前言

Preface

我国高速铁路经过近二十年的发展历程，其投入运营里程位居世界第一，已具备了世界其他各国所无法比拟的规模优势和后发优势。高速铁路的快速发展是在能源和环境约束下解决我国交通运输能力供给不足矛盾，并带动形成一大批高新技术和相关产业及制造业提升与发展的必由之路和必然选择。但发展高速铁路的重中之重是确保其运输的安全性和可靠性，而高速铁路系统的电磁环境和高速铁路装备的电磁兼容性能则是涉及整个高速铁路网络运行安全性和可靠性的重要要素之一，其中，尤其以高速铁路动车组列车的电磁兼容技术最为关键。

我国高速铁路成功应用的技术引进、消化吸收、集成创新再到全面自主创新的技术发展路线，让我国高速铁路取得了飞跃式的发展，但同时也给高速铁路系统的电磁环境和高速铁路装备的电磁兼容性能带来了极大的挑战。

首先，我国高速铁路系统的自然环境和电磁环境与其他国家的自然环境和电磁环境存在很大差异，使得各个国家高速铁路装备的电磁兼容设计理念不同，解决电磁干扰问题的难易程度也相差巨大。比如，日本是海洋性气候，静电放电问题不突出，所以高速铁路装备通常是“浮地”设计，可以从最大程度上避免系统内的接地环路干扰问题。德国和法国是大陆气候，必须考虑静电放电问题，所以高速铁路装备通常都是“接地”设计。这在系统集成时就必须考虑系统的整体接地问题，以避免和改善接地带来的干扰问题。而在我国高速铁路建设的初期，同时引进了日本、法国和德国等不同国家和公司的高速铁路装备，具备不同电磁兼容设计理念的装备集成到同一个复杂系统中时，会带来意想不到的电磁兼容问题。

其次，各国高速铁路线路的设计各具特点，比如，日本高速铁路的特点是各条线路单独运行；欧洲即使开通了“EURO EXPRESS”，但依然尚未形成高速铁路洲际网络。而我国的高速铁路与国外相比，率先已形成了“四纵四横”的网络，其突出特点是高速铁路线路分布广泛、运行交路很长。高速动车组列车在跨线运行中将经历更为复杂且高速动态变化的电磁环境，客观上加剧了高速铁路系统所面临的电磁干扰故障风险。同时，也给电磁兼容的传统测量评估手段和干扰故障诊断带来了不小的挑战。

还有，我国高速铁路的技术特点也给电磁环境和电磁干扰防护带来了不小的挑战。我国高速铁路采用的单相交流供电方式和高速动车组采用的“交-直-交”传动牵引技术，虽然可靠性高、维修简便，但在动车组列车的行驶过程中，考虑供电系统的负载平衡性，列车每行驶一段距离，就必须“换相”，经历一个“过分相”的过程，从三相交流电的另一相继续受电。在列车过分相的过程中，主断路器会动作，受电弓与接触网会经历一次分离的过程。在此过程中，会不可避免地产生瞬态电磁骚扰。就高速动车组列车的牵引传动系统而言，我国高速动车组“交—直—交”牵引传动系统中包含了牵引变压器、整流器、逆变器和交流牵引电机。牵引变压器用于将受电弓获得的25kV单相交流电降压，然后，由整流器将交流电变换成直流电，再由逆变器将直流电变换成可调频调压的三相交流电，以驱动交流牵引电机，牵引列车前进。在这个过程中，由于大功率牵引电流的变换将产生大量的牵引谐波电流，一方面，会在车体导致过电压而破坏整车的接地系统，从而大大降低车载设备电磁干扰防护措施的应有效果；另一方面，在难以做到绝对平衡的钢轨上，直接干扰以轨道电路为代表的轨旁设备，会对高速列车的安全行驶造成威胁。

从抗电磁干扰的角度而言，我国目前批量生产制造的动车组都是动力分散式动车组，也就是将动力装置分布于整个列车。这使得我国高速动车组系统内的电磁骚扰耦合途径非常复杂，解决电磁干扰问题时，难度大、代价大，并且无法避免“按下葫芦浮起瓢”的现象。

本书基于解决高速铁路实际运营线路上所遇到的电磁干扰故障问题的实践经验，结合复杂系统的电磁兼容基础理论，围绕系统级电磁兼容的三要素，详细阐述了高速铁路系统内的电磁骚扰源特性，包括受电弓与接触网分离时产生的瞬态脉冲骚扰和动车组列车牵引传动系统产生的谐波骚扰；阐述了动车组列车电磁骚扰的传输耦合特性，包括辐射耦合、地环路耦合及线间串扰；给出了基于电磁场理论和电路理论的线间串扰等效多端口网络模型；研究分析了高速动车组列车车内的线间串扰特性，对新型动车组车底线缆的布线方案进行了优化；以动车组列车车载信号系统发生的电磁干扰故障为例，阐述了干扰车载信号系统的电磁骚扰地环路耦合机理。

电磁兼容的研究离不开测试，传统的电磁兼容测试方法为检波测量法。最初提出检波测量方法主要是因为当时电子设备和通信系统多为模拟系统，电磁骚扰信号也多为连续波，因此，采用连续波骚扰信号的检波测量值去评估骚扰信号对模拟电子设备的干扰效应是非常有效的。但是，对于高速铁路而言，系统内的电磁骚扰主要为脉冲型骚扰，随着电子技术的发展，敏感设备也多为数字设备，所以，传统的基于能量的电磁干扰评估方法不再全面有效。为了提高评估脉冲骚扰对数字设备干扰效应的有效性，需要提出更合理的方法。因此，本书介绍了瞬态脉冲骚扰的统计参量表征法和统计参量的测量技术。

电磁兼容研究的最高层次是电磁兼容预测和顶层设计。高速动车组列车是一非常复杂的电气巨系统，因此，其电磁兼容的预测建模也是一个难题。本书最后一章给出了高速动车组列车电磁兼容性预测建模的一种方法，以供探讨。

本书研究和探讨的内容可解决高速铁路系统的电磁干扰问题同时也能为高速动车组列车的电磁兼容最优化设计提供参考。

本书为北京交通大学电磁兼容实验室全体老师和多位研究生多年的研究积累成果，其出版也得益于多位同行专家的指导和支持，在此一并表示最诚挚的感谢！

由于著者水平有限，书中难免存在不当之处，敬请各位同行指正！

闻映红

2018年3月