（电气工程专业论文）接触网开关监控系统的电磁兼容分析与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第f 页 摘要 随着我国高速电气化铁路的大规模兴建 其供电可靠性越来越受到关注 接触网 开关监控系统是牵引供电系统实现故障隔离的重要技术手段 其运行的稳定性和可靠 性直接关系到电气化铁道的运输生产 接触网开关监控系统所处环境的电磁干扰 能 使其运行失效 因此 接触网开关监控系统的电磁兼容研究与设计具有一定的现实意 义 首先 本文在较详细介绍国内 外各类接触网开关监控系统应用现状的基础上 对比分析了集中式和分布式两种接触网开关监控系统的优缺点 论述了电磁兼容的基 本理论及接触网开关监控系统的电磁干扰来源与危害 为后文的研究奠定了基础 其次 着重研究了采用控制电缆的集中式接触网开关监控系统的电磁兼容问题 给出了a t 供电方式的等效电路图 建立了a t 供电方式的控制电缆信号仿真模型 并 在此基础上进行了一系列仿真分析 验证了牵引供电系统一次系统对电缆信号的电磁 干扰 很容易产生接触网开关的误动 遥信信号的误报 通过电缆长度 谐波和电压 波动对电缆芯间信号影响的仿真分析发现 电缆长度大 谐波或纹波和电压波动都能 引起芯间电流信号的串扰 使控制电缆传输的电流信号失真 最后 重点设计了以光纤为信息传输媒介的分层分布式接触网开关监控系统 论 述了该系统的详细构成 由于电磁干扰潜在的危害 本文对系统进行了电磁兼容的全 面设计 从电磁兼容角度选择了电路元器件 从电路设计 p c b 设计及机壳设计等多 方面对远程i o 单元进行了电磁兼容设计 多项试验结果表明 本文对采用光纤为传输媒介的分布式接触网开关监控系统的 电磁兼容设计取得了成功 系统在现场的稳定和可靠运行进一步验证了电磁兼容设计 的有效性 关键词 牵引供电系统 接触网开关监控系统 电磁干扰 电磁兼容 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 皇鼍量寡鼍皇舅曼皇舅曼鼍曼皇曼皇皇皇量量皇曼曼量曼皇曼曼曼曼皇曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼曼鼍曼毫曼曼m l i i i m i i 鼍曼曼曼量鲁舅舅曼皇曼曼皇曼 a b s t r a c t w i t ht h el a r g e s c a l eb u i l d i n go fh i g h s p e e de l e c t r i f i e dr a i l w a yi no u rs t a t e t h er e l i a b i l i t y o fi t sp o w e rs u p p l yh a sb e e np a i dm o r ea t t e n t i o n u s i n gs u p e r v i s o r ys y s t e mf o rc a t e n a r y s w i t c h e si sa ni m p o r t a n ta p p r o a c ht oi s o l a t ef a u l t si nt r a c t i o np o w e rs y s t e m s t p s i t s e f f e c t i v e n e s sa n dr e l i a b i l i t y d i r e c t l y i n f l u e n c e s t h eo p e r a t i o no fe l e c t r i f i e dr a i l w a y s e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e e m i f r o mi t se n v i r o n m e n tc a l lm a k ei ti n v a l i d s o r e s e a r c h o ne l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y e m c o fs u p e r v i s o r ys y s t e mo fc a t e n a r ys w i t c h e sh a s p r a c t i c a lm e a n i n g f i r s t t h i st h e s i sh a st h o r o u g h l yr e v i e w e dc u r r e n ta p p l i c a t i o n sa n dp r o g r e s so fs u p e r v i s o r y s y s t e mo fc a t e n a r y s w i t c h e sb o t hi nc h i n aa n da b r o a d b a s e do nt h a t ac o n t r a s to f c e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e ds u p e r v i s o r ys y s t e mo fc a t e n a r ys w i t c h e sh a sb e e ng i v e n t h e s o u r c ea n d d a n g e ro fe m io fs u p e r v i s o r ys y s t e mo fc a t e n a r ys w i t c hh a sb e e nd i s c u s s e d t h i s w o r kl a i daf o u n d a t i o nf o rs u b s e q u e n ta n a l y s i s s e c o n d l y t h et h e s i sp u t se m p h a s i so nt h ee m cr e s e a r c ho nc e n t r a l i z e ds u p e r v i s o r y s y s t e mo fc a t e n a r ys w i t c h e s e q u i v a l e n tc i r c u i ts u p e r v i s o r yc o n t r o ls y s t e mo fa tp o w e r s u p p l ym o d eh a sb e e ng i v e n s i m u l a t i o nm o d e l so fc o n t r o lc a b l e sa b o u ta tp o w e rs u p p l y m o d eh a v eb e e ne s t a b l i s h e d b a s e do nt h i s as e r i e so fs i m u l a t i o na n a l y s i sh a sb e e nd o n e t h ee m io ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m sp r i m a r ys y s t e mt oc a b l es i g n a lh a sb e e nv e r i f i e d i tc a nc a u s em a l o p e r a t i o no fc a t e n a r ys w i t c ha n df a l s ea l a r mo fr e m o t es i g n a l s b y s i m u l a t i o na n a l y s i so fe f f e c to nt h ec a b l es i g n a l sb e t w e e nc a b l e st h a tc a b l el e n g t h h a r m o n i c a n dv o l t a g ef l u c t u a t i o nh a s c a b l el e n g t h a n dh a r m o n i ca n dv o l t a g ef l u c t u a t i o nc a nc a u s e c r o s s t a l ko fs i g n a l sb e t w e e nc a b l e s w h i c hc a nl e a dt od i s t o r t i o no fc u r r e n t s i g n a l s t r a n s m i t t i n gt h r o u g hc o n t r o lc a b l e s l a s t l y t h et h e s i sh a sm a i n l yd e s i g n e dd i s t r i b u t e ds u p e r v i s o r ys y s t e mo fc a t e n a r ys w i t c h e s t r a n s m i t t i n gi n f o r m a t i o nt h r o u g ho p t i c a lf i b e r i t sd e t a i l e ds t r u c t u r eh a sb e e nd i s c u s s e d b e c a u s eo f p o t e n t i a lh a z a r d so fe m i t h et h e s i sh a sm a d eo v e r a l le m c d e s i g nf o rd i s t r i b u t e d s u p e r v i s o r ys y s t e mo fc a t e n a r ys w i t c h e s a tt h ev i e wo fe m c c i r c u i tc o m p o n e n t sh a v e b e e n c h o s e n t h et h e s i sh a sm a d ee m cd e s i g nf o rr e m o t ei ou n i ti n c l u d i n gc i r c u i t p c ba n d e n c l o s u r ed e s i g n s o m et e s t si n d i c a t et h a t t h ee m cd e s i g no fd i s t r i b u t e ds u p e r v i s o r ys y s t e mo fc a t e n a r y s w i t c ht r a n s m i t t i n gi n f o r m a t i o nt h r o u g ho p t i c a lf i b e ri ss u c c e s s f u l i t ss t e a d ya n dr e l i a b l e f i e l d w o r kh a sp r o v e dv a l i d i t yo fe m cd e s i g n k e y w o r d s t r a c t i o np o w e rs y s t e m s u p e r v i s o r ys y s t e mo fc a t e n a r ys w i t c h e s e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e e m i e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y e m c 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用 影印 缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密影使用本授权书 请在以上方框内打 寸 引窆俘 日期纱 汐 7 名 篡 名 獬 沙 作 玳 划 瑚 踟 日 位学 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果 对本文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中作了明确说明 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担 学位论文作者签名 日期 砂沙 工w d 0j 7 v 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 i m a a a i 一i i 窟 曼曼量量量曼 1 1引言 第1 章绪论 接触网开关 隔离开关或负荷隔离开关 系电气化铁道牵引供电的重要装置之一 接触网开关 般设置在区间和站场接触网交接的联接处 大型客站和编组场分束处 其作用都是保证接触网停电检修和实现接触网故障隔副1 1 随着近年来电气化铁道承担运量的日益增加 相应运营部门对牵引供电系统的供 电的可靠性要求也愈来愈高 为满足故障隔离和检修需要 铁道部明确要求 2 大型客 站设独立供电线 并实行分束供电 大型枢纽的编组站各分场设独立供电线 每个分 场内宜在当地实行分束供电 分束原则可根据行车组织及检修需要 一般3 5 股道为 一束 分束供电隔离开关应纳入远动系统 由于接触网开关安装位置大多远离车站 变 配 电所 若采用人工操作方式 天窗 时间得不到充分利用 也难以实现故障 的快速隔离 这就使得接触网开关远动化成为必然趋势 近年来 客运专线已普遍将接触网开关监控系统作为子系统纳入牵引供电调度自 动化管理系统 因接触网开关的运行与铁路行车关系极为密切 故其监控系统应满足 两个必须 的要求 1 接触网开关监控系统必须具有高可靠性 其误动作率是0 即是说 误动作 是绝对不允许的 2 接触网开关监控系统面对的是电气化铁道的严酷电磁环境 要使其绝对不误动 作 其电磁兼容问题必须彻底解决 以杜绝设备故障的发生 基于以上分析 本课题分析接触网开关监控系统的电磁干扰来源 研究集中式监 控系统长电缆的干扰和研究设计分布监控系统i 0 系统 对解决接触网开关误动提供 理论和实践指导 1 2 接触网开关监控系统的国内外研究现状 接触网开关的设置因单 复线而异 车站的等级和作用不同 网上开关的配置亦 不相同 对一般站场来说 单线每侧一台 复线每侧两台 开关安装位置距车站中心 约为1 5 2 k i n 而大型编组场的接触网开关可多达2 0 台左右 且分布在5 l o k m 的 半径内 在广州动车段的段区内有高达1 0 0 多台的配置 根据接触网开关的设置特点 国内外对接触开关监控普遍采用集中控制系统和分 布控制两种方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 1 集中控制方式 所谓集中控制方式是在控制系统中采用集中式被控终端 r t u 而集中式r t u 在工程实际又分为高压开关 集中 和 分散 两种应用 1 开关 集中 式应用 接触网开关通过高压供电线将接触网开关集中某处布置 r t u 就近控制 如图1 1 所示 接触网开关的集中设置的优点是便于管理和控制 缺点是受高压供电线路径和 开关场地的限制 特别是在山区极难实现 这种方式在早期的电气化工程曾有过这样 应用 图i i 开关集中式应用 远土道 图i 2 开关分散式应用 2 开关 分散 式应用 被控终端 i 州 安装于车站某处 而将控制及信号电缆分别引至每台开关处 通过一台集中式r t u 对n 台接触网开关进行控制 这种控制方式属于有线控制 如图 1 2 所示 国内目前多采用这种控制方式 武广 京郑 郑武线上均装备的是集中式 r t u 在哈大线德国西门子公司也采用了这种控制方式 这种方式实现简单 只要r t u 的i o 容量满足控制要求即可 上述两种方式从控制系统角度讲是 致的 区别是接触网开关的 集中 和 分 散 集中 与 分散 是对高压线路而言 不言而喻 集中 须通过高压线路实现 分散 须通过低压电缆实现 1 2 2 分布控制方式 集中式r t u 是输入 输出线都采用并行接法 它的输入 输出的走线距离开关安 装位置一般为几十米 几百米 甚至几千米 随着电缆长度的增加 电缆的芯线之间 分布和电缆芯线与大地之间分布电容也随之增加 牵引供电系统就会通过电容耦合途 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 径对电缆产生电磁干扰 导致接触网开关发生误动作的概率也会有所增加 分布控制方式是通过分布式接触网开关监控系统实现对开关的控制的 所谓分布 是将集中式r t u 分割成两个层面 第一个层面是二级监控站 用户常要求在此层面配 置人机操作界面 这时它的功能就不仅仅局限于数据转发 相对牵引供电调度自动化 管理系统 它是第二级监控 实际上它是通过保留了集中式r t u 的通讯控制器和人 机接口 操作界面 而构成的 第二个层面是智能化的远程i o 单元 它相当于集中 式r t u 本地i o 移至远方 远程i o 单元安装在开关支柱的下方 并智能化 分布式接触网开关监控系统采用 面向对象 的分布结构设计 所谓对象就是监 控接触网开关的远程i o 单元 由于智能化远程i o 单元承担了接触网开关的状态采集 和控制输出 二级监控站与远程i o 单元不再需要用并行电缆相连 它们通过网络 现 场总线 互连 实现 地理上的分散 功能上分布 管理上集中 3 5 二级监控站和远程i o 单元的信息传输媒介通常有两种选择 以无线电为传输媒介的监控系统我们称无线通讯接触网开关监控系统 而以光纤 为传输媒介的控制系统我t i p q 光纤通讯接触网开关监控系统 如图1 3 和图1 4 所示 1 无线通讯接触网开关分布监控系统 无线通信 顾名思义是利用无线电波而非线缆来实现与计算机设备位置无关的数 据传输系统 利用无线电波传输数据信号 适合于难于布线的环境中搭建数据传输网 络 在铁路枢纽站场 接触网开关分散l o k m 的半径的区域里1 6 正是难以通过布线搭 建数据传输通道的工业现场 无线通讯接触网开关分布监控系统由二级监控站和远程 i o 单元及无线信道所组成 图1 3 无线通信分布式接触网 开关监控系统结构示意 叫鲎i 远程i 船 l 堕五 l 弟了1 3 厂 k i 一ji j 广a 广a k v k 睫n 厂叫嬲l 图卜4 光纤通信分布式接触网 开关监控系统结构示意 无线通讯的分布式接触网开关分布监控系统的通信网络是一种有线 无线的立体 式网络 它与牵引供电调度自动化管理系统的通信采用有线方式 而与远程i o 单元 的通信使用无线信道 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 i mm m m mm i i in l 曼曼鼍 无线信道可分为无线公共网和无线专用网 1 无线公共网 无线公共网使用商业资源 在成熟g s m 时分多址数字蜂窝网 c d m a 码分 多址数字蜂窝网 网络基础上构建无线数据网络 7 它比构建无线专用无线网更易实 现 且一次性投资小 使用无线公共网进行数据传输 必须在二级监控站和远程i o 单元的通信口上连 接g s m 或c d m a 无线数据通讯m o d e m 二级监控站和远程i o 单元之间并不直接通 信 需要借助无线公共网进行数据的转发 在国内 仅有极少用户使用过无线公共网作为接触网开关分布监控系统的信息传 输通道的应用 德国德瑞希尔的隔离开关具有这种接口 并在欧洲获得运用 无线公共网在电气化铁道的应用有很大局限性 铁路区间站和枢纽战场并不一定 在无线公共网基站的覆盖下 接触网开关分布监控系统的信息传输实时性很难保证 使用无线公共网络会产生月租费用 2 无线专用网 无线专用网不同于无线公共网 它需要一系列的设计 段频选择 根据国际联盟 u i c 的推荐 电气化铁道的无线电通讯应选用4 5 0 4 6 0 m h z 频段 这是因为4 5 0 4 6 0 m h z 频段比1 5 0 m h z 频段所受到的因弓网接触不良产生的火花干扰 要小约1 0 倍 且电磁波穿越车辆的能力较强 损耗小 列车经过时不会影响正常通讯 同频复用 接触网开关监控系统是牵引供电调度自动化管理系统的子系统 一套牵引供电调 度自动化管理系统要管理m 套子系统 同样每套子系统又监控n 个远程i o 单元 这 里作了每套接触网开关监控系统监控容量相同的假设 从提高接触网开关监控的实时 性角度考虑 希望占用m n 个频点 这样每套二级监控站和n 个远程i o 单元之间就 可以实现并行通信 但在实际工程中这是不可能的 频点资源不会无偿使用 从节约 频率资源角度考虑 我们不得不提高频点利用率 尽可能少占用频点 通常一条电气 化铁路才能获批1 2 个频点 这样就必须采用同频信道复用技术 至于系统的实时性 问题只有通过其他技术手段加以解决 线路上的接触网开关通常安装在车站两侧 呈带状分布 而枢纽接触网开关是按 照场 束 布置的 呈块状分布 根据这个特点 我们可以车站和场 束 为单位设 置接触网开关监控系统 每套系统占用一个无线电小区 全线的无线通讯网络由若干 同频无线电小区所组成 如图l 一5 所示 每套触网开关监控系统只在小区的限定范围 内进行无线通信 由于各小区使用同频通信 因此要求相邻小区无线电场强交迭愈小 愈好 以避免越区干扰 显然 同频信号无线小区地理上相距愈远 同频干扰的防卫 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 度就越大 无线电小区 图卜5 同频无线电小区 整个无线网络的通信质量取决于无线电接收机的同频信号 干扰比 s i 提高s i 比值的技术手段就是调整天线高度 无线电台的发射功率和接收灵敏度 当s i 芝2 5d b 时 即满足通讯质量要求 通过上述技术手段仍无法满足s i 2 5d b 时 为避免相邻小区因使用同一频率造成 的相互干扰 在同频小区之间插入一个或两个其他频率的小区 就构成两频制或三频 制的无线通信网络咧 两频制的频率配置方法 是把两个频率a 和b 组成一组 依次配置 如图1 6 所 示 同样 三频制是把三个频率a b c 依次交替配置 如图1 7 所示 一般情况 下 两频制即可满足通讯质量要求 这在经济上和频段占用率上最为有利 只有在铁 路线迂回的特殊情况下 才考虑使用三频制 无线电小区 乃 形p 心 奏 ili l fi 图卜6 双频无线电小区图卜7 三频无线电小区 提高系统实时性的措施 在无线专用网络中 使用传统查询链路控制协议制是难以满足系统实时性要求的 这是因为电台开 关载波时间过长所致 通常电台的建载时间是1 0 0 3 0 0 m s 关载时间 是l o o m s 2 0 0 m s 对一个监控容量l 2 0 的接触网开关监控系统而言 一个完整查询 周期仅开 关载波就至少耗时8 0 0 0 h a s 显然查询协议是不适合无线专用网络的 解决 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 曼量量曼曼曼曼量量曼曼曼曼曼曼鼍曼皇皇曼皇曼皇曼曼鼍曼曼皇量鼍皇皇曼舅 鬲m m m 一一 i i 皇i 曼量量曼皇曼曼皇蔓曼舅曼量量量 的方法是在无线专用网络中采用争用链路控制协议 争用链路控制协议的特点是无线专网中的任意节点在任何时候都可以发送信息 为了避免当两个或多个节点同时要求发送信息时产生争用冲突 节点在发送信息前 要侦听传输线路的载波 以判断传输线路是否处于空闲状态 只有在线路空闲时才允 许发送 否则就推迟发送 在发送过程中需要再对传输线路的状态进行检测 若有冲 突 就应停止发送 等过一段随机时间之后 再次重复以上过程 直至传输网络真正 空闲 才可以重新发送 9 1 争用链路控制协议解决冲突的措施就是 先听后讲 边 讲边听 采用争用链路控制协议对提高接触网开关监控系统的实时性是非常有效的 这是因为接触网开关不是自动装置 争用冲突几乎不会发生 在实际工程中 采用无线专网的接触网开关监控系统 通常使用争用 查询链路控 制协议 查询只是在二级监控站上电时使用 进行开关状态的初始 对位 或每隔1 0 2 0 分钟查询一周 以判断远程i o 单元的工作状态 无线专网的接触网开关监控系统在枢纽站场获得较多的应用 如洛阳 长沙 武 汉 合肥等枢纽站场 但运行效果并不是很理想 远程i y o 单元的电源部件故障较多 信道中常出现语音信号 影响系统的正常通信 无线专网的另一个弊病是现场调试困 难 需反复调试 2 光纤通讯接触网开关分布监控系统 以光纤为传输媒介接触网开关分布监控系统 通过光导纤维传输光信号实现二级 监控站和远程i o 单元的信息交换 因光纤通信以光波作为信息载体 而光纤是绝缘 体材料 它完全切断了信号发送端和信号接收端之间的电气联系 也就阻断了地环路 从 而保证数据传输的可靠性 川 光纤传输的原理是在信号发送端 将电信号转换成光信号 并输入光导纤维传送 在光导纤维另一端通过光敏元件接受 还原成电信号 1 1 1 通常光源采用发光二极管 当 传输距离较远时使用激光器 光敏元件一般采用硅p i n 管或雪崩二级管a p d 光导纤 维通常用硅橡胶聚乙烯和聚丙烯等材料一层一层包裹起来形成光缆 光发送与光路接 通及光接收电路比较复杂 现在已有将光源 光探测 驱动和放大电路 时钟及再生判 决电路集成为一体的组合元件 1 2 称为光收发器 俗称 光头 以光纤为传输媒介接 触网开关分布监控系统的工作原理及设计将在论文第四章里给予详细介绍 1 2 3 两种控制方式的比较 综上所述 在各种接触网开关的监控系统中 集中式r t u 实现简单 造价低廉 但需使用低压长电缆 而长电缆的电磁兼容问题较难解决 分布式监控系统的远程i 0 单元需与接触网开关同杆安装 同样存在电磁干扰问题 但通过电磁兼容设计是可以 解决的 无线电通讯方式接触网开关的分布式监控系统采用无线信道进行数据传输 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 其优点是不需要沿线路并穿越股道敷设电缆 但不易申请频点 且受地形和地物影响 特别是当遇到同频干扰时将无计可施 使其推广应用受到限制 光纤通讯接触网开关 分布式监控系统结构较为合理 信息传输可靠 与集中式r t u 相比造价更为低廉 光缆 比电缆成本要低 与无线通讯分布式监控系统相比 信息传输的可靠性可得到保证 并且不受场地条件限制 1 3 电磁兼容的国内外研究现状 电磁兼容 e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y e m c 是研究在有限的空间 有限的时间 及有限的频谱资源条件下 各种设备可以共存并不致引起性能降低的一门科学 国家标准g b t 4 3 6 5 1 9 9 5 电磁兼容术语 将电磁兼容定义为 设备或系统在其 电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力 该 标准等同采用i e c 6 0 0 5 0 1 6 1 i 从上述定义看 电磁兼容应包括两方面的内容 一方面指设备不受干扰的影响 另一方面指设备不对周围的其它设备形成不能承受的骚扰a 电磁兼容涉及到以下问题 幻骚扰源特性的研究 包括电磁骚扰产生的机理 频域及时域的特性 抑制其发射 强度的方法等 b 敏感设备的抗干扰性能 c 电磁骚扰的传播特性 包括辐射及传导 d 电磁兼容测量 包括测量设备 测量方法 数据处理方法以及测量结果评价 e 系统内及系统间的电磁兼容性 电磁兼容的研究己有近八十年 其间发表了大量的文章 涉及自然界的电磁干扰 e m i 源及其模型的研究 e m i e m c 的测量及评估 实现e m c 的技术及技巧 据统 计 在过去的三十年中 世界范围内的电磁兼容的论文超过1 0 0 0 0 0 篇 这些论文阐 述了电磁兼容领域具有重大的理论成果及重大实现方法 测量及结果 它们涉及到以 下几个领域 a 自然界及人为的电磁干扰源及其模型的研究 闪电及静电放电是两个自然界的电 磁干扰源 b e m i e m c 的测量 开阔场地的测量 辐射干扰的测量 传导干扰的测量 脉冲干扰的测量 静电放电 电快速瞬变脉冲群 电浪涌 c 实现e m c 的技术及技巧 屏蔽 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 接地 绑接 滤波 适当的频率规划及实现 采用特殊设计的电缆及连接器来抑制干扰 i e e et r a l l s a c t i o n so ne l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y 是致力于e m u e m c 研究的学期 刊 此外几个著名的e m c 学术研讨会有 5 1 a i e e ei n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo ne m c b i n t e r n a t i o n a lz u r i c hs y m p o s i u mo ne m c c i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo ne m c j a p a n d i n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo ne l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n dc o m p a t i b i l i t y i n d i a e i n t e r n a t i o n a lw r o c l a ws y m p o s i u ma n de x h i b i t i o no ne m c p o l a n d 这些e m c 学术研讨会每年举行一次 并出版有论文集 1 4 论文的主要工作及结构安排 接触网开关监控系统是电气化铁道牵引供电系统实现故障快速隔离的重要技术手 段 它与铁路行车关系极为密切 正是出于这一原因 客运专线已普遍将接触网开关 监控系统作为子系统纳入牵引供电调度自动化管理系统 接触网开关监控系统工作在 严酷的电磁环境里 其可靠性问题非常突出 本论文针对接触网开关监控系统特有电磁环境 从阻断电磁干扰的耦合途径和降 低设备敏感度的角度提出了相应的对策 并给出了接触网开关监控系统完整的电磁兼 容设计 论文具有较大的工程意义 论文各章内容安排如下 第l 章介绍了本文的研究背景和国内外研究现状 较详细的阐述了目前已获得工 程应用的各类接触网开关监控系统的工作原理 并比较它们的各自利弊 第2 章介绍了电磁兼容的一些基本概念 分析了接触网开关监控系统特有的电磁 干扰来源及对其的危害 第3 章通过建模和仿真 找出了长距离电缆传输信号受干扰的原因 对接触网开 关的误动作现象给出了 说法 第4 章是本论文的重点 在这 章里给出了分布式接触网开关监控系统电磁兼容 的完整设计 结论部分概括了论文的主要工作和结论 并对未来的工作提出了展望 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章电磁兼容基本概念及接触网开关监控系统干扰来源 2 1 电磁兼容的基本概念 随着科学技术的不断发展 各种电气和电子设备已广泛应用于国民经济的各部门 及人们的日常生活中 电气和电子设备在正常运行的同时 会向外发射有用或无用的 电磁能量 这些能量会影响其他设备的正常工作 即产生电磁干扰 电磁干扰是人们 早就发现的电磁现象 它几乎和电磁效应现象同时发现 严格地说 只要把两个或两 个以上的电气设备设置在同一环境中 就会产生电磁干扰 如牵引变电所里看电视 效果很差 电视机屏幕上会出现 条纹 伴音也听不清楚 这是因为电视机受到了牵 引供电系统的干扰 计算机的电磁兼容问题具有一般电子设备的共性 它本身就是干 扰源 干扰其他设备的正常运行 同时它又是敏感设各 也极易受到干扰 人为或自然界的电磁干扰源 譬如雷电 有可能使设备的工作信号发生改变致使 设备工作不稳定 当电磁干扰能量较大时 会使设备失灵 甚至使设备发生故障或事故 电磁兼容性已成为产品可靠性保证中最重要的组成部分 2 1 1 电磁噪声和电磁干扰 电磁噪声来源自然界 机电设备 它是一种不含任何信息 与任何信号无关的电 磁现象 电磁噪声往往是脉动和随机的 但也可能是周期的 电磁干扰系指可以中断 阻碍 降低 或限制电子设备有效性能的电磁能量 电 磁干扰的形式有很多种 如由大气无线电噪声引起的天电干扰 输电线 电气化铁道 以及各种电气 电子设备工作时引起的工业干扰 会在传输电路问产生电或磁的偶合 电阻偶合 电容偶合 电感偶合 干扰等 2 1 2 电磁兼容 电磁兼容是指设备和系统在其所处的电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何 事物构成不能承受的电磁骚扰的能力 所谓能力意指电气或电子设备在预期或已知的 电磁环境中按设计要求正常工作的能力 所谓兼容系指电气或电子设备不会因为它们 内部或彼此间存在的干扰而影响其正常工作 当达到这种 兼容 状态时 各个设备 才能 和谐 r 作 1 7 1 8 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 1 3 电磁干扰三要素 产生电磁干扰必须具备3 个条件 一是必须具备干扰源 二是必须具备能量传播 耦合途径 三是必须有敏感设备 或称被干扰设备 所有电磁干扰都是这三要素的组 合而产生的 电磁干扰三要素的关系如图2 1 示意l l 州 集中式p t u 用于接触网开关监控时 因电磁干扰而造成开关 误动 的原因 接 触网开关的 误动 现象就是典型的电磁干扰三要素共同作用结果 造成开关 误动 的干扰源是牵引供电系统 干扰能量的传播耦合途径是长距离电缆的对地分布电容 电 容性耦合 而敏感设备是开关电动机构的启动回路 iiii iiii q 卜 j 毯黼l p 皇垒i 缸乙 卜j 置扯迅斗 图2 1 电磁干扰三要素的关系 2 1 4 电磁干扰抑制技术 抑制电磁干扰方法有很多种 譬如 接地 隔离 屏蔽 滤波等 引 具体方法采 取何种方法要根据敏感设备所处电磁环境 围绕电磁干扰三要素有针对性采取相应措 施 这些措施归纳起来就是抑制干扰源 切断电磁干扰的耦合途径 降低敏感设备的 敏感性 对于接触网监控系统而言 它所处电磁环境是电气化铁道特有的 我们无力 抑制其干扰 而切断电磁干扰的偶合途径 降低设备的敏感性 却是可以通过电磁兼 容设计办到的 级一一一 一一一 一 酋卤卤 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 2 接触网开关监控系统的电磁干扰来源分析 2 2 1 牵引供电系统的干扰 由于接触网的特殊性 接触网开关监控的重要干扰来源就是牵引供电系统 牵引 供电系统对监控系统的干扰分析如下 1 高压大电流引起的干扰 电气化铁道接触网属于高压输电线路 但它又与一 般三相输电线路有很大区别 在三相输电线路中 a a c2 0 对外产生的电磁场可 以近似互相抵消 故其对外的电磁影响较小 2 0 1 而接触网却是单相2 7 5 k v 输电线路 其输电是利用钢轨和大地作为回流路径进行的 当多台机车同时作用时 接触网上的 牵引电流高达1 0 0 0 a 以上 2 1 1 这将在接触网周围产生较强的工频电场和工频磁场 远 程i o 单元恰好工作在近场环境中 远程i o 单元的电源线 信号线与接触网之间因存 在互感而产生磁耦合 存在电容而产生静电电荷的积累 2 非线性谐波引起的干扰 电力机车是牵引供电系统的非线性负载 在整流换 相和运行过程中会产生大量谐波成分 电流的谐波是因为电力机车采用通过开关性的 半导体器件引发的 2 2 琊 当远程i o 单元的供电电源源于牵引供电系统时 低频段 3 5 7 9 谐波会造成电源电压波动和脉冲干扰 5 0 h z 正弦波上出现上千伏的尖峰电 压 在成渝线r t u 电源上经常可测到4 0 0 v 的脉冲 高频段谐波会对远程i o 单元形成 射频干扰 3 弓网电弧的干扰 当机车运行时 受电弓在接触网上的跳动会产生随机的脉 冲干扰 向空间辐射电磁波 对接触网开关受控单元产生射频干扰 这种干扰比机车整流 调速产生的高次谐波辐射要严重得多 现有的文献及实测 2 4 2 5 均表明 电气化铁道产 生的无线电噪声主要是脉冲型电磁骚扰 其主要来源就是机车受电弓与接触线之间的 火花间隙放电 火花放电具有很宽的噪声频谱 从1 0 k h z 到数g h z 2 6 也就是说射 频段的噪声主要来自弓网系统 2 7 4 接地回流系统的干扰 牵引地回流会对远程i o 单元电源零线产生电阻性传 导干扰 造成远程i 0 单元电源的电压波动 5 接触网器具电晕干扰 接触网必须依靠大量的金具和绝缘子悬挂 在高海拔 和重污秽地区 金具尖端电极易出现电晕 当电晕放电时会产生高频脉冲电流 特里切 尔电流 辐射出电磁波 对电子设备造成干扰 2 8 1 6 开关动作引起的电磁干扰 远程i o 单元驱动对象是与其同杆安装的负荷 隔 离 开关 在开关的通 断过程中 会产生快速变化的尖峰电压和浪涌电流 2 9 这是不 可忽视的电磁干扰 7 泄漏电流影响 电气化铁道接触网采用单相工频供电 牵引电流经钢轨和大 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 喜量皇量鼍皇曼笪曼皇 皇曼曼皇曼皇曼皇曼i i t m m lmm mlmm m 皇皇量曼曼曼皇量鼍詈曼曼曼曼量 地返回牵引变电所时 有部分电流泄漏到大地中 由于接地电阻的存在 随着牵引电 流的增大 地点位就会升耐训 这种电位的变化有可能反窜到系统中 影响设备的可 靠工作 8 短路电流的影响 接触网对地短路将有k a 数量级的电流入地 引起地电位 升高 远程i o 单元的电源线首末两端的电位差可能高达k v 强大的浪涌会破坏受设 备的绝缘 甚至烧毁设备 接触网的短路点具有随机性 3 l 入地电流点距远程i o 单 元越近危害越大 这种情况若发生在远程i o 单元所在接触网支柱上其影响将更加严 重 9 长电缆的电容电流影响 远程i o 单元的供电电源通常通过长电缆引入 无 论电缆屏蔽层是一端接地 还是双端接地 牵引供电系统的地回流都会有部分电流在 电缆屏蔽层中流过 在一端接地情况下 由于未接地一侧电缆屏蔽层存在对地电容 这就为牵引回流的高频部分提供了通路 在两端接地的情况下 电缆屏蔽层成了牵引 地回流的低阻通路 电缆的 外皮电流 通过电缆芯线的对地寄生电容对设备电源产 生干扰 2 2 2 外部自然电磁环境的影晌 接触网受到的外部电磁环境干扰主要包括 1 雷击干扰 电气化铁路接触网绵延千里 发生雷击过电压的几率很高 远程 i 0 单元通常通过牵引网或铁路1 0 k v 自闭或贯通线路加装专用变压器供电 若线路遭遇 雷击 浪涌电流会顺着线路 变压器进行传递 最终进入设备 在浪涌的作用下可能会摧 毁远程i o 单元的电源乃至整个系统 2 静电放电干扰 静电放电是所有电子设备都不能忽视的一种干扰 人体是一 个特殊的静电系统 当人体通过摩擦 感应 传导起电时 就变成带有静电电荷的静 电源 电压通常会高达十几k v 以上 当带电的人体在电子设备的生产 调试 运输过 程中接触设备会产生静电放电 导致半导体器件的击穿或失效 当远程i o 单元现场 下载程序或设置地址跳线时 会因防护不当而发生对设备的静电放电 2 2 3 设备间的互干扰 远程i 0 单元是通过驱动开关电动操作机构实现对开关的分 合操作的 机构的 接触器 电动机均系电感元件 接触器的动作及电机的启 停会对远程i 0 单元形成 快速瞬变脉冲群电磁干扰 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 3 电磁干扰对接触网开关监控系统的危害分析 严重的电磁干扰进入接触网监控系统的电子和控制装置 使得装置不能正常工 作 导致控制失灵 就有可能造成重大的铁路运输事故 其主要影响表现如下 1 电子设备受强电的电磁的影响造成性能下降或损坏的情况是电磁干扰最为常见 的危害 目前 国家和铁道部均无牵引供电系统场地计算机设备的电磁兼容标准颁布 但 在电气化铁道通信和信号设备受电磁干扰造成损害却屡见不鲜 信号专业场地计算机 设备因电磁干扰已发生过多起设备故障 1 9 9 7 年大秦线茶坞车站的计算机联锁曾发生 大面积烧毁的重大事故 直接影响到铁路运输生产就是一个例证 3 2 供电系统的场地 弱电设备与铁道通讯和信号设备所面临的电磁环境是一致的 在郑州 西安客运专线 a r a v a 公司隔离开关操作机构也多次出现过防浪涌器件烧毁故障 远程i o 单元主要是c m o s 半导体器件组成的系统 而c o m s 器件都用氧化膜绝 缘 氧化膜的厚度只有几1 tm 当器件接受到瞬变电磁能量后可转变成高电压 一旦超 过氧化膜的绝缘强度就会将其击穿 造成短路 即便出现因瞬变电压的能量不足以损 坏器件 也会使器件失效 影响功能 甚至产生误动作 浪涌冲击对远程i o 单元危害最大 即便远程i o 单元有金属屏蔽 但金属屏蔽壳 体上的感应电流像浪涌一样在壳体上流动 壳体上的散热孔 外露引线一旦将浪涌电 流引入壳内 就会损坏远程i o 单元内的敏感器件 2 数据出错 程序运行失常 虽然远程i o 单元不含模拟电路 但电磁干扰容易导致数字电路信号电平的变化 从而影响数据传输的准确性 造成 死机 作者曾发现过因并行输出芯片的片选信号 受到干扰 产生误动作的现象 3 降低数据采集的可靠性和控制的灵敏度 电磁干扰侵入系统的输入通道并叠加在信号上 致使数据采集误差加大 电磁干 扰也可以使输出接口受到干扰 使输出信号混乱 控制输出误差加大 甚至失灵 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14 页 第3 章集中式接触网开关监控系统电磁兼容分析 3 1 问题的提出 在各类接触网开关控制系统中 集中式r t u 应用得最为广泛 出现的问题也最多 几乎每套系统都发生过接触网开关误动作的行为 用户 施工单位 r t u 的生产厂家 开关制造商经常为此 扯皮 r t u 生产厂家认为 同型号同批次的r t u 用于牵引变电所监控时 牵引变电所开 关并没有误动现象 由此推断接触网开关误动并非r t u 自身原因造成 并且通过在r t u 出口和开关启动回路分别设置电磁计数器验证自己的观点 而实际情况也确实是当开 关误动时 开关启动回路的计数器加l r t u 出口计数器记录值没有改变 开关制造商亦以同型号同批次的开关用于变电所馈线时并没有发生误动行为来证 明误动的产生非开关自身质量问题 施工单位则以电缆施工符合规程 施工质量经过了监理单位的确认为由说明施工 环节没有问题 一 用户对各方的解释很无奈 最后只好将开关短接了事 既然各个环节都不存在问题 那么造成开关误动的原因究竟是什么呢 至今未见 本专业技术人员做出过理论分析 在新近开通的京九线作者又见分相和上网开关采用 长电缆控制 经作者调查 这种运用仍然是失败的 在这一章里作者将通过仿真分析手段 分析采用长电缆的集中式监控系统导致接 触网开关误动的原因 3 2 采用控制电缆实现的集中式接触网开关监控系统结构 以控制电缆为信号媒介的接触网开关监控系统