第2节　高速动车组列车电磁兼容基础理论和技术研究现状

高速动车组列车由于系统本身的复杂性，给高速动车组列车电磁兼容技术的研究也带来了极大的挑战。

首先，高速动车组列车整车可以称为复杂的巨系统，列车狭小的封闭空间内密布强电设备和弱电设备，并外接多根电缆和信号线，电磁环境极端复杂。

其次，高速动车组列车的主要电磁骚扰源是脉冲型瞬态骚扰，传统的准峰值检波和平均值检波测量和评价已不再是最佳的选择。这意味着寻求新的电磁骚扰测量和评估方法是很有必要的，并且新的测量方法必须既能克服传统测量方法的不足，又可同时反映出脉冲型瞬态骚扰对列车车载敏感设备的干扰效应。

第三，高速动车组列车的运行速度远远高于常规运输工具，其电磁环境始终处于快速、剧烈变化的状态中，给研究和分析带来极大的困难。

最后，为了能在设计阶段以最小的代价获得系统最好的电磁兼容性能，必须研究系统的仿真建模和电磁兼容预测分析。高速动车组列车作为一个电大尺寸的复杂系统，为了从理论上分析与预测动车组列车整车及车载设备的电磁兼容性能，必须研究建立高速动车组列车的电磁兼容仿真预测模型。动车组列车的车体属于电大尺寸物体，而车内不同的屏蔽壳体内含有大量的金属导线，对此类问题的求解计算，将面对大量的感应面电流及其相应的面积分运算和不同的边界条件约束，即使使用目前性能很高的计算机，都无法实现快速、全面、有效的计算。此外，动车组列车电磁骚扰的传输耦合主要是在特定空间内的线间耦合、场线耦合、缝隙耦合或传导耦合的综合，而不是全空间内的单一耦合。所以，如果采用目前的数值计算方法，如有限元法、时域有限差分法等，由于是在整个空间上通过网格划分来进行计算，很有可能由于误差的累积而导致计算结果不收敛。

我国对高速铁路电磁兼容基础理论和工程应用技术的研究主要集中在北京交通大学、西南交通大学等高校和中国铁道科学研究院集团有限公司等科研院所。这些研究机构在电气化铁路供电系统中的骚扰源、牵引供电等强电设备对通信信号系统等弱电设备的干扰及防护等方面取得了较多的研究成果。

北京交通大学电磁兼容实验室在国内最早开展了电气化铁路及高速铁路电磁兼容基础理论和工程技术的研究。在1990～2006年期间，针对普速电气化铁路，开展了电气化铁路系统间电磁兼容分析与研究、电气化铁路电磁骚扰源的分析、预测和建模、电气化铁路对周围设备的干扰影响等研究工作，对电气化铁路电磁骚扰源的特点、种类及危害程度有了较全面地理解和掌握，建立了电气化铁路骚扰源、敏感设备和耦合途径的数学模型，研究成果也应用于当时的电气化铁路电磁兼容设计中，取得了一定的成果。

自2007年以来，随着我国铁路第六次大提速和CRH系列动车组列车的纷纷“上马”，我国铁路发展揭开了崭新的高速铁路篇章。高速铁路对高速动车组列车车辆、牵引供电技术、列车控制系统、轨道等都提出了更高的要求。相应地，高速铁路系统和高速动车组列车的电磁环境和电磁兼容问题也成了保障高速铁路安全运行所需要考虑的越来越重要的因素。由此，北京交通大学电磁兼容实验室针对高速铁路系统的电磁兼容问题展开了深入而系统的研究工作，形成了动车组列车整车电磁兼容理论的基本框架，为高速动车组列车整车电磁兼容性预测仿真、建模技术及整车电磁兼容性优化设计提供了很好的理论基础，同时也研究建立了干扰试验和故障模拟平台，提出了有效的适用于解决高速铁路现场干扰故障的抗干扰技术。与此同时，国内一些其他研究机构和学者也对高速铁路的电磁兼容技术进行了研究，包括高速铁路系统对雷达的干扰、高速铁路接触网的辐射对机场导航设备的干扰、高速铁路电磁辐射发射的预测等。

国际上在铁路运输行业就电磁兼容方面的研究主要是从电气化铁路开始的，其电气化铁路电磁兼容的研究可以追溯到20世纪60年代，当时电气化铁路出现的主要电磁兼容问题是由直流牵引系统的牵引回流对铁路沿线的输气管、输水管等埋地金属管道造成的。随着电气化铁路的发展，铁路沿线环境中的电子设备和电气系统对电气化铁路的电磁环境越来越敏感，电气化铁路系统内的轨旁信号电缆和信号设备也可能受到射频电磁骚扰能量的干扰和损毁。比如，早期在电气化铁路周边的居民生活区内，电视、电话等电信设备会被电气化铁路系统产生的电磁骚扰所干扰。随着世界上铁路牵引供电技术的发展，一些新的电磁兼容问题也随之产生。例如，在瑞典，列车的牵引供电采用了当时比较先进的变流牵引系统，而这套系统在列车运行过程中会产生传导瞬态骚扰和直流分量，并在整个供电系统和列车信号系统中传输，导致列车运行故障。在丹麦的哥本哈根，当时已有的直流供电铁路会对邻近的交流供电铁路产生干扰，直流供电系统中的直流分量会使交流变电站中的升压变压器饱和而无法正常工作。

随着国际和国内高速铁路的发展，电磁兼容问题日趋突显并逐渐被各国铁路管理部门、运营单位及业内专家所意识到。所以，包括我国、日本和欧洲各国在内的许多国家的研究机构都对铁路系统的电磁兼容技术展开了长期而深入的研究。目前研究主要集中在以下几个方面：

（1）轨道电路的电磁兼容问题

从世界范围来看，基本上各个国家的普速铁路都采用轨道电路来检测轨道是否被列车占用，沿轨道连续传送车地信息，以控制信号装置或转辙装置，保证行车安全。轨道电路中信号是通过钢轨来传输的，即钢轨是轨道电路信号的传输导体，而铁路系统中的钢轨又是牵引电流的回路，即牵引回流的地导体，所以这两个不同系统之间必然会存在兼容性问题。因此，轨道电路的抗电磁干扰研究是铁路行业中最早的电磁兼容研究方向。1990年Hill等学者在文献中讨论了轨道电路所采用的同步数字编码的安全性和可靠性，并提出了轨道电路信号避免被干扰的编码措施。Joos等学者研究得到轨道电路中的下行信号比上行信号对电磁干扰更加敏感的结论。White讨论了音频轨道电路系统中可能存在的电磁骚扰特性。Hill和Konefal等研究了斩波器产生的谐波骚扰对轨道电路信号的影响。

（2）应答器传输系统的电磁兼容问题

标准应答器系统由车载设备和地面设备两部分组成。车载设备包括车载查询天线（Antenna Unit，AU）、天线电缆、车载解码器和应答器传输模块（Balise Transmission Module，BTM）。地面设备包括有源应答器、无源应答器和地面电子单元（Lineside Electronic Unit，LEU）。其中，安装在列车底部的车载天线，通过同轴电缆信号线与列车上应答器传输模块相连接；通过电磁波的发射和接收，实现车载天线与地面应答器天线之间的数据传输。应答器系统所处电磁环境极其复杂，除了高速铁路系统内的电磁骚扰外，也很容易受到铁路系统外的电磁骚扰源的干扰。因此，这方面的研究一直是国内外的研究热点。

Pozzobon等学者通过对车载应答器天线结构及周围电子电气设备的研究，指出车载应答器天线对垂直极化的磁场更加敏感。而列车底部因存在很多大功率牵引供电设备，正好构成了车载应答器天线周围以低频磁场为主的电磁环境，增加了车载应答器天线被干扰的可能性。列车运行过程中偶发的短周期脉冲也会对应答器系统造成干扰，影响应答器报文的解码，造成较高的误码率，从而影响列车的运行。此外，Stemmler，Jahns和Blasko等学者通过研究指出，用于控制列车运行速度的电气传动模块和电子开关模块会产生上升沿陡峭的快速脉冲骚扰，该骚扰的频谱可达到GHz，会对车载应答器系统造成干扰。

（3）制动控制系统的电磁兼容问题

Kroger等学者通过研究指出，由于列车制动控制系统中的各种传感器分布在列车各个位置上，所以，整个系统很容易遭受电磁干扰，尤其是监测轴温的温度传感器和监测列车运行速度的速度传感器对电磁骚扰非常敏感。很多实例表明，列车制动控制系统的电磁干扰故障会造成列车无故停车，影响列车运行安全。

（4）弓网火花放电产生的电磁骚扰

弓网的火花放电是高速铁路系统内最重要的电磁骚扰源之一，该骚扰源可能对车载弱电系统和无线通信系统造成干扰。此外，由于弓网火花放电骚扰能量的频谱很宽，它不仅会影响铁路系统内的设备和系统，还可能对铁路沿线的其他敏感设施造成干扰。

有关人员对弓网离线产生的火花放电从实验和数值仿真两个方面进行了比较深入的研究，研究了电火花的物理特性、弓网离线距离的变化规律、弓网离线周期的变化规律、骚扰电平与速度的关系等。2008年，Midya等学者研究指出，弓网离线放电产生的电磁骚扰会影响整个车载电气、电子设备的供电电源质量，甚至影响通信信号系统的正常工作。他提出了一种实验方法，在实验室中模拟了离线放电的过程，主要研究了弧根（Arc Root）的移动方向、列车运行速度，以及等效电感、电容等参数对放电电压波形和放电极性的影响。Midya等学者也模拟了25kV交流供电系统的弓网离线过程，得出了弓网离线放电产生的骚扰电压、骚扰电流主要与接触线的线速度、供电电流和电压、回路中的感性负载、受电弓材料等参数有关的结论。Giannetti等学者在屏蔽室内用缩短尺寸的接触线和正常尺寸的受电弓模拟了直流供电系统的弓网离线过程，通过不同的实验配置分析了不同参数对弓网离线产生的辐射骚扰的影响，为该骚扰源的建模研究提供了实验基础。Tellini等学者同样在屏蔽室内用缩短尺寸的接触线和正常尺寸的受电弓模拟了直流供电系统的弓网离线过程，提出了弓网离线过程的电路模型。通过对大量实验结果的分析，总结出受电弓在即将离开接触线的瞬间产生的骚扰幅度要大于受电弓即将与接触线接触瞬间所产生的骚扰幅度的结论。这与我们在实测中记录的整个动车组列车过分相过程中弓网产生的电磁骚扰特性非常吻合。

（5）牵引逆变器产生的电磁骚扰

许多学者研究对比了在不同输入电压、负载电流、驱动电阻及开关频率等条件下，逆变器产生的共模电磁骚扰。通过理论和实验得出结论，开关管对地的寄生电容及快速的电压变化（du/dt）共同导致了逆变器的共模电磁骚扰问题。Mark.J.Nave等学者对占空比为50％的开关电源装置中的共模电磁骚扰的产生机理及传播耦合特性进行了分析，提出了简单的共模电磁骚扰等效电路模型。经研究发现，该共模电磁骚扰与占空比、电压上升时间无关，与开关管对地寄生电容、开关频率和直流电压有关。此外，西门子公司的K.Frank等人对5～10kV·A的绝缘栅双极型晶体管变换器（Insulated Gate Bipolar Translator，IGBT）的共模传导骚扰特性进行了研究，分别计算分析了在不同工作电流、工作电压和接地情况下该共模传导骚扰的特性，得出该共模骚扰的频谱与开关管对地电容有直接关系的结论。Chingchi Chen则研究比较了不同驱动情况对电力电子变换器产生的共模电磁骚扰的影响，得到了绝缘栅双极型晶体管变换器和二极管的对地杂散电容是共模电磁骚扰的主要传播途径。

目前，学术界普遍认为传导电磁骚扰是伴随着功率半导体器件的开关过程产生的，并且这些骚扰会借助系统的元器件及信号传输媒质，以电压和电流的形式耦合到敏感设备形成电磁干扰。因此，抑制传导电磁干扰的方法主要归结为两种：基于减小脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）功率变换器骚扰源发射强度的电磁干扰抑制技术和基于切断电磁骚扰传导耦合途径的电磁干扰抑制技术。

（6）其他方面的研究

Buccella等学者通过仿真软件计算了在交流系统供电条件下的高速列车车厢内的三维磁场分布，并与实际测试结果进行了比较，验证了仿真模型的正确性和有效性。Alonso等学者提出了一种解决25kV、50Hz电气化铁路及设备与铁路周边医院中的敏感设备间电磁兼容问题的方案。此电磁兼容解决方案完全基于敏感设备的接地方式。为了证明这种解决方案的有效性，Alonso等学者建立了系统的电磁仿真模型，并基于现有的铁路运行环境进行了实际测试。最后，采用有限元法对模拟实际环境下系统的电磁兼容性进行了计算及评估。此外，Alonso等学者对25kV、50Hz的电气化铁路供电系统产生的电磁骚扰对周围的电信电缆产生的影响进行了测试，并将测试结果与电路模型的计算结果进行了比较分析。由于在计算中一些输入参数存在不确定性，而且也没有考虑周围环境的影响，所以测试结果和计算结果之间存在一定的差异，但总体趋势相同。

从上述目前高速铁路系统电磁兼容的研究总结可见，由于国外发达国家在高速铁路电磁兼容方面的系统研究起步较早，并且投入了较大的精力和经费，因此，国外发达国家针对铁路系统电磁兼容技术的研究取得了较多的研究成果。但这些国家对高速铁路和普速铁路电磁兼容技术的研究主要是基于本国现有的铁路线路及车辆，虽然对我们在理论上的研究有一定的参考价值，但由于牵引供电系统、信号设备、列车车辆及高速铁路电磁环境的不同，其研究结果对我国高速铁路电磁兼容问题的解决缺乏直接的指导意义。