化，IEC 61373—2010相比于IEC 61373—2008，模擬長壽命試驗采用的加速振動量級對應的加速比大幅度降低，如果按照IEC 61373—2010進行試驗考核，意味著降低了對產品結構強度的要求。可見不能將標準版本更新簡單理解成技術要求的提高，而是要結合相應的技術發展進行綜合分析，對GB或TB進行及時更新，以保證其先進性、適用性和經濟性。