Authors: Original title: Title in English: Journal: Volume: 89 Number / issue: 8-9 Pages: 1201-1204 DOI: 10.15199/59.2016.8-9.86 Date: Sep. 2016 ISSN: 1230-3496 eissn: 2449-7487 Artur Dłużniewski, Leszek Kachel, Jan M. Kelner, Mieczysław Laskowski Stan środowiska elektromagnetycznego w pojazdach trakcyjnych i wagonach pasażerskich w świetle obowiązujących standardów State of electromagnetic environment in traction vehicles and wagon in the light of binding standards Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne Publisher: Wydawnictwo SIGMA-NOT (SIGMA-NOT Publishing House) Impact factor of journal: Open access: no Connection with conference: XXXII Krajowe Sympozjum Telekomunikacji i Teleinformatyki KSTiT-2016, Gliwice, Poland, 26-28.09.2016. Original source: Mirror source: How to cite this paper: http://www.sigma-not.pl/zeszyt-4835-przeglad-telekomunikacyjny-2016-8- 9.html https://www.researchgate.net/publication/306379087 Artur Dłużniewski, Leszek Kachel, Jan M. Kelner, Mieczysław Laskowski, Stan środowiska elektromagnetycznego w pojazdach trakcyjnych i wagonach pasażerskich w świetle obowiązujących standardów, Przegląd Telekomunikacyjny i Wiadomości Telekomunikacyjne, vol. 89, no. 8-9, pp. 1201-1204, Sep. 2016, doi: 10.15199/59.2016.8-9.86. Copyright Notice 2016 SIGMA-NOT Publishing House (SIGMA-NOT). Personal use of this material is permitted. However, permission to reprint/republish this material for advertising or promotional purposes or for creating new collective works for resale or redistribution to servers or lists, or to reuse any copyrighted component of this work in other works must be obtained from the SIGMA-NOT.
Dłużniewski Artur Wojskowy Instytut Techniczny Uzbrojenia Dłużniewski@witu.mil.pl Kachel Leszek, Jan Kelner Wojskowa Akademia Techniczna Wydział Elektroniki Instytut Telekomunikacji 00-908 Warszawa 49, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2 leszek.kachel@wat.edu.pl jkelner@wat.edu.pl Mieczysław Laskowski Instytut Kolejnictwa, ul. Chłopickiego 50, 04-275 Warszawa mjlaskowski@wp.pl DOI: 10.15199/59.2016.8-9.86 Gliwice, 26-28 września 2016r. STAN ŚRODOWISKA ELEKTROMAGNETYCZNEGO W POJAZDACH TRAKCYJNYCH I WAGONACH PASAŻERSKICH W ŚWIETLE OBOWIĄZUJĄCYCH STANDARDÓW STATE OF ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENT IN TRACTION VEHICLES AND WAGON IN THE LIGHT OF BINDING STANDARDS Streszczenie: W referacie zostaną przedstawione metody pomiarów, wyniki z pomiarów oraz sposoby zabezpieczeń przed ewentualną ekspozycją pasażera na te pola. Otrzymane wyniki z pomiarów porównywane są dopuszczalnymi poziomami przy jednoczesnym wnioskowaniu, czy dany pojazd spełnia wymagania zawarte w odpowiednich normach oraz przepisach krajowych i czy może zostać dopuszczony do ruchu aglomeracyjnego na terenie kolejowym. Omówione zostaną pomiary pól promieniowanych bezpośrednio oraz zaburzeń elektromagnetycznych przewodzonych w pokładowej sieci zasilania niskiego napięcia. Abstract: The paper presents measurement methods, measurement results and methods protecting a passenger against exposure to electromagnetic field. The results of the measurements are compared with acceptable levels of electromagnetic radiation and at the same time it is analyzed if a given vehicle complies with the applicable norms and regulations and if it may be allowed to circulate in the railway traffic. The herewith article analyzes the measurement results of directly radiated fields and electromagnetic interferance conducted in the onboard low-voltage power system. Słowa kluczowe: odbiornik pomiarowy, środowisko elektromagnetyczne, tryb dynamiczny, zaburzenie elektromagnetyczne. Keywords: measuring instrument, electromagnetic environment, dynamic mode, electromagnetic interference. 1. WSTĘP Eksploatacja urządzeń elektrycznych i elektronicznych zainstalowanych w elektrycznym pojeździe trakcyjnym oraz w wagonie pasażerskim jest związana z oddziaływaniem pól elektromagnetycznych nie tylko na sąsiednie urządzenia, ale również na pasażera odbywającego podróż. Do najliczniejszych źródeł pól elektromagnetycznych występujących w tym środowisku należą wszelkiego rodzaju instalacje elektroenergetyczne, urządzenia sterowania ruchem kolejowym, systemy bezprzewodowego przesyłania informacji. Ekspozycja pasażerów na pola elektromagnetyczne wytwarzane przez te urządzenia występuje w sposób ciągły przez cały okres podróży. W niektórych przypadkach poziom ekspozycji może znacznie przekraczać wartości dopuszczalne określone w obowiązujących standardach. Zatem istnieje potrzeba rozpoznania źródeł pól elektromagnetycznych i magnetycznych, pod kątem zbadania zgodności ich poziomów z wartościami dopuszczalnymi zawartymi w normach oraz wprowadzania ewentualnych zabezpieczeń. Zgodnie z obowiązującym w kolejnictwie od bieżącego roku rozporządzeniem ministra infrastruktury i rozwoju w sprawie dopuszczenia do eksploatacji urządzeń i pojazdów kolejowych, dla których wymagane są szczegółowe warunki eksploatacji oraz tryb wydawania certyfikatów należy przeprowadzić badania poziomu pól elektromagnetycznych i pól magnetycznych występujących wewnątrz i na zewnątrz pojazdu w odniesieniu do stopnia narażenia personelu i pasażerów zgodnie z wymaganiami zawartymi w normach [1, 2, 7, 8]. Wiąże się to przede wszystkim z określeniem występujących poziomów statycznych pól magnetycznych, zmiennych w czasie pól elektrycznych i magnetycznych oraz elektromagnetycznych i porównania otrzymanych wyników z wartościami dopuszczalnymi. W środowisku kolejowym występują trzy zasadnicze źródła pól elektromagnetycznych, które mogą mieć wpływ na ludzi: tabor wraz z instalowanymi urządzeniami elektrycznymi i elektronicznymi, zasilanie trakcyjne i wszelkiego rodzaju wyposażenie sygnalizacyjne. 2. METODYKA POMIARÓW Ocena środowiska elektromagnetycznego polega na określeniu poziomu zaburzeń radioelektrycznych w pokładowej sieci zasilania niskiego napięcia w wagonach pasażerskich i lokomotywach [5, 6]. Pomiary wykonuje się w paśmie od 150kHz do 30MHz z podziałem na podzakresy: 150kHz 500kHz, 500kHz 30MHz. Pomiar emisji zaburzeń przewodzonych wykonywany jest na wszystkich portach pokładowej sieci zasilającej niskiego napięcia AC i DC, do których można zaliczyć: porty pomocniczego źródła zasilania prądu sinusoidalnego AC lub DC, porty odnoszące się do baterii akumulatorów, PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXIX - WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXXV - nr 8-9/2016 1201
porty pomiarowe i porty sterowania służące do zasilania urządzeń elektronicznych. Typowe wartości napięcia zasilania pokładowego w pojazdach zdefiniowane są w normie [6] i wynoszą: 24VDC, 36VDC, 48VDC, 110VDC oraz 230VAC. Do pomiaru poziomu zaburzeń przewodzonych wykorzystuje się wysokonapięciową sondę pomiarową, do której poprzez kabel koncentryczny podłączony jest odbiornik pomiarowy EMI, co ilustruje rys. 1. Tak jak uprzednio przed każdym pomiarem należy ocenić poziom postronnych zaburzeń określonych, jako tło w warunkach odłączenia zasilania. Uzyskane wyniki porównywane są z wykonanymi uprzednio pomiarami zaburzeń postronnych (tła) występującymi w pokładowej sieci zasilającej niskiego napięcia przy odłączonym zasilaniu. Rys. 1. Schemat blokowy układu pomiarowego do pomiaru zakłóceń radioelektrycznych w pokładowej sieci zasilającej niskiego napięcia Całe wyposażenie pomiarowe wchodzące w skład toru pomiarowego musi spełniać wymagania normy [7]. Dopuszczalne poziomy emisji zaburzeń przewodzonych zawarte są w normie [8] i wynoszą: dla pasma 150 500 khz 99dBµV, dla pasma 0,5 30MHz 93dBµV. W przypadku lokomotyw elektrycznych i elektrycznych zespołów trakcyjnych (np. pociągi podmiejskie, pendolino) ocena środowiska elektromagnetycznego obejmuje oprócz pomiarów napięcia zaburzeń radioelektrycznych w pokładowej sieci zasilania również pomiary pól magnetycznych. Pomiary poziomów pól magnetycznych AC i DC dla taboru kolejowego zgodnie z zapisami normy [6] należy przeprowadzać w rzeczywistych warunkach atmosferycznych w wymaganym przez normę paśmie częstotliwości od 0Hz do 1Hz dla pola DC i od 5Hz do 20kHz dla pola AC. Pomiary przeprowadzane są dla wszystkich 3 osi składowych natężenia pola magnetycznego przy założeniu, że jedna oś jest równoległa do szyny. Wykonanie pomiarów poziomów pól magnetycznych wykonuje się w dwóch trybach pracy pojazdu szynowego, a mianowicie: tryb statyczny pojazd jest na postoju i podłączony do trakcji z załączonymi wszystkim pokładowymi urządzeniami takim np. jak klimatyzacja, ogrzewanie, oświetlenie wewnętrzne i zewnętrzne, włączone wszystkie urządzenia elektroniczne. W tym przypadku pomiary wykonuje się zarówno wewnątrz pojazdu (kabina maszynisty oraz przedziały pasażerskie), jak również na zewnątrz pojazdu w pobliżu zainstalowanych urządzeń elektrycznych jak np: silniki trakcyjne, przetwornice, falowniki, przekształtniki itp. tryb dynamiczny obiekt zaczyna się poruszać od postoju, po czym z największym możliwym przyspieszeniem rozpędza się do maksymalnej prędkości eksploatacyjnej, utrzymuje tą prędkość na wybiegu przez 10s, a następnie maksymalnie hamuje, aż do całkowitego zatrzymania. Wszystkie obwody pomocnicze powinny działać i wszystkie urządzenia powinny być włączone (np. klimatyzacja, ogrzewanie, światła). Może wystąpić sytuacja (np. w transporcie miejskim), że nie można rozpędzić pojazdu do maksymalnej możliwej prędkości eksploatacyjnej podczas badań lub system zasilania nie pozwala na rozpędzenie taboru do maksymalnej prędkości eksploatacyjnej podczas przeprowadzania testu. W tym przypadku maksymalna wartość natężenia emisji pól magnetycznych powinna być obliczona na podstawie uzyskanych wyników pomiarów oraz monitorowania linii z wykorzystaniem określonej w normie metody. Przykłady tego typu metod zamieszczone są szczegółowo w normie [7]. 2.1. Niezbędna aparatura pomiarowa W skład wyposażenia niezbędnego do wykonania pomiarów pól magnetycznych wchodzi następująca aparatura: miernik pola magnetycznego DC np. może to być teslomierz hallotronowy, miernik pola elektromagnetycznego AC wraz z sondą pola magnetycznego o powierzchni przekroju poprzecznego wynoszącej 100 cm 2, stacja pogodowa służąca do monitorowania rzeczywistych warunków atmosferycznych w toku wykonywania pomiarów, komputer z oprogramowaniem służący do analizy widmowej otrzymanych wyników z pomiarów. 2.2. Wybór i lokalizacja punktów pomiarowych taboru kolejowego Pomiary pól magnetycznych powinno przeprowadzać się w miejscach i punktach przestrzennych wewnątrz i na zewnątrz taboru, które określone zostały szczegółowo w Tabeli 1. Tab. 1. Lokalizacja punktów przestrzennych wykonywanych pomiarów Na rys. 2 przedstawiono przykładowe rozmieszczenie punktów pomiarowych wewnątrz kabiny maszynisty (punkt P1, punkt P2) oraz na zewnątrz elektrycznego zespołu trakcyjnego (punkt P3). PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXIX - WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXXV - nr 8-9/2016 1202
Wymieniono elementy sterowania oraz zasilania pojazdem, dokonano instalacji nowoczesnych systemów informacji pasażerskiej oraz instalacji systemu klimatyzacji. Pomiary zaburzeń przewodzonych wykonano między innymi w pokładowej sieci zasilającej niskiego napięcia 230VAC na porcie L i N. Rys. 2. Punkty pomiarowe wewnątrz i na zewnątrz elektrycznego zespołu trakcyjnego 3. PRZYKŁADOWE WYNIKI Z POMIARÓW 3.1. Wyniki z pomiarów zaburzeń radioelektrycznych przewodzonych w pokładowej sieci zasilania niskiego napięcia Badania emisji zaburzeń radioelektrycznych przewodzonych zostały przeprowadzone dla jednego ze zmodernizowanych elektrycznych pojazdów trakcyjnych. Modernizacja polegała na kompleksowej przebudowie wyposażenia pojazdu. 3.2. Metody redukcji zaburzeń radioelektrycznych w sieci zasilającej W przypadku stwierdzenia, że dane urządzenie dołączone do energetycznej sieci zasilania przekracza dopuszczalny poziom emisji zaburzeń radioelektrycznych należy zastosować środki służące do redukcji tego poziomu. Podstawowymi środkami służącymi do obniżenia podwyższonego poziomu zaburzeń radioelektrycznych i instalowanymi wprost przy źródle są filtry przeciwzakłóceniowe o wybranych parametrach, co zostało potwierdzone doświadczalnie na pojeździe [3, 4]. Również powszechnie stosowanym dodatkowym sposobem jest ekranowanie poszczególnych bloków urządzenia oraz ekranowanie poszczególnych obwodów w celu znacznego ograniczenia możliwości powstania niepożądanych sprzężeń indukcyjnych lub pojemnościowych w samym urządzeniu. 4. PRZYKŁADOWE WYNIKI Z POMIARÓW INDUKCJI POLA MAGNETYCZNEGO Na rys.5, rys.6, rys.7, rys.8 przedstawiono przykładowe charakterystyki przebiegu otrzymanych poziomów indukcji pola magnetycznego w funkcji częstotliwości. Rys. 3. Przebieg charakterystyki napięcia zaburzeń radioelektrycznych w funkcji częstotliwości w paśmie 0,15 30MHz w pokładowej sieci zasilania niskiego napięcia Rys. 5. Punkt pomiarowy P1, POSTÓJ, wysokość pomiaru 0,9m, zakres 5Hz 2kHz Rys. 4. Przebieg charakterystyki napięcia zaburzeń radioelektrycznych w paśmie 0,15 30MHz w pokładowej sieci zasilania niskiego napięcia po zastosowaniu dobranego filtra przeciwzakłóceniowego Rys. 6. Punkt pomiarowy P1, POSTÓJ, wysokość pomiaru 1,5m, zakres 5Hz 2kHz PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXIX - WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXXV - nr 8-9/2016 1203
i udało się obniżyć poziom zaburzeń radioelektrycznych znacznie poniżej wymagań zalecanych przez normę. Rys. 7. Punkt pomiarowy P3, POSTÓJ, wysokość pomiaru 0,5m, zakres 5Hz 2kHz Wyniki obejmują pomiary wewnętrznych i zewnętrznych pól magnetycznych AC dla wybranych dwóch punktów pomiarowych P1 i P3 przedstawionych dla dwóch trybów pracy podczas pomiaru stacjonarnego i dynamicznego. 5.2. Pomiary indukcji pola magnetycznego W toku pomiarów indukcji pola magnetycznego DC wynik pomiaru otrzymuje się przeważnie z odczytu bezpośredniego z przyrządu pomiarowego w formie numerycznej lub graficznej w zależności od badanego trybu pracy pojazdu i zastosowanego detektora w mierniku. Natomiast w trakcie pomiarów indukcji pola magnetycznego AC, jako wynik pomiaru otrzymuje się rezultaty z wcześniejszego sumowania trzech składowych w przedziale czasu po filtrowaniu zarejestrowanych próbek. W tym celu stosuje się miernik natężenia pola o odpowiednich parametrach oraz zastosowanego odpowiedniego oprogramowania służącego do tych celów. Otrzymane wyniki z pomiarów indukcji pola magnetycznego AC i DC porównywane są z dopuszczalnymi poziomami przy jednoczesnym wnioskowaniu, czy dany pojazd spełnia wymagania zawarte w odpowiednich normach oraz przepisach krajowych i czy może zostać dopuszczony do ruchu aglomeracyjnego na terenie kolejowym. Przedstawione przykładowe wyniki pomiarów wykazały, że nie występuje zagrożenie dla pasażerów i obsługi pojazdów trakcyjnych ze strony oddziaływania pól magnetycznych DC i AC oraz możliwości zakłócania własnych urządzeń pasażerów, które mogą być zasilane z pokładowej sieci zasilania niskiego napięcia. SPIS LITERATURY Rys. 8. Punkt pomiarowy P3, POSTÓJ, wysokość pomiaru 1,5m, zakres 5Hz 2kHz Zakres częstotlowości pomiaru obejmował 5Hz 2kHz dla różnych wysokości umieszczenia anten pomiarowych. 5. ANALIZA I PODSUMOWANIE WYNIKÓW UZYSKANYCH Z POMIARÓW 5.1. Pomiary zaburzeń przewodzonych Na załączonej charakterystyce przebiegu poziomu zaburzeń przewodzonych w funkcji częstotliwości zamieszczonej na rys. 3 występują przekroczenia poziomu dopuszczalnego. Najwyższe przekroczenie zmierzono na porcie L-PE na częstotliwości 158 khz i wynosi ono 5 dbµv w stosunku do wartości dopuszczalnej. Stwierdzono również przekroczenia na porcie N-PE na częstotliwościach 154 khz i 198 khz, które wynosiły odpowiednio 19 dbµv i 10 dbµv w stosunku do dopuszczalnej wartości. W obu przedstawionych przypadkach zanotowano przekroczenia wartości dopuszczalnej w paśmie częstotliwości od 150 khz do 250 khz. Obniżenie nadmiernego poziomu zaburzeń radioelektrycznych jest procesem złożonym wymagającym najczęściej indywidualnych rozwiązań polegających niekiedy na doborze w sposób doświadczalny zastosowanych elementów. W przedstawionym przypadku zastosowano filtr o określonej charakterystyce tłumienności w funkcji częstotliwości ze standardowego katalogu [1] PN-EN 50500:2008. Procedury pomiaru poziomów pól magnetycznych generowanych przez urządzenia elektroniczne i elektryczne w środowisku kolejowym w odniesieniu do narażenia ludzi. [2] PN-EN 62311:2010. Ocena urządzeń elektronicznych i elektrycznych w odniesieniu do ograniczeń ekspozycji ludności w polach elektromagnetycznych (0Hz - 300GHz). [3] Sprawozdanie nr LA/43/12. 2012 r. Z badań EMC elektromagnetycznych promieniowanych i przewodzonych, Instytut Kolejnictwa, Laboratorium Automatyki i telekomunikacji, październik. [4] Sprawozdanie nr LA/43.1/12. 2013 r. Z badań uzupełniających EMC elektromagnetycznych przewodzonych, Instytut Kolejnictwa, Laboratorium Automatyki i telekomunikacji, lipiec. [5] PN-EN 50121-3-2:2009. Zastosowania kolejowe - - Kompatybilność elektromagnetyczna, Część 3-2: Tabor Aparatura. [6] Dłużniewski A., John Ł., Laskowski M. 2011r. Pomiar emisji zaburzeń przewodzonych w pokładowej sieci zasilania niskiego napięcia elektrycznego zespołu trakcyjnego 16Wek (ED74), XIII Krajowe Warsztaty Kompatybilności elektromagnetycznej Wrocław. [7] PN-EN 50500:2008. Procedury pomiaru poziomów pól magnetycznych generowanych przez urządzenia elektroniczne i elektryczne w środowisku kolejowym w odniesieniu do narażenia ludzi. [8].PN-EN 62311:2015. Ocena urządzeń elektronicznych i elektrycznych w odniesieniu do ograniczeń ekspozycji ludności w polach elektromagnetycznych (0Hz 300GHz). PRZEGLĄD TELEKOMUNIKACYJNY - ROCZNIK LXXXIX - WIADOMOŚCI TELEKOMUNIKACYJNE - ROCZNIK LXXXV - nr 8-9/2016 1204