（通信与信息系统专业论文）铁路机车孔缝和线缆耦合的电磁拓扑研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文中文摘要 中文摘要中又捅要 摘要：电磁拓扑学( e m t ) 在2 0 世纪7 0 年代中期由美国的c e b a u m 等人提出， 主要用来防止高功率电磁脉冲( e m p ) 对现代电子系统的干扰和破坏。经过几十 年的研究和发展，现在电磁拓扑学已经开始应用于其他领域，但是在铁路机车电 力电子系统中，电磁拓扑学的应用尚处于起步阶段。本文基于电磁拓扑学的研究 方法，对铁路机车电力电子系统的电磁兼容性进行了研究，重点是孔缝和电缆近 场耦合问题。 本文首先简要介绍了电磁拓扑学的现状，分析问题的方法及优势，然后对铁 路电力电子系统内部和外部的电磁环境进行了归纳和分析，并着重针对该系统中 广泛存在的孔缝耦合和近场耦合问题加以研究，建立了具体的电磁拓扑模型，为 以后解决此类问题带来了便利。 在铁路机车系统孔缝耦合问题上，采用电磁拓扑常用的解决电磁问题的方法， 将辐射源看作一个节点，通过金属良导体构成的屏蔽墙上的小孔，将能量耦合到 屏蔽墙另一侧的传输线上。为了分析方便，本文在传输线上增加了等效耦合节点， 用于等效辐射源在传输线上的作用。最后通过分析传输线两端受到的干扰，来定 性的判断孔缝耦合的干扰情况。基于电磁拓扑模型建立场路耦合模型，确定了各 传输节点的状态函数和各传输通道的传输函数，利用b l t 方程和扩展的b l t 方程， 推导出具有普遍意义的结论，数学建模并仿真。最后设计相应的实验，并辅以现 有的理论知识对研究结果加以验证。 对于在铁路机车系统中同样普遍存在近场耦合问题，采用与孔缝耦合相同的 分析思路，先画出由分布参数构成的电路结构图，再抽象为电磁拓扑图，确定各 节点和传输通道。在传输函数的推导上，本文从电报方程出发，辅以已有的理论 成果，利用高等数学和矩阵分析等相关知识，系统地给出了具体的推导分析过程。 首次将b l t 方程由只适用于远场的情况扩展到近场范围，得到了近场耦合的b l t 方程。以多导体传输线为例，在完成数学公式推导的前提下用m a t l a b 建立数学模 型并仿真严设计相应的实验加以验证。 本文的主要贡献在于将铁路机车系统中的孔缝耦合问题和近场耦合问题模型 化，尤其是提出了近场耦合的b l t 方程，为以后用电磁拓扑方法分析整个机车系 统提供了便利。同时对这两个问题进行了实验验证，证实了理论分析的有效性。 关键词：电磁兼容；电磁拓扑；孔缝耦合：近场耦合 分类号：u 2 8 4 7 7 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：e l e c t r o m a g n e t i ct o p o l o g y ( e m t ) w a sr a i s e db yt h eu n i t e ds t a t e s c e b a u mi nt h em i d - 1 9 7 0 s ，w h i c hw a sp r i m a r i l y u s e dt o p r e v e n th i g h - p o w e r e l e c t r o m a g n e t i cp u l s e ( e m p ) f r o md i s t u r b i n ga n dd a m a g i n gm o d e me l e c t r o n i cs y s t e m s a f t e rd e c a d e so fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，e m t b e g i n st ob ea p p l i e dt oo t h e rm a g n e t i c f i e l dt o p o l o g y h o w e v e lt h ea p p l i c a t i o no fe m ti ss t i l la ta ne a r l y s t a g ew h e nc o m i n g d o w nt op o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n ti nl o c o m o t i v e b a s e do ne m t m e t h o d ，t h i st h e s i s s t u d i e se l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ( e m c ) o fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t i n l o c o m o t i v e ，f o c u s i n go na p e r t u r ec o u p l i n ga n dn e a r - f i e l dc a b l ec o u p l i n g f i r s t l y , t h es t a t u so fe m t , a n a l y s i sm e t h o da n di t sa d v a n t a g e sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d t h e nt h ei n t e r n a la n de x t e r n a le l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n to fr a i l w a yp o w e re l e c t r o n i c s y s t e mi sa n a l y z e da sw e l l ，e s p e c i a l l yt h ew i d e s p r e a da p e r t u r ec o u p l i n ga n dn e a r - f i e l d c o u p l i n g s p e c i f i ce m t m o d e l so ft h e s et w oc o u p l i n g sa r eb u i l tt op r o v i d ec o n v e n i e n c e f o rs o l v i n gs u c hk i n d so fp r o b l e m s g e n e r a le m tm e t h o di su s e di na p e r t u r ec o u p l i n gp r o b l e mi nr a i l w a yl o c o m o t i v e s y s t e m e m tr e g a r d sr a d i a t e ds o u r c ea san o d ew h i c ht r a v e l st h r o u g ht h ea p e r t u r eo n t h es h i e l d i n gw a l la n dc o u p l e st ot h et r a n s m i s s i o nl i n eo nt h eo t h e rs i d eo ft h ew a l l f o r t h ec o n v e n i e n c eo fa n a l y s i s ，a ne x t r ae q u i v a l e n tc o u p l i n gn o d ei sa d d e dw h i c hi s e q u i v a l e n tt ot h ee f f e c to fr a d i a t e ds o u r c e o n t h et r a n s m i s s i o nl i n e a tl a s t ，t h e i n t e r f e r e n c eo nt h et w oe n d so ft r a n s m i s s i o nl i n ei sq u a l i t a t i v e l ya n a l y z e dt oj u d g e a p e r t u r ec o u p l i n gi n t e r f e r e n c e b a s e do ne m tm o d e l ，f i e l d - c i r c u i tt o p o l o g ym o d e li s e s t a b l i s h e dt od e t e r m i n es t a t ef u n c t i o n so ft h en o d e sa n d 仃a n s f e rf u n c t i o n so ft h e t r a n s m i s s i o nc h a n n e l s u n i v e r s a ls i g n i f i c a n tc o n c l u s i o ni sd e r i v e du s i n gb l te q u a t i o n a n de x t e n d e db l te q u a t i o n ，w i t hm a t h e m a t i c a lm o d e ls e tu pt of u l f i l lt h es i m u l a t i o n f i n a l l yt h er e s e a r c hr e s u l t sa r ev e r i f i e dw i t he x i s t e dp r i n c i p l e s a n dt h ed e s i g n e d c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t s f o rt h eg e n e r a le x i s t e dn e a r - f i e l dc o u p l i n gp r o b l e m si nr a i l w a yl o c o m o t i v es y s t e m ， t h es a m ea n a l y z i n gt h o u g h ta sa p e r t u r ec o u p l i n gi sa p p l i e d a tf i r s t ，c i r c u i ts t r u c t u r e g r a p hi sd r a w nw h i c hi sc o n s i s t e do fd i s t r i b u t e dp a r a m e t e r s a f t e rt h a te m tg r a p hi s a b s t r a c t e d t h e nn o d e sa n dt r a n s m i s s i o nc h a n n e l sa r ed e t e r m i n e d o nt h ed e r i v a t i o no f t r a n s m i s s i o nf u n c t i o n ，c o m b i n e dw i t he x i s t e dt h e o r e t i c a lr e s u l t s ，as p e c i f i ce q u a t i o ni s d e r i v e ds y s t e m a t i c a l l ys t a r t i n gf r o mt e l e g r a p he q u a t i o nw i t hr e l a t e dk n o w l e d g eo f v 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a d v a n c e dm a t h e m a t i c sa n dm a t r i xa n a l y s i s n e a r - f i e l db l te q u a t i o n1 s f i r s t l y f o r m u l i z e da n da p p l i e di n p r a c t i c e b a s e do n m u l t i c o n d u c t o rt r a n s m i s s i o nl i n e s ， m a t h e m a t i c a lm o d e li nm a t l a bi sb u i l ta n ds i m u l a t e da f t e rt h ed e r i v a t i o no fe q u a t i o n s a tl a s t ，t h er e s u l ti sv e r i f i e dw i t ht h ed e s i g n e dc o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t s t h em a i nc o n t r i b u t i o no ft h i st h e s i si st h em o d e l i z a t i o no fa p e r t u r ec o u p l i n ga n d n e a r - f i e l dc o u p l i n gi nr a i l w a yl o c o m o t i v es y s t e m ，w h i c hf a c i l i t a t e st h ea n a l y s i so fe n t i r e l o c o m o t i v es y s t e mi nt h eu s eo fe m ta p p r o a c h m e a n w h i l et h e s et w oi s s u e sa r e v e r i f i e de x p e r i m e n t a l l y , w h i c hc o n f i r m st h ev a l i d i t yo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i s k e y w o r d s ：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 l e c t r o m a g n e t i ct o p o l o g y ；a p e r t u r e c o u p l i n g ；n e a r f i e l dc o u p l i n g c l a s s n 0 ：u 2 8 4 7 7 v 致谢 本研究及学位论文是在我的导师王国栋副教授的亲切关怀和悉心指导下完成 的，王老师学识精深、治学严谨、为人正直，在工作和学习上都是我学习的楷模， 使我受益良多，能够让我在今后的技术生涯里做得更好，走的更远。从课题的选 择到最后的完成，王老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此真诚感谢 两年半以来王老师对我的关心和指导。 衷心感谢实验室的沙斐老师、闻映红老师、周克生老师、朱云老师、王凤兰 老师、陈嵩老师、崔勇老师和张金宝老师，他们不仅在学术上帮助我解决了许多 科研问题，在日常生活也帮助我很多。还有柳海明师兄，总是无私的给予我帮助， 和我共同探讨问题。同时，感谢实验室的张璐、陈大伟、王淞宇、李阳、张婧亮、 赵兴、杨志超、张磊、史锁兰、李新坡、王望、汪庭霁等同学给予我的帮助，和 他们一起在实验室的生活很开心，我会永远记得。 最后，要特别感谢我的家人，他们的理解和支持一直都是我的坚强后盾，也 是我完成学业的动力之一，祝愿他们永远快乐、幸福! 感谢所有关心和支持我的人! 谢谢! 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 在国际上，各国的铁路发展状况日新月异，尤其是欧洲、日本等些发达国 家。与此同时，近几年来中国铁路的发展也是有目共睹，随着电气化铁路的不断 推进，未来采用动车组和电力机车牵引的客运列车必然会成为中国客旅铁运的主 要发展趋势，且以高速、大容量、双层客运和扩编为主要特点。在这种背景下， 铁路系统的安全性必然是研究工作者考虑的首要问题，这与铁路机车的电磁兼容 性能的优劣紧密相关。 关于电磁兼容性( 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 ) 的概念早在1 9 8 5 年 1 2 月1 9 日发布的国家军用标准g j b7 2 8 5 电磁干扰和电磁兼容性名词术语中 第五条和第十条中已有明确的定义，简单说来，电磁兼容性指电气或电子设备在 共同的电磁环境中能执行各自功能的共存状态，即要求在同一电磁环境中的上述 各种设备都能正常工作又不互相干扰，达到“兼容”状态。换句话说，电磁兼容 是指电子线路、设备、系统相互不影响，从电磁角度具有相容性。相容性包括设 备内电路模块之间、设备之间和系统之间的相容性。因此，电磁兼容性包括两个 方面的要求：一方面是指设备在f 常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能 超过一定的限值；另一方面是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度 的抗扰度，即电磁敏感性。 在铁路电力电子系统中，各个子系统都是由许多电气电子元器件组成， 在系统f 常工作时，不可避免地会产生电磁能量并向外辐射，特别是强电设 备，有可能影向其周围其他系统或装置的j e 常运行，降低它们的工作性能。 所以，在铁路电力电子系统中，必须防止电气电子元器件及装置对其他元器 件和装置造成的电磁干扰。机车系统f 常工作时，各个子系统会以电能形式 相互传递信号、指令，完成运行过程中所必须的系统控制和监督等环节，与 此同时，随之产生的电磁辐射和杂波信号将成为一种电磁干扰源，影向系统 的正常工作。这种干扰主要体现在两个方面：一方面是干扰信号作用于铁路 系统内部的电气电子设备或装置，然后以辐射方式将电磁干扰发射出去，或 者以传导方式在各种信号电缆及电源线之间进行传播。另一方面，电磁干扰 信号作用于牵引供电系统，产生的谐波电流分量将造成供电装置的工作电压 产生畸变，从而影响电力机车的e 常工作。除了防止铁路系统内部的相互干 北京交通大学硕士学位论文 绪论 扰以外，也要防止铁路电子电力系统的设备或装置正常工作时干扰到其他相关的 系统或设备装置，影响其正常工作性能，保证铁路机车系统对外部产生的骚扰信 号符合相关的电磁兼容标准的相关限值要求。 电磁兼容除了包括电磁干扰以外，更重要的还包括抗电磁干扰方面。在铁路 系统中，除了各子系统中的电子电气装置具有干扰性能以外，其周围的电气装置 及设备也存在电磁干扰，防止这些干扰对铁路系统各单元工作性能造成不希望的 降级或损坏也同等重要。 随着现代信息技术的迅猛发展，铁路电力系统时时刻刻都处在复杂的电磁环 境里，所以其电磁兼容性能的优劣直接关系着列车运行的安全可靠性。通常，为 了保证铁路系统的各电力电子系统及设备装置具有良好的电磁兼容性能，在设计 流程及制造工艺上应确保铁路系统自身的可靠性和安全性不受来自周围各种装置 设备的电磁干扰的影响，必须采取相关的电磁兼容措施，如屏蔽、滤波、接地、 隔离、平衡等，特别要注意涉及安全运行的电子电力设备，要尽量消除周围的电 磁传导、辐射、感应、静电、雷击等不希望的干扰因素。 1 2铁路电磁兼容的国内外研究现状 在当今的铁路系统的建设中，电磁兼容已经列为一项非常重要的指标，是保 证铁路通信、信号系统安全可靠工作的关键环节。高速电气化铁路系统的建设在 国外，尤其是欧洲、日本，已经有了比较完善的电磁兼容标准，并且经过不断的 修订，同趋成熟。目前，国际上关于铁路电磁兼容的标准主要遵循i e c 6 2 2 3 6 1 - - 5 ， 此标准是由欧洲最主要的标准制定机构电工技术标准委员会提出并制定的 e n 5 0 1 2 1 一l 5 发展而来的。 其中每个具体的标准又有不同的侧重点，i e c 6 2 2 3 6 1 从总体上介绍了铁路系 统的电磁兼容性，并不涉及具体的测试要求和限值，必须同其他几个标准一起使 用才能确保铁路系统的电磁兼容性能。i e c 6 2 2 3 6 2 规定了整个铁路系统对外部的 发射限值。i e c 6 2 2 3 6 3 规定了全部机车车辆以及车载设备的发射限值和抗扰度要 求。i e c 6 2 2 3 6 4 规定了铁路通信信号及车载设备的发射限值和抗扰度要求。 i e c 6 2 2 3 6 5 规定了固定供电设备和装置的发射限值和抗扰度要求。除了以上标准 以外，国际上，i e c 6 2 2 7 8 ( e n 5 0 1 2 6 ) 、i e c 6 2 2 7 9 ( e n 5 0 1 2 8 ) 对铁路通信信号安全方 面的内容做出了相关的规定。日本关于机车车载设备的e m c 标准主要遵循本国制 定的j i s e 5 0 0 6 铁路车辆及车载设备性能标准。 我国也在积极推进铁路方面的电磁兼容标准的制定工作，铁路运输行业标准 t b t3 0 3 4 2 0 0 2 规定了机车车辆电气设备电磁兼容性试验及其限值旺1 ，铁路运输 北京交通人学硕士学位论文绪论 行业标准t b t3 0 7 3 2 0 0 3 规定了铁道信号电气设备电磁兼容性试验及其限值，同 时还有关于铁路工程建设的电磁兼容方面的规定，如2 0 0 6 年颁布的2 6 号文件雷 电及电磁兼容防护指导意见，同年颁布的2 2 0 号文件客运专线综合接地技术实 施办法( 暂行) ，2 0 0 7 年颁布的3 9 号文件铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂 行规定。与国外相比，我国的标准还有许多待完善的空间，成熟完整的标准规定 还需要铁路系统电磁兼容工作者继续努力。 除了对标准的制定和遵循以外，美国、英国的城郊快速铁路电气化供电网对 信号系统的干扰及防干扰研究也收获颇丰，尤其在建模、测试以及防干扰、抗干 扰措施等方面的研究，很成功，对我国铁路系统的防干扰研究有重要的参考价值。 虽然，美国、英国城郊快速铁路的牵引供电系统、信号设备与我国铁路的制式有 所不同，但是其研究方法还是很有借鉴意义的。对电气化铁路信号抗干扰的研究 分析的第一步就是应有一套完善的测试分析系统，目前，世界上一些发达国家已 有这方面的系统。如法国对b b l 5 0 0 0 晶闸管机车进行的高速铁路牵引电流对轨道 电路干扰的测试系统，德国慕尼黑实验所研制成的高速列车干扰电流源测试车系 统，美国的电磁兼容分析中心为美国联邦铁路总署所做的电力机车干扰源的综合 分析，同本的新干线电气化铁路对通信信号干扰的预测分析等。由于上述国家在 这些方面投入了较大的精力和经费，因此，这些国家的轨道电路系统具有较好的 电磁兼容性。 在结合了实时性、准确性、实用性和经济性原则的基础上，参考法国、德国、 美国的已有测试系统，我国建成了b j d l 型电流动态测试和分析系统和b j d 2 型 数据处理系统。我国以往没有进行电气化铁路对信号轨道电路干扰的综合全面的 理论分析，又由于前述一些国家的运营体系、电力牵引系统和信号控制系统及经 济状况都与我国有很大区别，因此，它们的研究成果仅能参考，无法搬用。可见， 我们必须在国外工作的基础上研制出适合我国国情的“电气化铁路牵引电流回流对 轨道电路和机车信号的干扰的测试系统”，进而摸清我国的具体情况，进行抗干扰 的对策分析。 近几年来，随着电子产品更新换代的速度不断加快，且电子产品进出口需求 日益增大，电磁兼容技术迅速发展，这样的状况极大地刺激了电磁兼容标准化工 作的进步。西方一些发达国家在这方面更是丝毫不显弱势，在电磁兼容性的技术 研究及应用，标准制定及修订，测试及认证等方面均走在前列。 1 3本文工作以及研究意义 在科学技术迅猛发展的今天，电气化铁路系统也取得了举世瞩目的成就，尤 北京交通大学硕士学位论文绪论 其是在2 0 1 1 年，京沪高铁的成功开通和省际直达列车的运行，在充分考虑本国国 情的前提下，中国在电气化铁路系统发展的道路上，走出了一条引进、消化、吸 收、再创新的创新之路。为了保证机车系统正常、安全运行，铁路电磁兼容 方面的研究显得尤为重要，不容丝毫懈怠。但是，针对铁路机车这种庞大、 复杂、精密的电气化系统，其电磁兼容性能的研究是一个不容小觑的挑战。 在这种背景下，创造或引进新的研究方法迫在眉睫。本文正是秉承这一思想， 将电磁拓扑的方法引入到铁路机车系统来分析解决电磁兼容问题。用电磁拓 扑方法分析复杂的电气化系统早在二十世纪七八十年代就已经开始，并在国 外成功地将其运用在飞机、导弹等军工系统中，但是，将其运用到电气化铁 路机车系统中却鲜有耳闻。为了弥补这方面的不足，本文对铁路机车电力电 子系统从电磁拓扑的角度进行了研究，具有重要的探索意义和参考价值。 本文的主要内容包括五部分，具体的结构安排如下： 第一章为绪论部分，主要介绍了课题的研究背景以及课题涉及的主要研 究内容在国内外的发展现状，并对论文的研究意义和内容安排做了说明。 第二章主要对铁路机车系统中的电磁干扰来源、作用机理做了分析和介 绍，并介绍了电磁拓扑研究方法。 第三章研究了铁路机车系统中不可避免的孔缝耦合问题，采用电磁拓扑 的方法予以分析。首先建立相应的电磁拓扑模型，进行理论推导，得出相应 的数学模型，再运用m a t l a b 仿真，在已有的经典理论的基础上，对仿真结果 加以分析验证。 笫四章研究了铁路机车系统中信号线缆之间的近场耦合问题，主要完成 了适用于近场的b l t 方程的推导，弥补了之前b l t 方程只适用于远场的不足。 本章建立了电磁拓扑信号流图，将此类问题模型化，为以后相同问题的研究 提供了可供参考和借鉴的理论模型。完成了对该模型内传输函数的求解过程， 分析并比较不同接地情形下的线缆问串扰情况，完成相应的数学模型及给出 m a t l a b 仿真结果，并从实验的角度给予验证。 第五章为论文的结论部分，对本次课题的研究情况做了总结，并对未来 做了展望。 4 北京交通大学硕士学位论文电磁拓扑学及铁路电磁兼容概述 2 电磁拓扑学及铁路电磁兼容概述 2 1 引言 电磁拓扑的概念最早由美国著名学者c a r l e b a u m 针对高功率微波脉冲对现 代电力电子系统的干扰问题提出1 3 1 , 由于之前电磁拓扑学仍属于军事机密，其理 论部分鲜为人知。尤其是在国内，电磁拓扑学的发展起步较晚，但在解决复杂电 力系统的电磁干扰问题方面，其优越性是不可否认的。 电磁拓扑学广义上而言属于一门交叉学科，既包含电磁学的主要内容，又兼 有拓扑学的思想。复杂、庞大、精密的电子系统是现在社会科学技术突飞猛进的 必然产物，如雷达系统、飞行器系统、变电站系统等等。要预测这类系统的电磁 兼容性能将是一项工程量巨大且对精度要求很高的技术，即使这样，最终得到的 准确度也不甚理想，整个系统模型的准确度甚至达到3 0 d b 以上的误差。为此，用 电磁拓扑的方法研究系统电磁兼容问题还是很有必要的。 2 2 铁路电磁兼容 电磁兼容问题具体到电气化铁路主要涉及到三大方面：首先，电气化铁路都 是由许多电力电子设备或装置组成的，强电系统会对弱电系统产生电磁方面的干 扰，影响其正常工作性能。其次，电气化铁路会对周围的数字系统或敏感度较高 的移动通信设备产生影响，严重的甚至造成其他系统的通信故障。再次，电气化 铁路系统周围的高功率电气电子装置会对机车的运行产生电磁干扰。 除此之外，铁路信号与铁路的安全有效运行息息相关，不容小觑。因此，在 电气化铁路迅速发展的今天，如何有效地防止电气化铁路的干扰，从而避免行车 事故，提高效率，是摆在信号与安全工作者面前的一个大的任务和挑战。 按干扰的产生来源分类，电力电子机车系统对信号设备的干扰大致可划分为 五类川： 1 铁路轨道中的不平衡牵引电流回流对轨道电路和机车信号的传导性耦合 干扰； 2 工作状态下电气化铁路机车下面的轨道电路受电动力系统的感应性干扰： 3 铁路机车的牵引网系统在传输信号的电缆上引起的感性和容性耦合干扰； 4 电力牵引系统对铁路系统沿线及站场周围的固定电气化设备装置产生的 北京交通大学硕士学位论文电磁拓扑学及铁路电磁兼容概述 发射和耦合等的影响； 5 铁路机车上的电磁辐射源对机车上的信号传输系统产生的影响。 2 2 1电气化铁路系统的电磁干扰源 伴随着信息化社会的到来，我们周围的电磁环境也日趋复杂，要解决并排除 负面的电磁干扰源，首先需要了解这些干扰源。电气化铁路系统的电磁干扰源总 体来讲可以分为两大类：一类是来自外界的干扰源，一类是自身产生的干扰源。 外界的干扰源包括： 1 自然干扰，包括大气噪声，太阳噪声，宇宙噪声，静电放电等。比如雷电产 生的火花放电现象，频率范围可以从几赫兹到几百兆赫兹；在太阳黑子爆发的时 候产生的极其强烈的辐射噪声，甚至可以中断通信；人体或设备上积累的高达几 万伏以上的静电电压，会以电晕或火花放电的形式干扰敏感设备。 2 人为干扰，指电子电气设备和其他人工装置产生的电磁干扰，包括无线电发 射设备，工业、科学、医疗设备，电力设备，汽车的点火系统等。如移动通信系 统、雷达、导航等设备的发射功率很大，基波信号会产生功能性干扰，谐波噪声 会产生非功能性干扰；高频电子医疗设备不仅由于强大的输出功率会向空间辐射 干扰，还会通过工频电力网干扰其他的电子设备；伺服电机、继电器等通断电使 电流产生巨大的变化，会转换成大量的谐波涌入电网成为干扰源：汽车的点火系 统会产生宽带干扰；高压输电线的电晕和接触不良会产生电弧和电火花等等。 自身产生的干扰源包括固定干扰源和流动干扰源，固定干扰源主要是指牵引 变电所和电力机车系统中固定的电力设施，产生的干扰较易处理，通常情况下可 以通过改变设施布局、设计或屏蔽接地等方法来解决。流动干扰源主要是指电力 机车的受电弓与接触网之间滑动离线时的相对运动产生的无线电噪声干扰，这部 分干扰一直是电气化铁路电磁兼容工作者的大敌，是需要着重考虑并解决的电磁 干扰源。 2 2 2电气化铁路的干扰形成机理和耦合途径 电气化铁路由于自身不带供电系统，所以主要包括两大部分：牵引供电系统 和电力机车系统。牵引供电系统在给电力机车供电的过程中，首先由牵引变电所 出发，通过受电弓与接触网的接触将牵引电流供给到机车系统，牵引电流经过机 车车辆或者短路线路回到牵引变电所，完成对机车系统的供电。在牵引电流从机 车回到牵引变电所期问，可能的路径有两条：一条流经铁路钢轨，一条进入大地。 北京交通大学硕+ 学位论文电磁拓扑学及铁路电磁兼容概述 在这段轨道电路里，牵引电流自身在轨道上的流动会使轨道与地面之间产生压降， 形成轨道电位，当在一定的轨道电流下，轨道电位超过一定的限值时，就会在牵 引回路里产生不希望的干扰。 电气化铁路的主要干扰耦合是强电设备对弱电设备的干扰，即牵引变电所、 接触网、电力机车、回流线路对信号系统的干扰耦合。强电系统给和弱电系统共 同处在同一个电磁环境里，防止这两个系统之间产生干扰是解决电气化铁路非常 重要的环节。牵引电流回流和铁路信号共用钢轨作为传输通道，众所周知，铁路 信号涉及列车运行的安全，而牵引电流回路属于强电系统，防止牵引电流回路干 扰轨道信号在钢轨线路上的传输，做好两者的电磁兼容工作至关重要。 电气化牵引回流电路和铁路信号系统可能存在两种干扰耦合途径。既然这两 条回路共用铁路钢轨作为传输导体，就会存在电导性耦合现象。防止这一现象的 根本解决办法就是保证轨道的两条钢轨之间的电气绝缘性，为此，在接触网所在 的范围内，要求所有不带电的物体都必须和钢轨一起接地，保持与大地的良好接 触。一旦这些物体有了接地传送阻抗，就会导致两条钢轨之问的回路负载不均匀， 从而使信号系统获取错误的轨道占用信息，影响列车的正常工作。除此以外，还 有一种可能性的干扰，现代的电力机车传动控制装置多采用大功率的功能部件， 产生的高达几千赫兹的谐波分量在一定情况下会导致信号系统传输错误，比如谐 波分量恰好与轨道电路的工作频率相同，且谐波的幅度较高，对轨道电路的干扰 就会很大。 第二种可能存在的干扰耦合方式是电抗性耦合。对于交流的电气化铁路系统 而言，由于牵引供电系统的结构对地不对称，且信号线缆的传输与铁路钢轨平行， 所以电抗性干扰会影响信号的传输，进而导致列车运行的安全。在机车正常运行 时，接触网中的电流引起的电抗性耦合除了会干扰通信线缆中的信号，影响机车 的功能，机车的工作电流产生的高次谐波分量也是很大的干扰源，会将干扰噪声 引入到通信设备和线路中。电气化铁路系统相互具有电抗性耦合的回路主要有两 条：一条有牵引变电所、接触网、机车车体和公共地组成，一条由通信电缆和公 共地组成。且钢轨自身也能构成一条回路，与其他的回路产生电抗性耦合。具体 说来，牵引电流经过接触网和公共地构成的回路，在信号线缆和钢轨中感应出纵 向的电压，这个电压的大小与接触网电流的幅值、相位，还有耦合路径的阻抗相 关联。同时，电流在钢轨和管道组成的闭合回路中流动时，也会使通信线缆感应 出纵向电压。 为了更清楚说明上述回路之间的干扰原理，画等效电路图如下： 北京交通大学硕士学位论文 电磁拓扑学及铁路电磁兼容概述 z o oi o 图2 2 - 1 通信线路干扰原理及其等效电路 f i g 2 2 1i n t e r f e r e n c ep r i n c i p l ea n dt h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f t e l e c o m m u n i c a t i o nl i n e z o o 接触网阻抗；z 。通信线路阻抗；z ：钢轨阻抗； z 。、z 。：、z 。：耦合阻抗；u 。，供电电压：l i t 感应的纵向电压 2 2 3改善电气化铁路电磁兼容的措施 电磁兼容的三要素包括：干扰源、传播途径和敏感设备。要改善电气化铁路 路的电磁兼容性能，必须同时对这三个方面采取措施。干扰源产生干扰信号，通 过耦合途径传输到敏感设备，首先要抑制干扰源处干扰信号的产生和发射，这是 防止干扰的最积极的办法。若无法避免干扰的产生和发射，削弱其在传播途径上 的耦合，以及加强敏感设备的抗干扰能力就成了非常重要的手段。 电气化铁路系统的干扰源在2 2 1 已经做了详细的阐述，对于外部的电磁干扰 源，诸如大功率的电气装置或通信广播电台等，要防止其对铁路信号系统的干扰， 尽量将这些外部的干扰源建在距离铁路沿线较远的位置。铁路系统自身产生的干 扰源，诸如由于高压线上的电晕放电，电力线与受电弓之问的滑动接触而产生的 高频噪声等等，都会对外界的通信系统或设备产生影响。对此，可以通过增加牵 引变电所的数量，并减短开断时间来减小接触网中短路电流的幅值和持续时间的 办法予以改善。 干扰的传播途径主要可以分为两种：传导干扰耦合和辐射干扰耦合。传导干 扰是通过导体传播的耦合方式，把干扰源的干扰信号传送到敏感设备端，造成一 定程度的性能降级甚至损坏。电气化牵引系统中上千安培的牵引电流通过钢轨回 到变电所，期问与通信信号系统有一段公共阻抗，强电流将会影响信号相对较弱 的通信信号的传输，甚至造成安全事故。在工程应用实践中，电源回路沿四流线、 钢轨或公共地传导时，一条回路的电流增大，会导致其他电路的电流幅值减小， 北京交通人学硕+ 学位论文 电磁拓扑学及铁路电磁兼容概述 电流的增大和减小，会产生不断变化的电场和磁场，引起的电磁噪声在回流线、 钢轨和公共地之间交叉干扰。辐射干扰是干扰电磁波通过空间传输到敏感设备的 干扰方式。接触网在有铁路机车通过时，会有电流流过，此时接触网周围产生感 应的电磁场，高压线上的电晕放电就属于辐射耦合方式。当一段导体上流过电流 时，它的周围感应出的电磁场会向外辐射电磁波，此时这段导体可以看作发射天 线。处在感应电磁场中的所有导体都可看作接收天线，并产生一个感应电动势。 在铁路研究当中，与轨道垂直的方向的电磁波干扰传播特性是衡量其对通信 信号系统干扰程度的重要指标。电气化铁路系统对邻近区域通信设备及线路的干 扰主要考虑近场的情况，包括电场的电容感应耦合场和磁场电感感应耦合场，对 此可以采用屏蔽的办法。但是随着g s m r 无线通信技术在高速铁路中的普遍采用， 铁路系统周围的辐射干扰对无线通信的影响也越来越受到电磁兼容工作者的重视 【5 l o 对于敏感设备，为了提高其抗干扰能力，应做好屏蔽、滤波、接地、平衡、 隔离的相关措施，具体问题，具体分析。 2 3电磁拓扑法分析铁路机车电力电子系统 e m c 设计的总体思想可以理解为将需要防护的地方用封闭的金属体屏蔽起 来，在电磁穿透点加装适当的防护电子元器件。电气化铁路中实现e m c 目标的主 要方法是在干扰源和敏感设备之间添加屏障，这些屏障可以是电磁屏蔽、滤波器、 冲击防护器等1 6 10 它们的作用一方而是将外界的电磁干扰阻挡在敏感系统之外， 另一方面是将强电磁环境封闭起来，防止产生的辐射危害外界的电子设备或系统。 系统的电磁拓扑图就是只考虑电磁屏蔽表面和相关电磁渗透点的几何关系图。 电磁拓扑学除了在研究系统整体的电磁屏蔽特性方面具有显著的优势以外， 在系统内部各个单元的研究上也有广阔的发展前景1 7 1 。电磁拓扑学利用拓扑的理 论将一个复杂的电力电子系统从空间上分成若干个大小不同的子系统，各个不同 的子系统之问通过拓扑图相连，在此基础上，整个庞大的电力电子系统电磁兼容 性的分析将被简化为对一个个不同的子系统电磁兼容性的分别分析，成功地降低 了对整个系统研究的复杂性，并提高了准确度1 8 1 0 运用电磁拓扑学的方法解决问 题另一个显著优点是可以建立不同的子模型，将模型规范化、公式化，这样再处 理相同或类似的问题时，可以直接运用已有的模型求解，无需再进行复杂的理论 分析和公式推导，大大简化了研究程序，提高了计算效率。 铁路机车电力电子系统电磁兼容分析的复杂性主要由电磁干扰途径的多样性 引起吟1 。根据电磁拓扑的思想，：悔一个系统整体分解为若干个相对独立的子系统， 北京交通火学硕士学位论文 电磁拓扑学及铁路电磁兼容概述 各个子系统之间通过开口、孔缝或线缆相互建立连接，从而把复杂的电气系统变 得简单，由对整体的分析分解为对局部的分析。对于每一个子系统，根据电磁干 扰的耦合方式，建立更为细致的模型，将宏观的问题具体化，细致化。图2 3 1 为 铁路机车电力电子系统的电磁拓扑结构图1 1 0 。 路 厶 口 图2 3 1 铁路机车电力电子系统的电磁拓扑结构图 f i g 2 3 1e l e c t r o m a g n e t i ct o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo f r a i l w a yl o c o m o t i v ep o w e re l e c t r o n i c ss y s t e m 在上图中，环为机车系统外部的电磁环境，机车系统的内部体积分别为k 、圪 和k ，包围这些体积的屏蔽体分别为s 、& 和& 。当外部的电磁干扰源作用于机 车车体，即k 上，通过场线耦合、天线系统耦合、线缆耦合、公共回路耦合等方 式穿过屏蔽体s l ，进入k 空问，当外部的干扰对s 的作用结果通过数学计算求解 出来之后，就确定了屏蔽面s 上的等效干扰源，该干扰源通过空间k ，以电路耦 合或其他耦合方式进入空问k ，以此类推，用拓扑的方法就可以得到外部的干扰 源对机车的重要电气单元产生的影响川1 。图2 3 1 只是基本的耦合拓扑图，除此 之外，还包括一个屏蔽体内存在多个并行子系统的情况，不仅有屏蔽体外对子系 统的干扰，还有子系统之间的相互干扰。 2 4本章总结 本章主要介绍了电气化铁路系统的电磁环境，从电磁干扰源、干扰耦合传输 途径及干扰机理、对敏感设备及装置的抗扰性的改善方法三个角度具体分析了电 气化铁路的电磁兼容性能。同时介绍了电磁拓扑学的基本原理，指出该方法在分 北京交通火! 学硕十学位论文电磁拓扑学及铁路电磁兼容概述 析复杂电气化系统时的优势所在，并将电磁拓扑学与铁路机车电力电子系统相结 合，用拓扑图表示了机车的内外电磁环境和耦合路径。 北京交通人学硕士学位论文孔缝耦合电磁拓扑模型研究 3 子l 缝耦合电磁拓扑模型研究 采用电磁拓扑方法分析一个复杂庞大的电力系统，主要思想就是将其分割为 若干个相对独立的子系统，而每个子系统采用理论模型单独分析，进行数值分析 时通常可以直接引用理论结果，这对解决电磁兼容问题的理论分析来说具有重大 的意义。 电磁拓扑的核心理论在于把复杂的电磁辐射和传导问题用节点和通道的观点 来考虑。传导的问题用b l t 方程处理，辐射问题用扩展的b l t 方程解决1 3 1 0 而 b l t 方程早在二十世纪七十年代就已经推导得到，对于现在的电磁拓扑工作者来 说，只要将具有代表性的电磁耦合模型建立并完成理论推导，就可以利用这些已 有的模型，来组合分析复杂的电力系统。 孔缝耦合主要是由于屏蔽不完全引起的，在铁路电力电子机车系统中这种现 象是不可避免的，比如机车的金属壳体屏蔽结构不完整，机车内部电气设备装置 会与外界的电磁环境以孔缝耦合的形式相互干扰。本章主要分析并推导了孔缝耦 合的电磁拓扑模型。 3 1子l 缝耦合的简化模型 孔缝耦合一般用来描述骚扰电磁场通过金属屏蔽体的孔、缝，以电磁辐射的 方式进入屏蔽体之外的另一个子空间，并对其中的敏感设备产生干扰的现象1 1 4 1 。 本文主要研究外界的干扰源经过机车屏蔽体的孑l 缝耦合到机车内部，对其中的信 号线缆的干扰程度。将机车的屏蔽体简化为一面足够大的金属屏蔽墙，墙上开一 个圆形的小孔，屏蔽墙一侧为高斯脉冲的辐射干扰源，以一定的角度照射屏蔽墙 上的小孔，另一侧水平放置一敏感线缆，分别计算线缆两端引起的不希望的响应。 示意图如图3 1 1 所示。 北京交通人学硕十学位论文孔缝耦合电磁拓扑模型研究 辐射源 八一 图3 1 - l 孔缝耦合的不恿图 f i g 3 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fa p e r t u r ec o u p l i n g 将图3 1 1 的示意图转化成电磁拓扑图，辐射源和敏感线缆的两端等效为节点， 能量的传输途径等效为管道。图3