城市軌道交通電磁環境智能管理系統的應用研究

王 斗

(北京城建設計發展集團股份有限公司長春分院，長春 130000)

1 軌道交通現狀

當前，軌道交通已成為人們出行的主要工具。為滿足人們出行質量和效率的高要求，大量整流、變頻設備接連投運，致使電能質量急劇下降，由此造成的電磁環境更加復雜、惡劣，已經很難滿足智慧城市的需求。

如果軌道交通電磁環境惡劣，就會導致車輛和站臺電子設備誤碼誤動作、元器件受損等狀況，甚至會造成安全事故。因此，軌道交通的電磁環境問題已經成為人們關注的焦點。

城市軌道交通中的系統和設備中存在大量電磁干擾源，而城市軌道交通中的弱電系統和設備大都是敏感設備，電磁干擾傳輸耦合路徑錯綜復雜[1]，導致了不少安全問題。比如，2018年3月華北某市地鐵0.4KV環控變頻器燒機；2017年華東某市地鐵電容柜燒毀；2016年華北某市地鐵主機頻繁死機、重啟和自動售檢票AFC系統盲頓、遲延和失靈；2015年東北某市地鐵UPS電源炸機等等。

2020年8月27日，中國鐵路通信信號股份有限公司重大科技專項“軌道交通電磁環境效應研究與測試平臺建設”項目啟動會在北京順利召開。項目指揮長、中國工程院院士劉尚合指出，軌道交通作為國家重大基礎設施，目前所面臨的電磁環境問題十分嚴峻，亟需開展攻關創新，迅速提升其適應性和安全性，從而保障我國軌道交通的安全穩定高質高效運行[2]。

2 電磁環境問題

電磁環境下的系統正常工作并對其他系統不產生超標電磁干擾的能力。即電磁環境中設備或系統與其他設備或系統間不產生相互影響的干擾。電磁兼容性(Electromagnetic Compatibility)簡稱EMC，是指系統在正常工作條件下不會對其他系統進行電磁干擾，而系統本身也不受外界電磁干擾的能力。所以習慣上說，EMC包含EMI(電磁干擾)和EMS(電磁敏感性)兩個方面，即EMC=EMI+EMS。

設備或系統成為其他設備或系統的干擾源或者受到其他設備或系統的電磁波干擾后導致性能降低。即電子元器件受到電磁波的干擾，產生電磁干擾現象。比如，電視熒屏上常見的“雪花”；站臺廣播的嘯叫；通電話過程中的電流聲；主機死機重啟；保護裝置跳閘誤動作；檢測裝置誤數據等。

一般電磁干擾源主要有：發輸變配電設備、電力牽引機車和城市軌道交通列車等。軌道交通干擾源分為列車系統、軌道系統、站臺系統干擾源[3]，列車中電磁干擾源主要有牽引電機、斷路器、逆變器、濾波電抗器，以及輔助系統等。軌道系統干擾源包括牽引網系統、信號系統的轉轍機設備等[4]。站臺系統干擾源包括供電、變電系統、配電系統及相關設備等。

3 電磁干擾分類

干擾源 、敏感裝置和耦合路徑是構成電磁兼容性的三要素。所以要想解決電磁兼容性問題，就要對干擾源 、敏感設備和耦合路徑進行綜合分析，根據分析結果采取有效措施解決電磁兼容問題。

3.1 軌道交通電磁干擾源分類

3.1.1 輻射性干擾源

車載無線移動電臺或手持無線電臺；無線發射基站的天線或泄漏同軸電纜；移動電話；變電所內真空斷路器觸動時的寬頻無線噪波；電子設備內微處理器超高頻數字電路；接觸網正常負荷或短路電流所產生的磁場。

3.1.2 導電性干擾源

導電性干擾源主要來自電源線與非線性機電設備共用電源，數字式電路和信號輸入端相連所產生的。主要分為以下五大類幾類[5]。

a.諧波；b.脈沖群干擾；c.快速瞬態干擾；d.電壓波動/中斷：e.射頻 (RF)電磁波

3.1.3 電感性干擾

當電纜與其他導體近距離并排敷設時，此導體內會因電纜內交變電流的作用而產生感應電壓。

3.1.4 靜電放電

靜電放電 (ESD)是電子根據不同物體間的電位差由1個物體通過接觸或者空氣向另一物體轉移的現象，此現象產生的電壓脈沖會破壞集成電路、電子元件。

3.2 電磁干擾按傳輸途徑分類

輻射和傳導是電磁干擾主要傳輸途徑。輻射發生形式分電場、磁場和電暈3種。電場強度與輸電線相電壓成線性關系。磁場強度則與電流成線性關系。當電場強度大于空氣擊穿強度時，會在高壓輸電線路上產生電暈放電現象。傳導由電容傳導、電阻傳導和電感傳導組成，由導體耦合產生，由干擾源和敏感設備間的公共阻抗傳播。輻射由電磁波傳播。由導線作為路徑傳導和輻射可相互轉化。

4 干擾源分析

城市軌道交通系統的電磁干擾源主要由固定干擾源和流動干擾源組成，用于電磁環境評估。固定源包括站臺供電、變電、配電系統及相關設備。流動源是指車輛在運行中，軌道車輛在運行中受電弓接觸線間的摩擦和上下彈動會產生拉弧打火現象，以及車輛使用斬波式調壓調速方式，因斬波器的快速離合動作形成的電磁輻射[6]。

4.1 流動源分析

在北京地鐵1號線古城站距地鐵列車30 m的位置測地鐵列車運行時的電磁輻射，該線路的地鐵采用第三軌受流，走行軌回流，直流供電，電壓750 V。通過監測可知，列車運行時的電磁輻射頻率范圍為3.2 MHz～13.5MHz，其輻射的綜合電場強度39.5 dB·V/m～52.45dB·V/m(0.000 09～0.000 42V/m)，遠小于GB 8702-2014中的公眾曝露控制限值的要求。

廣州市軌道交通四號線采用線性電機牽引，隧道內及高架地段采用第三軌下部受流方式，直流供電，電壓1 500 V。在蕉門地鐵站往南直線距離約550 m，距離地鐵列車軌道中心線30 m(1#)、60 m (2#)的位置，分別在沒有列車經過和列車經過時監測頻段為3 MHz～30 MHz的電磁輻射，可知列車經過時的電磁輻射主要集中在27.096 MHz頻率上，在30 m處列車經過時27.096 MHz頻率下的電場強度為0.009 9 V/m～0.012 5 V/m；在60 m處列車經過時27.096 MHz頻率下的電場強度為0.019 8 V/m～0.032 3 V/m。根據《電磁環境控制限值》公眾曝露控制限值，3 MHz～30 MHz頻率范圍的電場強度的控制限值為67/fl/2(V/m)．即27.096 MHz的電場強度的控制限值為12.87 V/m。監測結果表明，在30 m處和60 m處列車經過時的電場強度遠小于《電磁環境控制限值》的公眾曝露控制限值要求(f=27.096 MHz)[7]，地鐵列車經過時產生的電場輻射對環境影響不大[8]。

通過類比分析北京地鐵和廣州四號線列車經過時的電磁輻射源強，但電場強度遠小于《電磁環境控制限值》的公眾曝露控制限值，地鐵列車經過時產生的電場輻射對環境影響不大，所以該文重點分析固定源電磁干擾。

4.2 固定源分析

在軌道交通中，最主要的固定源電磁干擾就是站臺供電、變電、配電系統及相關設備，而這些系統和設備又通過線纜直接傳輸，致使其成為電磁環境惡化的罪魁禍首，因此在智慧城市的時代背景下，積極穩妥、開拓創新地推進軌道交通電磁環境在線治理、智能管理就成為當務之急。

5 解決方案

目前軌道交通站臺供電、變電、配電系統及相關設備在方案及實施階段已采取了部分措施，結合目前國內多數地鐵線路運行情況，軌道交通電磁干擾問題僅從電氣設備本身著手是不夠的，還需在現有方案基礎上進行補充，從根源改善軌道交通電磁環境。

5.1 電磁干擾解決方案現狀

地鐵牽引整流機組是地鐵產生諧波的主要來源，為減少牽引供電系統產生的諧波電流，牽引變電所采用兩套帶移相線圈的12脈波牽引整流機組并聯運行，形成24脈波，最大限度地限制諧波的產生。

車站綜合接地系統設計采用強電和弱電單獨分開設置，接地電阻≤1 Ω，最大程度減少強電對弱電系統設備的干擾。

地鐵中壓環網電纜均具有屏蔽層，且品字形敷設，減少中壓系統對其他設備的電磁干擾。

所有的控制電纜、通信電纜具有屏蔽層，長距離通信多采用光纜進行通信，提高保護裝置及控制系統的抗干擾能力。

變電所低壓開關柜每段母線設置有源濾波器，可有效濾除低壓非線性設備產生的高次諧波[9]，減少諧波流向高壓側，減少對其他弱電設備的干擾。

低壓配電雙切箱采用4極ATS，消除低壓零線電流通過不期望路徑回流，降低低壓配電系統對外部的電磁干擾。

嚴格把控地鐵供電設備施工質量，消除配電箱內零線、地線接錯等現象，導致地鐵接地系統流過大量交流雜散電流，造成對弱電設備的干擾。

5.2 新型補充解決方案

針對既有軌道交通供配電系統所采用的諸多降低電磁干擾方案的不足，設置電磁環境智能管理系統是解決上述諸多問題的理想補充方案。

5.2.1 采用軌道交通電磁環境智能管理系統后實現的功能

①確保城市軌道交通供配電系統產生的電磁干擾不超過限定標準，以防造成對電磁環境比較敏感的電器電子設備產生不良影響。

②確保城市軌道交通供配電系統和電氣設備具有一定的抗干擾能力，以保證其在電磁環境下不受干擾且正常工作。

③定義電磁兼容管理程序后，以量化和記錄軌道交通供電、變電、配電系統和設備對現有的電磁環境的影響，并在發出預警時對電磁干擾進行智能全效治理以使其達到GB17625、GB14549限定標準。

④明確采取供電、變電、配電系統和設備電磁環境智能監測、預警和治理方案，以及管理包括整流器、變頻器、開關電源、UPS、電梯、風機、空調、水泵、卷簾門、冷凝機組、PLC和LED設備等典型干擾源自身產生的電磁干擾和免受干擾。

5.2.2 軌道交通電磁環境智能管理系統處理流程

城市軌道交通電磁環境智能管理系統流程圖，如圖1所示。

圖1 電磁環境智能管理系統流程圖

5.2.3 分析及解決方法

綜上所述分析，削弱干擾源、切斷耦合途徑和隔離敏感設備是決定電磁環境智能管理系統的關鍵環節，采取電磁干擾在線監測、實時預警和抑制消除等有效措施。

從干擾源角度，對于軌道交通這些固定干擾源供電、變電和配電設備來說，由于電氣設備產品功能的需要，這些都是不能削弱的。所以必須確保電磁發射限值。

從敏感設備的角度，敏感設備可以是器件、設備和系統等，為實現功能，其都是必不可少的組成部分。所以對抗擾度限值的要求是保證系統正常工作的重要途徑。

從耦合路徑角度，切斷耦合途徑是電磁環境管理方法中成本最低，效果最好的方式。因此，如圖1所示，應在最靠近電磁干擾源處就地加裝電磁凈化儀，完全吸收、過濾、凈化和消除掉電磁干擾，從而徹底切斷耦合途經，再結合軌道交通的電氣系統特點來監測、預警和抑制最終智能消除電磁干擾。

5.2.4 實際工程中消除電磁干擾設備選擇

5.2.4.1 設備的適用范圍

能凈化100 HZ～100 MHZ帶寬內各種能量的高頻噪聲、諧波、間隙波、脈沖尖峰、雷電電涌和靜電等電磁干擾，將電磁干擾消除在發生源，從而最大程度凈化電磁環境，保護精密儀器、計算主機、PLC、傳感器和無線通訊等敏感設備，從而保障系統安全、穩定、持續、可靠和高效地運行。

根據上述工程情況和設備的參數要求，選擇了電磁凈化儀作為消除電磁干擾設備，該設備有如下特點。

(1)采用超微晶體合金材料與創新科技的特征電路；

(2)采用先進的IGBT逆變單元、驅動單元和全FPGA高速處理器；

(3)既能主動補償又能被動補償，滿足指令運算、補償電流和全模吸收三個子系統結構；

(4)瞬態響應時間﹤50μs，反應超快，精度極高；

(5)能凈化100 HZ～100 MHZ頻率各種能量的電磁干擾，消除高頻噪聲、諧波、脈沖尖峰、電涌和靜電等干擾；

(6)隨時跟蹤電磁波形，主動或被動補償干擾波，將電磁干擾消除在源頭；

(7)消除電子電氣設備的故障或誤操作，保障系統和設備的安全穩定運行；

5.2.4.2 工程實際案例，以石家莊地鐵1號線二期為例

根據研究首先要從最有效最經濟的切除耦合途體徑出發，在最靠近電磁干擾源的環控柜變頻器處就地加裝電磁凈化儀，以實現完全吸收、過濾、凈化和消除掉諧波等電磁干擾的目的，從而使電磁干擾諧波回落到規范要求范圍內，再通過每個點位諧波凈化儀在線實時數據和接口組網從而完成電磁環境智能管理系統的統一預警、治理和監測功能。

石家莊地鐵一號線二期II段400Ⅴ環控室BBG1柜變頻器采用電磁凈化儀前后電磁諧波電流值如圖2所示，通過計算比對GB17625標準，電磁干擾各項參數均已回落至標準范圍內，在線治理實時監測取得成功。

圖2 采用電磁凈化儀前后電磁諧波電流值

5.2.5 物聯網關的應用

物聯網關實際采用工業級嵌入式軟硬件平臺，集中實現區域內各個點位電磁凈化儀數據的采集、協議轉換、存儲和通過移動互聯網實現現場信息的無線上傳，具備參數的遠程配置及軟件的遠程升級能力，廣泛適用于數量及種類不多的小型項目。

5.2.6 簡便的安全認證措施

采用電子身份標簽通過與電磁凈化儀綁定，云端賦予電磁凈化儀唯一身份標識，結合電磁凈化儀地理位置信息，采用NFC技術，由云計算對運行及狀態數據進行分析處理，讓用戶通過手機即可輕松實現電磁凈化儀的智能巡檢與云端管理。電子身份證標簽可直接粘貼于電磁凈化儀表面，堅固牢靠[10]。

5.2.7 電磁環境智能管理系統采用后的應用情況

5.2.7.1 系統功能及效果

(1)在線監測

在線監測電磁干擾源的電磁參數、運行參數、安全狀態及環境數據，實時進行大數據的診斷分析及趨勢預估。

(2)實時預警

通過設置電磁預警限值進行實時越限預警、故障報警，隨時隨地掌握設備安全運行狀況,提前預知電磁干擾超限隱患。

(3)抑制消除

電磁干擾超限實時由電磁凈化儀進行主動和被動補償，實現電磁環境的全效凈化。

(4)電能管理

基于能效大數據，周期提供用電量、負荷變化和三相不平衡等相關用電信息分析報告；動態分析項目整體及重點用電回路和用能設備的能效情況，便于采取節能措施。

(5)負荷檢測

基于實時采集的供配電系統負荷數據，通過對負荷數據的云端存儲、分析與處理，提供周期性實時/歷史變化曲線和峰谷負荷參數展示，從而實現負荷數據的融合分析評估報告。

(6)智能運維

基于實時狀態監測與網絡視頻監控，實現電磁環境的無人值守；實現電磁檔案的云端化存儲及查詢管理、智能巡檢、故障檢修、隱患報修、派工，以及統計設備投運時間，提前預知設備維保計劃及使用壽命終結，實現設備全生命周期的運維管理[11]，如圖3所示。

圖3 智能運維系統數據管理界面

5.2.7.2 網絡結構

(1)每個典型電磁干擾源配置1臺電磁凈化儀，即可實現該點位電量、磁量和狀態量的綜合監測與云平臺上傳；同時配置1張電子身份標識，結合手機App，即可實現該點位智能化與管理云端化。

(2)電子身份標簽通過智能巡檢終端或手機掃碼實現與云平臺的對接。

(3)系統配置如圖4所示。

圖4 系統配置圖

6 結語

軌道交通電磁環境智能管理系統因采用物聯網、云計算和大數據分析等現代信息技術，對各個敏感點位電磁環境進行智能管理。在通過以石家莊地鐵1號線二期為例應用情況可以看出，在既全面記錄各點位電磁環境數據，同時又可實時監測預警其運行狀態、第一時間抑制消除電磁干擾，并協助各點位管理人員制定科學的管理方案，凈化電磁環境，降低運行事故，從而提高管理效率。實踐證明，軌道交通電磁環境智能管理系統在實時治理電磁干擾、預警監測和智能管理等實際應用上能夠更快更好更有效地發揮效用，為凈化軌道交通電磁環境，提高軌道交通運行安全性穩定性可靠性開創了全新模式。