Tiêu chuẩn TCVN 12090-1:2017 Tương thức điện từ trong hệ thống đường sắt

TIÊU CHUẨN QUỐC GIA

TCVN 12090-1:2017

EN 50121-1:2015

ỨNG DỤNG ĐƯỜNG SẮT - TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ - PHẦN 1: TỔNG QUAN

Railway applications - Electromagnetic compatibility - General

Lời nói đầu

TCVN 12090-1: 2017 hoàn toàn tương đương với EN 50121-1:2015.

TCVN 12090-1: 2017 do Cục Đăng kiểm Việt Nam biên soạn, Bộ Giao thông vận tải đề nghị, Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng thẩm định, Bộ Khoa học và Công nghệ công bố.

ỨNG DỤNG ĐƯỜNG SẮT - TƯƠNG THÍCH ĐIỆN TỪ - PHẦN 1: TỔNG QUAN

Railway applications - Electromagnetic compatibility - General

1  Phạm vi áp dụng

Phần 1 trong bộ tiêu chuẩn này đưa ra cấu trúc và nội dung của toàn bộ bộ tiêu chuẩn.

Phần này quy định tiêu chí tính năng có thể áp dụng cho toàn bộ bộ tiêu chuẩn.

Điều 4 đưa ra thông tin về quản lý EMC.

Chỉ riêng phần này không đủ để đảm bảo sự phù hợp với các yêu cầu về EMC và phải sử dụng phần này cùng với các phần khác trong bộ tiêu chuẩn này

Phụ lục A mô tả các đặc tính kỹ thuật của hệ thống đường sắt ảnh hưởng tới khả năng hoạt động tương thích điện từ (EMC).

Bộ tiêu chuẩn này không đề cập đến các hiện tượng như các xung điện từ hạt nhân, các trạng thái vận hành bất thường (trạng thái lỗi) và các tác động cảm ứng do sét đánh trực tiếp.

Các giới hạn phát xạ điện từ trong phạm vi hệ thống đường sắt không áp dụng cho các bộ thu phát theo thiết kế.

Tiêu chuẩn này không đề cập đến vấn đề an toàn.

Tiêu chuẩn này không xem xét đến các ảnh hưởng sinh học của bức xạ phi ion hóa và các thiết bị hỗ trợ y tế, ví dụ như: máy trợ tim.

2  Từ viết tắt

Các định nghĩa và các hiện tượng liên quan tới khả năng tương thích điện từ có thể xem thêm trong IEC 60050-161.

Các phần khác của bộ tiêu chuẩn này cũng có các định nghĩa cụ thể.

3  Tiêu chí tính năng

Do sự đa dạng của thiết bị trong phạm vi tiêu chuẩn này nên sẽ khó xác định chính xác tiêu chí để đánh giá các kết quả thử nghiệm miễn nhiễm điện từ.

Nhà sản xuất phải đưa ra thuyết minh mô tả về chức năng và xác định tiêu chí tính năng, trong hoặc sau khi thử nghiệm EMC và phải ghi lại trong báo cáo thử nghiệm, dựa trên các tiêu chí sau:

Tiêu chí tính năng A: Thiết bị phải tiếp tục vận hành như mong muốn trong và sau quá trình thử nghiệm, không cho phép xuất hiện các hiện tượng mất chức năng hoạt động hoặc suy giảm hiệu suất xuống thấp hơn mức nhà sản xuất quy định khi sử dụng thiết bị. Khái niệm mức hiệu suất hoạt động có thể được thay thế bởi sự suy giảm hoạt động cho phép. Trong trường hợp không được nhà sản xuất quy định cụ thể, hiệu suất hoạt động tối thiểu hoặc sự suy giảm hoạt động cho phép có thể được lấy từ thuyết minh mô tả sản phẩm và từ mong muốn hợp lý của người dùng đối với việc sử dụng thiết bị như dự định.

Tiêu chí tính năng B: Thiết bị phải tiếp tục vận hành như mong muốn trong và sau quá trình thử nghiệm, không cho phép xuất hiện các hiện tượng mất chức năng hoạt động hoặc suy giảm hiệu suất xuống thấp hơn mức nhà sản xuất quy định khi sử dụng thiết bị. Khái niệm mức hiệu suất hoạt động có thể được thay thế bởi sự suy giảm hoạt động cho phép. Cho phép xuất hiện sự suy giảm hiệu suất hoạt động trong quá trình thử nghiệm nhưng không cho phép thay đổi trạng thái vận hành thực tế hoặc dữ liệu được lưu trữ. Trong trường hợp không được nhà sản xuất quy định cụ thể, hiệu suất hoạt động tối thiểu hoặc sự suy giảm hoạt động cho phép có thể được lấy từ thuyết minh mô tả sản phẩm và từ mong muốn hợp lý của người dùng đối với việc sử dụng thiết bị như dự định.

Tiêu chí tính năng C: Cho phép mất chức năng tạm thời nếu chức năng đó có thể tự khôi phục lại hoặc có thể khôi phục được bằng các thao tác điều khiển.

4  Quản lý EMC

Hệ thống đường sắt là một hệ thống phức tạp với các nguồn năng lượng điện từ di động và việc áp dụng các tiêu chuẩn trong bộ tiêu chuẩn này không đủ để đảm bảo sự hoạt động phù hợp của hệ thống. Đối với các tình huống thiết bị được đặt trong các không gian giới hạn hoặc được lắp đặt thêm vào các bộ phận hiện có mà tạo ra sự bất thường về môi trường thì phải xem xét tất cả các trường hợp tương ứng theo kế hoạch quản lý EMC chính thức. Kế hoạch này nên được thiết lập ngay ở giai đoạn đầu của dự án nếu có thể.

Đối với mọi hệ thống con mới được đưa vào trong phạm vi các hệ thống đường sắt, các nguồn gây nhiễu tiềm ẩn và các đối tượng ảnh hưởng cũng như cách thức ảnh hưởng giữa các nguồn này và các đối tượng phải được xem xét.

Kế hoạch quản lý EMC phải tham khảo các hiện tượng EMC cơ bản được mô tả trong bộ tiêu chuẩn EN 61000 nếu có thể áp dụng.

Phụ lục A

(Tham khảo)

Hệ thống đường sắt

A.1  Giới thiệu

Để phục vụ cho mục đích vận hành, các hệ thống đường sắt sử dụng hệ thống điện có công suất đầu ra rất lớn (lên tới vài MVA) và các hệ thống điện tử công suất với các đặc trưng phi tuyến (tạo ra các sóng hài).

Trong hệ thống đường sắt điện, các tàu được cấp điện thông qua bàn trượt tiếp xúc từ đường dây cấp, được gọi là cần tiếp điện hay bộ lấy điện trên cao, hoặc ray tiếp điện được lắp dọc theo đường ray. Dòng điện quay về các trạm biến áp qua các ray, qua bộ tiếp điện hồi lưu riêng hoặc thông qua nối đất. Hệ thống đường sắt là một hệ thống tích hợp, trong đó năng lượng điện có nhiều tác dụng ngoài việc tạo sức kéo cho tàu, bao gồm:

- Sưởi ấm, điều hòa không khí, nấu ăn, chiếu sáng các toa xe hành khách bằng các bộ biến đổi điện trong phương tiện. Nguồn điện này được cấp dọc theo tàu thông qua bộ biến đổi điện riêng;

- Vận hành các hệ thống thông tin tín hiệu liên quan tới sự di chuyển của tàu được bố trí dọc theo đường ray và giữa các trung tâm điều khiển;

- Vận hành các trạm máy tính kết nối với các mạng bên đường và được bố trí trong trung tâm điều khiển;

- Vận hành hệ thống thông tin hành khách trên phương tiện, nhà ga và depo;

- Tạo sức kéo trong các đầu máy diesel truyền động điện và các phương tiện chung giá chuyển khác;

- Vận hành các phương tiện kéo bằng ắc quy.

Do đó, các vấn đề về EMC không chỉ phát sinh trong đầu máy và nguồn cấp điện mà còn trong cả các hệ thống liên quan và các hệ thống con của chúng. Tàu không chạy bằng điện (như các tàu diesel truyền động điện) cũng có thể là nguồn gây nhiễu EM.

Chế độ làm việc bình thường hoặc sự cố của những hệ thống này có thể là nguồn gây nhiễu điện từ có thể ảnh hưởng tới tất cả các hệ thống khác.

A.2  Cơ chế kết nối chung

Các hệ thống được kết nối trên cơ sở các hiện tượng vật lý cơ bản và các giới hạn được đưa ra từ các hiện tượng đó.

Có 5 cơ chế kết nối như sau:

- Cơ chế đấu nối tĩnh điện, trong đó một đối tượng được nạp điện và cấp cho mạch điện đối tượng khác;

- Cơ chế đấu nối kiểu điện dung, trong đó biến thiên điện áp trong một mạch điện sẽ tạo ra sự thay đổi điện áp trong mạch điện của đối tượng khác thông qua điện dung tương h;

- Cơ chế đấu nối cảm ứng, trong đó sự biến thiên từ trường tạo ra do một dòng điện trong một mạch điện khi kết nối với mạch điện khác, sẽ cảm ứng ra một điện thế thông qua hiện tượng hỗ cảm;

- Cơ chế đấu nối dẫn điện, trong đó các mạch điện nguồn và đối tượng cùng chung một đường dẫn điện;

- Cơ chế bức xạ điện trường (E) và bức xạ từ trường (H), trong đó các cấu trúc mạch điện sẽ hoạt động như các ăng ten truyền và nhận năng lượng.

A.3  Hiện tượng miễn nhiễm điện từ cơ bản

A.3.1  Hiện tượng dẫn điện tần số thấp

Là sự biến thiên chậm của điện áp cấp bao gồm các hiện tượng như sụt áp, tăng áp, dao động, không ổn định, sóng hài, các sản phẩm điều biến tương hỗ, truyền dữ liệu cùng trên mạch cấp nguồn, các thay đổi tần số nguồn điện, cảm ứng các điện áp thấp tần và mạch điện một chiều trong các mạng điện xoay chiều.

A.3.2  Hiện tượng trường điện từ tần số thấp

Từ trường ổn định và từ trường quá độ. Điện trường.

A.3.3  Hiện tượng dẫn điện tần số cao

Hiện tượng quá độ đồng hướng và dao động, như các tình huống đơn lẻ hoặc các xung điện lặp lại. Các dòng điện cảm ứng. Xả tĩnh điện.

A.3.4  Hiện tượng bức xạ tần số cao

Từ trường. Điện trường. Các sóng bức xạ tần số vô tuyến.

A.4  Hiện tượng phát xạ điện từ cơ bản

Về mặt nguyên lý, có thể tồn tại những hiện tượng tương tự như đã liệt kê ở trên, nhưng ở đây chỉ áp dụng các giới hạn cho những hiện tượng sau:

- Từ trường tạo ra do các dòng điện có tần số nguồn và tần số sóng hài lên tới 9 kHz;

- Các dao động điện áp tạo ra từ các dòng điện tần số nguồn và sóng hài;

- Các trường điện từ tần số vô tuyến tạo ra từ tàu.

A.5  Mô tả về các hệ thống điện kéo khác nhau

Các hệ thống điện kéo sử dụng các nguồn điện một chiều và điện xoay chiều Hệ thống sử dụng nguồn điện một chiều (DC) bao gồm:

Điện áp cao: 3000 V

Điện áp trung bình: 1500V

Điện áp thấp: Từ 600 V đến 1400 V, bao gồm thêm các hệ thống vận tải đô thị cụ thể

Hệ thống sử dụng nguồn điện xoay chiều (AC) bao gồm:

Tần số công nghiệp: 50 Hz ở 25 kV hoặc tự động biến đổi 50/25 kV hoặc bộ tăng áp

Hệ thống biến áp 25 kV hoặc hệ thống biến áp tự động 30/15 kV

Tần số thấp: 16,7 Hz ở 15 kV.

Có cả các đường dây 3 pha tách biệt với 2 bộ lấy điện trên cao.

A.6  Các tổng thành của hệ thống điện kéo

Nguồn điện động lực kéo thường được cấp từ các hệ thống điện áp cao quốc gia hoặc mạng điện đường sắt ở các điện áp lên tới 400 kV. Các điểm đấu nối (như các trạm biến áp) thực hiện các chức năng sau:

- Bảo vệ an toàn cộng đồng và các đối tượng liên quan đến hệ thống đường sắt (thông qua các cầu dao điện);

- Điều chỉnh mức độ điện áp bằng biến áp;

- Chỉnh lưu để cấp điện DC hoặc chuyển đổi tần số để cấp điện tần số thấp.

Nguồn điện cấp cho phương tiện kéo thông qua một hệ thống đường dây (hệ thống lấy điện trên cao) tiếp xúc với thiết bị được lắp ráp trên đầu máy (cần lấy điện), ở các đường dây điện áp thấp, có thể trang bị ray tiếp điện bên đường, khi đó nguồn động lực được lấy từ bàn trượt (guốc lấy điện).

Ở trên phương tiện kéo, nguồn điện được điều chỉnh và cung cấp cho các động cơ điện kéo để điều khiển di chuyển của tàu. Nguồn điện phụ cũng được điều chỉnh và mặc dù công suất thấp hơn so với công suất của các động cơ điện kéo, nhưng vẫn có thể là nguồn gây nhiễu điện từ đáng kể.

Trên các đường dây AC, có thể bổ sung các thành phần mạch điện vào đường dây cấp điện kéo (các bộ biến áp tự động hoặc bộ tăng áp) để giảm từ trường và từ đó là giảm điện áp cảm ứng trong các mạch thông tin liên lạc.

A.7  Các nguồn nội bộ gây nhiễu điện từ

Có một số tổng thành riêng của hệ thống ray tạo ra nhiễu từ trường, bao gồm:

A.7.1  Các thiết bị tĩnh

Đường dây trên cao của hệ thống đường sắt và đường dây điện áp cao cấp cho trạm biến áp có thể là nguồn nhiễu tần số cao hoặc tần số thấp.

Các hiện tượng liên quan đến phát xạ sóng vô tuyến là:

- Hiệu ứng điện hoa xuất hiện khi có hiện tượng ion hóa các phần tử trung tính trong điện trường gần với bộ lấy điện sẽ tạo ra nhiễu tần số sóng vô tuyến. Hiện tượng này có thể tồn tại dọc theo toàn bộ tuyến;

- Phóng điện dạng chổi trong các khu vực có điện áp cao truyền vào các bề mặt cách điện;

- Phóng điện dạng cung hồ quang ở các điểm tiếp xúc kém giữa các bộ phận kim loại có điện. Các hiện tượng này là cục bộ và giảm đi nhanh chóng theo khoảng cách;

- Sự bắn các tia lửa qua các hạt bụi khô trên các bề mặt cách điện bị bẩn.

Các hệ thống dây điện trên cao sử dụng cho hệ thống đường sắt khác với các đường dây cao áp trên cao ở chỗ nó được đặt gần với mặt đất hơn, có nhiều bộ phận cách điện hơn. Những bộ phận cách điện này cũng ít có khả năng làm sạch tự nhiên hơn so với những bộ phận cách điện của các đường dây cao áp trên cao.

Hiện tượng nhiễu điện từ tần số thấp là đáng kể trong khu vực rộng tới 3 km (hoặc hơn nếu điện trở đất là lớn). Nó được tạo ra bởi quá trình quá độ ở các trạm biến áp khi tiến hành đóng điện cao áp; được phân bố dọc theo đường dây khi có điện; được gia tăng khi có hoạt động kéo tải phi tuyến như cấp điện cho bộ chỉnh lưu và là nguồn kích thích gây ra sự bắn tia lửa bề mặt. Nếu sử dụng hệ thống điện kéo xoay chiều, các trạm biến áp chỉnh lưu sẽ tạo ra các sóng hài tần số thấp.

A.7.2  Các thiết bị di động

Các phương tiện động lực kéo (các đầu máy điện hoặc các toa xe chung giá chuyển) là nguồn gây nhiễu điện từ trong quá trình làm việc theo tuyến, được điều khiển chủ yếu bằng các thiết bị sau:

- Các hệ thống điều khiển công suất sử dụng các bộ điều khiển kiểu bán dẫn như các thyristor, các transistor có cổng đóng ngắt (GTO) và các transitor lưỡng cực cổng cách ly (IGBT). Những thiết bị này tạo ra năng lượng, từ đó gây ra bức xạ trực tiếp từ các thành phần của phương tiện hoặc bức xạ gián tiếp thông qua các đường dây cấp. Đường dây trên cao có thể hoạt động như một ăng-ten;

- Thiết bị phụ trên các phương tiện kéo có thể có điện áp định mức cao tương ứng và là một nguồn gây nhiễu;

- Tiếp xúc trượt giữa đường dây và bộ lấy điện (hoặc guốc và ray). Việc lấy điện là thông qua một chuỗi các cung lấy điện ngắn hoạt động như các nguồn sóng vô tuyến;

- Các trường hợp đặc biệt: sự phóng điện cung lửa, các trạng thái quá độ xảy ra khi nâng/hạ cần lấy điện hoặc khi đóng/mở cầu dao điện trên phương tiện.

Các đầu máy diesel-điện cũng được xét ở đây, do loại phương tiện này có thể có các điều khiển nguồn bán dẫn tạo ra nhiễu. Các đầu máy này cũng có các hệ thống con có thể là nguồn gây nhiễu

A.7.3  Các bộ biến đổi nguồn phụ

Hệ thống điều hòa không khí trong toa xe khách, các hệ thống nấu ăn và các hệ thống tương tự có thể được cấp điện thông qua bộ biến đổi bán dẫn tĩnh và có thể là những nguồn gây nhiễu. Những bộ biến đổi này có thể ở trên một số toa xe khách trong đoàn tàu và phải xem xét khả năng gây nhiễu tổng hợp của chúng.

A.7.4  Đường dây trên tàu

Đầu máy thường cấp ra nguồn điện với điện áp nhỏ hơn hoặc bằng 1500 V, đôi khi là 3000 V, với công suất lên tới 800 kW cho các hệ thống điện của tàu để phục vụ chiếu sáng, sưởi ấm, điều hòa không khí, sạc ắc quy, và vận hành các bộ biến đổi thông qua bộ lấy điện (được gọi là "đường dây trên tàu"). Dòng điện này có thể có cường độ 800 A và là nguồn gây nhiễu cho các thiết bị liền kề.

Dòng điện phụ này có thể quay về đầu máy thông qua các ray và từ đó có ảnh hưởng đến thiết bị ở trên đường. Độ dài tàu khoảng vài trăm mét là không phổ biến.

A.7.5  Dòng điện hồi lưu liên quan tới các mạch điện đường ray

Nguồn cấp điện (một chiều, xoay chiều hoặc xung) được nối thông qua các đường ray, được gọi là mạch điện đường ray. Mạch điện đường ray là một hệ thống sử dụng các ray làm đường truyền giữa bộ phát và bộ nhận giúp cho việc phát hiện sự có mặt của các phương tiện giao thông đường sắt. Khi tàu di chuyển trên đường ray, các trục của nó làm ngắn mạch cảm biến (detector) nhờ đó sẽ phát hiện ra sự có mặt của tàu trên đường. Nhiễu điện có thể trở thành nguồn cấp cho cảm biến (làm cho nó không ở trạng thái bị ngắn mạch) mặc dù đang có tàu chạy trên đường, từ đó đưa ra tín hiệu sai về trạng thái đường trống. Các mạch điện đường ray có thể có nhiều dạng, một số mạch có tần số và thời gian được mã hóa để giảm rủi ro do nhiễu gây ra.

Do nguồn cấp cho các tổng thành có thể có điện áp cùng tần số của mạch điện đường ray nên trở kháng đầu vào của tàu có thể sẽ phải lớn hơn giá trị được quy định. Vì vậy việc lưu thông dòng có tần số của mạch điện đường ray trên các ray có tàu đang đi qua sẽ bị cản trở. Thiết bị kéo và thiết bị phụ trên phương tiện và các trạm biến áp không được phép tạo ra các dòng điện vượt quá giá trị quy định ở các tần số của mạch điện đường ray. Các giới hạn sẽ được áp dụng cho các tình huống cụ thể. Các hiện tượng này hoàn toàn ở bên trong hệ thống đường sắt và có thể ở nhiều dạng khác nhau.

A.7.6  Thiết bị lắp đặt bên đường

Năng lượng điện được sử dụng trong các thiết bị bên đường để dẫn động các động cơ chuyển ghi, sưởi ấm, làm ấm trước cho tàu, và các thiết bị khác. Mặc dù công suất là thấp, nhưng do các bộ phận này nằm gần với đường ray nên vẫn có thể ảnh hưởng tới các thiết bị đường sắt khác.

A.8  Tổng hợp các đặc tính của hệ thống đường sắt

Các khác biệt cơ bản giữa hệ thống điện đường sắt và các mạng lưới điện lớn khác là:

- Dải cấu hình cung cấp điện rất rộng;

- Mức độ thay đổi công suất sử dụng, các hệ thống điều khiển và các hệ thống con rất rộng;

- Sử dụng các bộ lấy điện dạng trượt để truyền công suất điện lớn cho các tàu đang chạy;

- Một số tàu có tốc độ cao;

- Tồn tại các nguồn di động trong cùng khu vực ảnh hưởng;

- Sự dao động, không ổn định của hệ thống có dòng điện đi vào và ra khỏi tàu, bao gồm cả dòng điện chạy qua đất;

- Các tải một pha lớn có thể gây ra bất ổn định trong hệ thống 3 pha;

- Khả năng phát sinh đồng thời nhiễu điện từ từ một số nguồn;

- Phát sinh nhiễu điện từ trên một phổ tần số rộng;

- Có sự tương tác của nguồn cấp và phương tiện để tăng cường hoặc giảm thiểu tác động ở mọi tần số.

A.9  Các nguồn nhiễu điện từ bên ngoài

Hệ thống đường sắt được đặt trong môi trường khai thác công cộng và bị ảnh hưởng bởi các nguồn nhiễu EM khác nhau ở các địa điểm khác nhau.

Các nguồn nhiễu này bao gồm:

- Hệ thống đường sắt liền kề;

- Các bộ truyền sóng vô tuyến, bao gồm các điện thoại di động;

- Các đường dây cấp điện trên cao liền kề, có thể tạo ra hiện tượng cảm ứng với tần số nguồn;

- Các trạm radar ở sân bay, tàu bay sử dụng trong quân sự;

- Các nhà máy công nghiệp gây nhiễu mạng cung cấp điện.

MỤC LỤC

1  Phạm vi áp dụng

2  Từ viết tắt

3  Tiêu chí tính năng

4  Quản lý EMC

Phụ lục A (Tham khảo): Hệ thống đường sắt