軌 道 系 統 電 磁 相 容 介 紹 林 仁 生 副 總 工 程 司 高 雄 市 政 府 捷 運 工 程 局 陳 俊 能 高 雄 市 政 府 捷 運 工 程 局 一 前 言 國 家 社 會 經 濟 發 展 及 永 續 經 營, 需 要 相 關 基 礎 建 設 來 配 合 軌 道 系 統 建 設 是 基 礎 建 設 的 重 要 一 環, 台 灣 經 濟 進 步 發 展 有 賴 軌 道 系 統 的 整 體 規 劃 及 擴 建 高 速 鐵 路 縮 短 台 灣 南 北 的 距 離, 高 雄 及 台 北 捷 運 系 統 帶 來 的 益 處, 讓 都 會 區 人 們 的 互 動 更 頻 繁, 活 動 距 離 更 擴 張, 這 些 均 使 商 業 更 熱 絡, 經 濟 更 活 躍 台 灣 各 大 都 市 了 解 軌 道 系 統 縮 短 了 旅 程 時 間 減 少 污 染 淨 化 環 境, 提 升 了 人 們 生 活 的 品 質, 也 讓 國 家 更 具 競 爭 力 因 為 軌 道 系 統 是 屬 大 眾 運 輸 系 統, 運 輸 大 量 的 乘 客, 一 發 生 事 故 其 後 果 是 相 當 嚴 重, 不 僅 是 對 財 產 和 環 境 造 成 損 害, 更 會 造 成 人 員 的 死 亡, 影 響 的 層 面 相 當 廣, 所 以 安 全 是 不 容 忽 視 軌 道 系 統 工 程 含 蓋 的 領 域 多 且 廣, 包 含 土 木 建 築 機 械 電 機 電 力 電 子 等, 軌 道 系 統 的 運 作 依 賴 機 電 系 統, 機 電 系 統 的 設 備 包 含 相 當 多 的 電 機 電 子 設 備, 這 些 設 備 均 會 涉 及 電 場 與 磁 場 的 運 作, 運 作 的 過 程 對 於 設 備 產 生 干 擾 電 磁 干 擾 和 安 全 不 一 定 有 關, 但 在 軌 道 系 統 上, 尤 其 是 自 動 化 程 度 高 的 捷 運 系 統, 電 磁 干 擾 和 安 全 是 有 關 的 本 文 將 介 紹 軌 道 系 統 電 磁 干 擾 和 電 磁 相 容 二 電 磁 相 容 和 電 磁 干 擾 電 磁 相 容 (EMC) 指 的 是 電 力 或 電 子 設 備 應 能 在 其 設 定 的 環 境 下 依 其 所 訂 的 功 能 運 作 電 力 或 電 子 設 備 不 應 該 產 生 電 磁 干 擾, 因 為 這 些 干 擾 可 能 會 影 響 其 他 設 備 的 運 作 電 磁 相 容 處 理 的 問 題 就 是 電 力 和 電 子 設 備 和 系 統 干 擾 的 放 射 和 免 疫 電 磁 干 擾 和 安 全 不 一 定 有 關, 但 在 軌 道 系 統 上, 尤 其 是 自 動 化 程 度 高 的 捷 運 系 統, 電 磁 干 擾 和 安 全 是 有 關 的 現 代 化 的 捷 運 系 統 其 號 誌 系 統 是 自 動 控 制 系 統, 包 括 列 車 自 動 保 護 列 車 自 動 駕 駛 和 列 車 自 動 監 督 系 統 等, 採 用 大 量 的 電 力 或 14 中 工 高 雄 會 刊 第 23 卷 第 2 期
專 論 : 軌 道 系 統 電 磁 相 容 介 紹 電 子 設 備 系 統, 號 誌 系 統 可 能 因 電 力 或 電 子 設 備 產 生 電 磁 干 擾 而 失 效, 如 果 傳 送 者 有 足 夠 大 的 場 強, 它 會 產 生 電 流 和 電 壓, 這 會 使 電 路 過 載, 如 果 號 誌 系 統 設 計 時, 未 能 考 量 電 磁 干 擾, 可 能 會 造 成 嚴 重 的 後 果 在 興 建 過 程 中, 如 何 確 保 這 種 狀 況 不 會 發 生 是 最 重 要 的 不 管 在 同 一 國 家 內 或 國 際 上 沒 有 任 何 二 個 軌 道 系 統 是 完 全 相 同 的, 因 為 其 營 運 條 件 和 環 境 條 件 必 定 不 同, 所 以 電 磁 干 擾 的 問 題 是 不 會 相 同 的 軌 道 系 統 產 生 的 電 磁 干 擾 對 環 境 的 干 擾 越 來 越 嚴 重, 主 要 因 為 : 1. 電 力 等 級 增 加, 應 用 控 制 技 術 如 高 頻 切 換 GTO 或 IGBT 2. 在 軌 道 系 統 附 近 的 區 域, 越 來 越 多 靈 敏 電 子 設 備 這 些 環 境 均 可 能 和 軌 道 系 統 相 互 干 擾 電 磁 干 擾 : 因 電 磁 擾 動 而 造 成 裝 置 設 備 或 系 統 的 性 能 降 低 雖 然 在 關 係 上 電 磁 擾 動 是 因, 電 磁 干 擾 是 果, 但 通 常 是 可 互 用 ( 以 上 將 使 用 電 磁 干 擾 ) 電 磁 擾 動 : 因 電 磁 現 象 而 使 裝 置 設 備 或 系 統 的 性 能 降 低, 或 對 生 物 與 非 生 物 產 生 負 面 之 影 響 電 磁 擾 動 在 傳 播 媒 體 中 可 能 是 一 個 電 磁 雜 訊 性 能 降 低 : 任 一 裝 置 設 備 或 系 統 運 作 時, 其 表 現 的 性 能 不 如 預 期 的 性 能 暫 時 性 或 永 久 性 的 故 障 可 稱 性 能 降 低 三 EMC 定 義 與 衝 擊 電 磁 相 容 是 指 設 備 或 系 統 處 於 電 磁 環 境 中 亦 能 發 揮 其 功 能 之 能 力, 而 且 也 不 會 對 環 境 中 其 他 設 備 或 系 統 產 生 無 法 忍 受 的 電 磁 干 擾 要 達 到 電 磁 相 容 性, 需 要 規 劃 想 要 達 成 的 電 磁 相 容 從 電 磁 相 容 規 劃 結 果, 訂 定 需 要 採 取 的 措 施, 並 且 將 其 納 入 設 計, 確 保 軌 道 的 電 磁 相 容 電 磁 相 容 在 軌 道 上 有 三 個 主 要 衝 擊 1. 是 對 軌 道 環 境 產 生 影 響 2. 對 軌 道 系 統 本 身 的 影 響, 如 車 輛 對 號 誌 和 通 訊 設 備 產 生 影 響 3. 軌 道 設 備 在 其 運 作 環 境 下 承 受 嚴 厲 環 境 的 能 力 電 磁 環 境 : 一 指 定 場 所 之 整 體 電 磁 現 象 鄰 近 電 磁 環 境 environment (neighbourhood) [EN 50121-2] 可 能 產 生 電 磁 干 擾 的 系 統 或 被 系 統 電 磁 干 擾 的 週 遭 物 體 或 區 域 一 般 了 解, 鄰 近 電 磁 環 境 與 電 磁 環 境 的 差 異 性 在 於, 鄰 近 電 磁 環 境, 指 的 是 離 軌 道 中 心 線 特 定 距 離 範 圍 之 外 的 外 部 電 磁 干 擾 源 及 易 受 電 磁 干 擾 裝 置 四 EMC 管 理 1. 複 雜 性 就 複 雜 的 軌 道 系 統 而 言, 如 倫 敦 地 鐵, 在 路 網 內 營 運 中 的 車 輛 有 不 同 的 年 代, 電 聯 車 在 不 同 的 軌 道 系 統 營 運, 如 地 鐵 或 都 市 間 軌 道 系 統 等, 所 有 車 站 和 路 線 皆 不 同, 很 難 確 定 整 體 EMC 已 達 要 求 要 使 得 不 同 計 畫 皆 能 達 到 電 磁 相 容, 這 可 經 由 規 劃 系 統 時, 提 出 性 能 的 要 求, 不 同 的 階 段 提 出 要 求, 到 測 試 階 段 時 對 電 磁 相 容 提 出 測 試 要 求, 從 電 磁 相 容 測 試 的 結 果, 其 他 相 關 資 料 的 技 術 文 件 加 以 管 控 和 評 估 來 確 保 設 計 達 EMC 保 證 大 眾 要 求 的 軌 道 系 統 要 更 快 更 可 靠 更 安 全, 也 就 是 需 要 更 多 的 能 源, 更 複 雜 的 電 子 系 統, 相 對 的 也 就 是 潛 在 更 大 的 電 磁 干 擾 問 題 2. 管 理 程 序 為 了 要 有 效 的 執 行 EMC 管 理, 相 關 EMC 資 料 的 收 集 是 必 要 的, 這 包 括 內 部 及 外 部 之 電 磁 干 擾 源 電 磁 相 容 需 求 確 認 除 了 軌 道 中 華 民 國 105 年 2 月 15
鄰近電磁環境外 當然還包含各軌道子系統 子系統 及其他各非軌道子系統 具高功率或有威脅 EMC管理是一由上而下的處理程序 當 性的電磁干擾源 例如鄰近電磁環境的電磁 電磁干擾源數據收集完成後 接著則建立影 干擾源為廣播服務 通信發射器 其他鐵路 響矩陣 並進行EMC分析 EMC分析是用來 系統 雷達系統及第三者 所謂第三者是指 編譯及解釋EMC資料與EMC需求 以決定電 位於軌道設施內的供應承包商 如車站內零 氣設備間的電磁干擾程度 而影響矩陣則是 售店攤或類似設施 還有鄰近電磁環境的易 EMC 設計及控制過程中最主要的工具 用 受電磁干擾設備 如軌道沿線醫院之醫療設 以進行協調 管理及監控 以達成系統間及 備 通信接收器或是上述之第三者 因為只 與鄰近電磁環境的電磁相容 有這些電磁干擾源有能力足夠去干擾其他的 16 中工高雄會刊 第23卷 第2期
專 論 : 軌 道 系 統 電 磁 相 容 介 紹 五 EMC 標 準 歐 洲 發 展 了, 在 不 同 區 域 軌 道 環 境 的 系 統 所 需 的 標 準,EN50121-X-X 標 準, 這 些 標 準 包 含 不 同 型 態 的 系 統, 任 何 在 軌 道 環 境 使 用 的 系 統 必 須 證 明 符 合 要 求 EN 50121 標 準 系 列 定 義 整 體 系 統 與 其 鄰 近 電 磁 環 境 之 間 的 EMC, 且 對 於 所 有 主 要 子 系 統 的 電 磁 干 擾 源 及 電 磁 干 擾 免 疫 性 的 需 求 皆 有 所 規 定 事 實 上 全 部 的 軌 道 設 備 ( 號 誌, 電 聯 車, 供 電 系 統 等 ), 將 依 EN 50121 標 準 系 列 50121-2 至 50121-5 的 規 定, 以 保 證 整 體 系 統 與 其 鄰 近 電 磁 環 境 之 間 及 整 體 系 統 內 全 部 子 系 統 之 間 的 EMC 除 了 上 述 有 關 EMC 之 限 制 值 及 量 測 的 標 準, 另 有 IEC 61000-5-1 IEC 61000-5-2 標 準 可 作 為 實 務 上 之 安 裝 指 引 綱 領 軌 道 系 統 的 電 子 或 電 機 設 備 和 其 他 工 業 的 系 統 比 較, 不 論 是 靜 止 或 運 動 的 狀 態 下 都 有 特 別 要 求 架 空 線 系 統 現 代 牽 引 設 備 和 電 力 調 節 器, 都 會 產 生 寬 頻 的 放 射, 這 均 會 對 電 子 控 制 系 統 有 影 響 在 EN50121-X 內 有 對 軌 道 系 統 靜 止 或 運 動 中 的 要 求 EN50121-1: 軌 道 應 用 - 電 磁 相 容 : 一 般 EN50121-2: 軌 道 應 用 - 電 磁 相 容 : 整 個 軌 道 系 統 對 外 界 的 放 射 性 EN50121-3-1: 軌 道 應 用 - 電 磁 相 容 : 電 聯 車 --- 列 車 和 完 整 列 車 EN50121-3-2: 軌 道 應 用 - 電 磁 相 容 : 電 聯 車 - 設 備 EN50121-4: 軌 道 應 用 - 電 磁 相 容 : 號 誌 和 通 訊 設 備 的 放 射 性 與 免 疫 力 EN50121-5: 軌 道 應 用 - 電 磁 相 容 : 固 定 供 電 設 施 和 設 備 的 放 射 性 和 免 疫 力 IEC 61000-5-1 電 磁 相 容 性 ( EMC ) 第 5 節 : 安 裝 和 減 輕 災 害 方 針 : 第 1 節 : 概 論 IEC 61000-5-2 電 磁 相 容 性 (EMC) 第 5 節 : 安 裝 和 減 輕 災 害 方 針 : 第 2 節 : 接 地 和 線 材 在 二 次 大 戰 前, 電 磁 場 並 不 受 重 視, 後 來 因 為 大 量 使 用 X- 光 後, 人 們 才 注 意 到 輻 射 的 問 題 在 1950 後 期 1960 初 期, 人 們 對 電 力 需 求 越 來 越 大, 在 民 間 航 空 工 業 需 要 大 量 安 裝 佈 設 雷 達, 家 庭 使 用 微 波 爐 和 無 線 電 和 電 視 廣 播, 電 磁 場 問 題 越 來 越 受 重 視 六 電 聯 車 與 環 境 電 聯 車 必 須 考 量 其 所 在 的 電 磁 環 境 及 環 境 與 電 聯 車 的 互 動, 這 包 含 與 道 旁 設 備, 通 訊 設 備 等 環 境 的 互 動 在 進 行 電 磁 干 擾 分 析 時, 要 考 量 電 聯 車 是 運 動 狀 態, 且 人 們 在 上 下 車 時 會 與 車 輛 接 觸 電 聯 車 和 其 環 境 之 間 放 射 的 例 子 列 車 所 引 發 的 輻 射 包 含 : 1. 乘 客 使 用 行 動 電 話 設 備 2. 道 旁 設 備 3. 點 對 點 無 線 電 連 結 和 列 車 無 線 電 通 訊 4. 乘 客 配 戴 心 律 調 整 器 5. 車 站 間 無 線 電 的 連 結 考 量 所 有 脈 衝 控 制 的 電 流 和 電 壓 為 干 擾 源, 這 些 干 擾 源 包 含 馬 達 電 感 器, 煞 車 電 阻 的 電 感 器, 牽 引 馬 達 轉 換 器 等 列 車 造 成 的 放 射 在 整 個 軌 道 和 第 三 軌 流 通 軌 道 區 段 的 號 誌 系 統 代 表 主 要 干 擾 的 接 收 端 免 疫 的 例 子 : 1. 由 無 線 電 設 備 產 生 對 車 輛 的 電 磁 干 擾 2. 固 定 無 線 電 設 備 3. 行 動 無 線 電 設 備 : 如 無 線 電 話 4. 靜 電 產 生 對 設 備 的 電 磁 干 擾 5. 因 靜 電 放 電 而 產 生 的 干 擾 中 華 民 國 105 年 2 月 17
固 定 無 線 電 行 動 電 話 照 明 無 線 電 接 收 器 人 道 旁 設 備 通 訊 設 備 號 誌 系 統 七 號 誌 和 通 訊 的 相 容 性 八 電 磁 相 容 和 安 全 紀 實 的 關 係 有 效 的 列 車 偵 測 和 列 車 控 制 是 能 安 全 營 運 軌 道 糸 統 的 重 要 關 鍵, 而 這 有 賴 於 電 子 設 備 的 偵 測 和 溝 通, 對 一 全 新 的 列 車 或 經 修 改 的 列 車, 證 明 其 不 會 危 害 到 號 誌 和 通 訊 系 統 的 正 常 運 作 是 很 重 要 的, 而 在 這 證 明 的 過 程 中 可 以 了 解 列 車 所 產 生 的 電 磁 干 擾, 了 解 道 旁 系 統 和 其 設 備 的 靈 敏 度 電 子 或 電 機 設 備 或 系 統 是 不 准 許 發 出 電 磁 干 擾 訊 號 而 影 響 其 他 電 子 設 備 的 功 能, 相 反 的, 電 子 或 電 機 設 備 或 系 統 在 其 運 作 環 境 中, 也 不 准 許 其 功 能 受 到 干 擾 所 有 軌 道 系 統 在 其 所 設 定 的 範 圍 內 興 建 及 營 運 都 必 須 準 備 安 全 紀 實 (Safety Case) 安 全 紀 實 是 用 來 判 斷 軌 道 系 統 是 否 能 安 全 營 運, 安 全 紀 實 說 明 了 興 建 單 位 對 安 全 的 所 有 作 為 和 發 生 的 事 件, 當 然 包 含 電 磁 相 容 在 安 全 紀 實 內, 需 要 危 害 與 風 險 的 分 析 就 電 磁 相 容 而 言, 所 需 風 險 分 析 是 有 所 不 同, 因 為 和 電 磁 相 容 相 關 的 風 險 並 無 法 清 楚 定 義, 對 可 能 產 生 的 後 果 也 並 不 清 楚 系 統 或 設 備 是 否 會 受 電 磁 相 容 影 響, 有 時 取 決 於 氣 候, 氣 候 的 狀 況 的 改 變 也 會 導 致 放 射 形 式, 偶 合 的 效 率 等 的 改 變 在 實 驗 室 內 作 的 電 磁 相 容 試 驗 其 效 果 往 往 很 難 在 外 面 真 實 世 界 重 現 18 中 工 高 雄 會 刊 第 23 卷 第 2 期