这篇文章是TechXchange：深入研究EMI、EMC和噪声
你将学习:
- 在高速铁路中，哪些系统最容易受到电磁干扰的影响?
- 电磁干扰对电气化铁路的影响。
- 什么是MVDC电气化系统?
- 电磁干扰如何损害铁路信号的安全性。
从过去的铁路事故中吸取教训，有助于提高安全，预防不良事件的发生。的“7.23”永文线高铁列车发生事故2011年，在电磁干扰(EMI)保护和更好的铁路信号安全方面的研究全面展开。为了保证铁路的安全和效率，需要研究分析方法来评估电磁干扰对可靠性和安全性的影响，特别是在铁路信号中。
包括高速列车和地铁列车在内的电动轨道车辆的设计，需要注意电磁干扰/电磁兼容问题，这将导致严重的安全问题。
铁路安全
安全完整性等级(SIL)定义在CENELEC标准EN 50126, EN 50128和EN 50129。SIL功能用于铁路应用是现代电气铁路系统的重要组成部分。
安全完整性结合了两个基本概念:针对系统故障和随机故障的完整性。系统故障代表由故障或不正确的人工过程引起的规范故障、可追溯性、设计、制造和维护。由机电设备故障、老化过程或磨损引起的随机故障是本文最相关的概念。
高速铁路
我们先来看看高速铁路与EMI的关系。前面提到的是“7.23”永文线高铁事故。现在我们也可以看看高速铁路中的低频传导和辐射电磁干扰。
一些最容易受到电磁干扰噪声影响的铁路系统/设备是信号和通信系统、射频识别系统和控制系统。
高速铁路系统中的电磁场可以用麦克斯韦和高频结构模拟器(HFSS)基于有限元法理论。
电气化铁路
在包括高速列车和地铁列车在内的电动轨道车辆的设计中，EMI/EMC问题已经成为非常严重的问题。首先，更强大的电机和设备伴随着电磁干扰的增加。其次，大功率电力系统可能会对电动轨道车辆以及轨道侧现有车辆的监测信号产生干扰。
传统的轨道车辆EMI/EMC设计主要依靠经验和测试，但这对故障定位和寻找解决方案的效率不够。因此，它成为困扰车辆系统性能的瓶颈。
分布式大功率牵引装置和自动监控装置及其计算机化控制系统是电动汽车的心脏和大脑。这些系统有助于确保电动火车车辆的安全稳定运行。
牵引系统、辅助供电系统等非线性电气系统在输出功率达到兆瓦级左右时，会产生高频电磁谐波。这将对网络控制系统、乘客信息系统、通信系统等小型信号传感器造成干扰，这些传感器可以沿着金属车身或电缆移动。它不仅对整个系统的安全性和可靠性构成严重的EMI威胁，而且还会影响到乘客的电子设备，如手机、电脑、人工心脏设备等。
中压直流(MVDC)交通电气化系统
传统的直流铁路电气化系统(DC-RES)用于本地和短途列车运行。中压直流铁路电气化系统(MVDC-RES)在长距离/高速铁路走廊中具有广阔的应用前景(见图)．
MVDC-RES系统使用牵引变电站(TSS)，其位置比传统的DC-RES要远得多。MVDC-RES中的列车负载也将比传统的DC-RES承载更重的负载。MVDC-RES在接触网电压、TSS间距和列车负载方面产生了重大变化;这将影响轨道电势和杂散电流。
电磁干扰对铁路信号的影响
如前所述，从过去的事故中吸取教训是预防铁路事故的一个非常重要和基本的方法。预防技术可以通过事故模型来观察过去的事故，从而应用于未来的铁路系统。
高速重载铁路发展非常迅速。因此，牵引电流中的电磁干扰有所增加。由于恶劣的工作环境，信号设备可能会退化或发生故障，一旦发生故障危险侧故障，甚至会威胁到列车运行的安全。虽然铁路信号必须遵循“故障-安全”的基本原则，但不幸的是，安全是一个概率参数——电磁干扰可能导致信号设备故障，甚至导致“故障-安全”的信号设备故障。
一些专家认为，信号设备的SIL应达到3级，有必要进行EMI风险评估。贝塔因子法是一种用于定量评估共因失效(CCFs)的近似方法。ccf是导致多个组件故障的单一故障。
总结
铁路车辆的电磁干扰风险正在增加。轨道电路特性对铁路系统的电磁兼容和安全性至关重要。而电气化铁路，如MVDC和DC-RES系统，需要解决电磁干扰的影响，特别是铁路信号设备。
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参考文献
- 基于系统思维的中国事故分析——以“7.23”甬台温高铁事故为例
- 国家轨道交通电气化及自动化工程技术研究中心(香港分中心)，高速铁路低频传导及辐射电磁干扰及电磁兼容分析。
- Aatif, S.， Hu, H.， Rafiq, F.等，“MVDC铁路电气化系统中轨电位和杂散电流的分析，”铁路。Eng。科学29日,394 - 407 (2021)
- 电磁干扰对铁路信号安全影响的研究与案例分析，第二届国际系统可靠性与安全会议，2017。
- “关于轨道电路与铁路牵引供电系统的电磁兼容性”，2018年电磁兼容性国际研讨会(EMC Europe 2018)，荷兰阿姆斯特丹，2018年8月27-30日。
- 功率SiC MOSFET模块的宽带建模及MVDC铁路电气化系统的电磁干扰预测IEEE电磁兼容性汇刊， Vol. 62, No. 6, 2020年12月。
