轨道车辆电磁兼容实验标准及其应用研究

轨道车辆电磁兼容实验标准及其应用研究

李晋升

中铁二院重庆勘察设计院有限责任公司，重庆市400000

摘要：任何一台电气设备，都必将伴随电磁干扰的出现。在引入电磁兼容技术后，它能够在一定程度上缓解上述现象。从作用机理上分析可知，由于电磁噪声需要依赖一条稳定的路径才可实现传播，而此技术则正好将此通道切断，并起到过滤作用。但是，这依然难以满足需求，在不懈钻研之下，EMC电磁兼容随之产生，它也是当下最为主流的一种方法。基于电磁兼容性（以下简称EMC）技术在轨道车辆实际工作环境中发生的一些骚扰和干扰，严格轨道交通设备的电磁兼容测试试验标准而设计出的提升EMC性能的方法。

关键词：轨道车辆；电磁兼容；实验标准；应用

1电磁兼容性

形成电磁兼容性的条件有两方面内容：（1）设备运转过程中所产生的电磁干扰必须控制在一定范围内；（2）处于电磁干扰的环境中，设备本身具有一定的抗干扰能力，这种能力也被称之为电磁敏感性。基于电磁兼容较广的应用范围，电磁兼容有着较为宽泛的研究对象，主要包含了，以输电线电晕噪音、电气机车噪音、汽车噪音、城市噪音等为代表的人为噪音；以石油、铁路、通信、公路、输电线相关金属管线为代表的各种增设在公共环境下的公用设备之间的相关影响。以铁塔、输电线、高层建筑等为代表的大型建筑物反射问题。以强电线等工频场，以及微、中、短波电磁辐射影响为代表的，电磁环境对周围生物、人类所产生的作用。为防止电子设备误动作，而采取的设备抗电磁干扰能力等。要知道电磁干扰无论是对周围设备的正常运转还是人体、生物等都会产生不同程度的危害。对于人体、生物的影响，则主要分为非热效应、热效应两种，其中非热效应主要包括影响心血管系统、中枢神经系统、生殖系统、血液免疫系统、胚胎发育系统等在器官级、个体级、细胞级方面出现异常；热效应则主要使随着射频入射功率密度的增加，出现血液流速加快、血液蛋白质变性、血液酶活性降低、分布较少血液的部位出现局部性高体温、人体温度自调能力降低、心率异常、局部组织受损，更甚者会直接造成人体、生物的死亡。因此，我们必须加大对电磁兼容性的重视，通过不断提高设备电磁兼容性要求，来将设备运转所产生电磁干扰控制在标准范围内，保障周围环境的安全性。

2轨道车辆电磁兼容试验标准概述

电磁兼容的标准可以分为基础标准、通用标准、产品标准（又可以继续细分为系列产品标准和专用产品标准）。每类标准包含干扰和抗干扰两部分的标准。

1、基础电磁兼容标准它们规定达到电磁兼容的一般和基本条件或规则，与涉及电磁兼容问题的所有系列产品、系统或设施有关，并且可以适用于这些产品，但是不规定产品的发射限值或抗扰度判定准则。

2、通用电磁兼容标准它们是在特定环境下（比如工业环境、居住环境、商业环境、轻工业环境等）的电磁兼容标准，规定一组最低的基本要求和测量/试验程序，可以应用于此特定环境下工作的所有产品或系统，如果某种产品没有系列产品标准或专用产品标准，就可以选择使用通用电磁兼容标准。

3、产品电磁兼容标准可以进一步分为系列产品电磁兼容标准和专用电磁兼容标准。系列产品电磁兼容标准针对特定的产品类别规定了专门的电磁兼容（包括发射和抗扰度）要求、限值和测量/试验程序。专用产品电磁兼容标准是为特定产品、系统或设施而制定的电磁兼容标准，根据这些产品特性而设定一些专门的条件，它们采用的规则与系列产品电磁兼容标准相同。

在轨道车辆结构设计中，电磁兼容即EMC（Electromagnetic Compatibility）作为设计环节的重要一环，成为提升车辆性能的关键性指标[1]。依照轨道车辆电磁兼容试验标准，内容涉及静电放电抗扰度试验（GB/T24338.4-2018，IEC62236-3-2：2018轨道交通电磁兼容第3-1部分：机车车辆设备），射频电磁场辐射抗扰度试验（GB/T24338.4-2018，IEC62236-3-2：2018轨道交通电磁兼容第3-2部分：机车车辆设备），电快速瞬变脉冲群抗扰度试验（GB/T25119-2010，IEC60571：2012机车车辆电子装置），浪涌（冲击）抗扰度试验，工频磁场试验，电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度试验，传导骚扰试验，阻尼振荡电压试验，辐射发射试验，传导干扰试验，辐射干扰试验（IEC60571：2012轨道交通机车车辆电子装置）。

3轨道车辆电磁兼容的实验标准应用细则

电磁兼容是轨道车辆设计的核心技术，也是在系统性、分系统性、设备中对其共存状态相互协调统一的结果，整体上对提升电磁抗干扰性能，降低外界噪声等对轨道车辆引发的故障，具有突出的作用。在共同的电磁环境中能协调地完成各自功能的共存状态。电磁兼容设计是通过提高产品的抗电磁干扰能力以及降低对外的电磁干扰，避免由于干扰导致的产品故障，从而提高产品的可靠性。电磁兼容设计一般需要从抑制干扰源、切断干扰传播途径等方面进行设计。期间技术标准在CE（欧共体安全认识标志）、RE（Radiated emission，电磁波干扰）、ESD（Emergency Shutdown Device，紧急停车系统）、RS（racingsport，赛车运动）、EFT（Electrical FastTransient)，抗干扰技术）、SURC（Einterference，e，干扰源）、CS（Conducted Susceptibility，传导抗扰测试）、阻尼震荡波（测试电压范围：10kV~22kV；试验过程无静态直流，无损交联电缆；局放检测符合IEC60270标准，即国际电工委员会标准）。

3.1应用目标

轨道车辆电磁兼容性问题试验标准的统一性及其适用性，对提升轨道车辆性能和使用寿命、缩短产品开发成本和时间，具有重要的意义。应用环节，基本的信号接地、电源接地以及电磁兼容接地等基地设计；设备可能出现的干扰源，采取屏蔽或者滤波方式加以优化。

3.2应用情况

在轨道车辆发展的第三次革命中，智能控制下的轨道车辆，在控制内容上细化到驾驶员信息、控制引擎、避撞监测和避碰、执行线控刹车和转向、车内环境的全方位、智能控制中去。以通用嵌入式硬件电子平台为例，应用于轨道车辆电子电路中，需充分考虑电磁兼容性设计中的软件功能、硬件功能、车型功能。其中，通用式嵌入式电子平台设计中，严格电磁兼容性实验标准，设计出系统级芯片(SoC)半导体器件，具有减少元件数量、缩小占位空间的效能，对电子平台研发具有广泛的适用性价值。

3.3实验标准前的电磁兼容性问题

受轨道车辆电子产品数量的增加和复杂电子模块在整车中布局的增加，电磁兼容性设计中面临着愈加严峻的挑战。相关问题主要包括降低电磁易感性(EMS)，以保护电子产品免受其它电子系统(如移动电话、GPS或信息娱乐系统)的有害电磁辐射影响；免受电源电压大的瞬间变化、重负载或感性负载(如车灯和启动机)等恶劣汽车环境影响；就可能引发电子电路产生影响的EME控制到最低。

3.4应用环节的核心问题

轨道车辆EMC要符合基本电磁兼容性标准，将测试结果作为汽车设计的主元素来强化。符合性测试的标准化，需从IC设计、PCB量产、模块实现、整车设计全过程上融入EMC问题的基本设计方略。最大程度地以模块级检测项目来设计出预符合性测试和IC级测试的标准化产品。

轨道车辆需设计出符合EMC的IC（IntegratedCircuit集成电路）和模块，内容包括EME IEC 61967和IEC 62132标准针对150kHz到1GHz范围的辐射型、电磁免疫性(抗电磁干扰性)和传导型电磁发射测量；针对公路车辆引起的传导和耦合电气干扰测量的瞬态标准ISO 7637。

对于系统设计工程师而言，要确保SoC（系统级芯片）和最终模块满足EMC的IC（Integrated Circuit集成电路）和模块标准要求。需转变传统SPICE模型为Verilog-A/AMS来提高系统级别的仿真验证速度。通过电场建模，来提升试验标准运用价值，原因在于1GHz信号波长30cm>IC尺寸，且辐射型发射和易感性可从印刷电路板和电缆上的有效天线上加以改善。

4结束语

EMC作为一门多学科交叉的高新技术,以其在质量保证体系中的重要作用而逐渐被人们所认识。EMC试验标准在轨道车辆电磁兼容的设计实践中，需综合考虑EME IEC 61967和IEC 62132标准和瞬态标准ISO 7637的实验标准，通过测试数据对其应用可行性进行分析验证，最终对提升系统稳定性，降低故障率、提升抗干扰能力，设计出符合EMC的IC（Integrated Circuit集成电路）和模块，具有突出的效果。

参考文献

[1]刘雪明.轨道车辆电磁兼容试验标准的应用与探讨[J].科学技术创新,2018(24):51-52

[2]魏素敏,安世忠,吕银龙,等.50MeV束流输运线及其电磁元件设计[J].科技创新导报,2019,16(24):91-93,95.