章國平，康洪軍

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司 產(chǎn)品技術(shù)研究中心，河北唐山063035）

高速動(dòng)車組是集高壓、變頻、網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)控制于一體的復(fù)雜設(shè)備［1］。其內(nèi)部電子、電氣設(shè)備布局非常緊密，導(dǎo)致高速動(dòng)車組線槽內(nèi)電纜敷設(shè)密度急劇增加，使得動(dòng)車組內(nèi)部電磁環(huán)境非常復(fù)雜，由此導(dǎo)致的電磁干擾問題頻頻出現(xiàn)。由于車載電纜是高效的電磁波接收和輻射天線，也是干擾傳導(dǎo)的良好通道，絕大多數(shù)設(shè)備電磁兼容問題是電纜造成的。在高速動(dòng)車運(yùn)營過程中，大部分的故障均是由于傳感器采集的信號(hào)在傳輸過程中被電磁干擾污染所致，京廣線在近期統(tǒng)計(jì)的115次故障中，多數(shù)是因?yàn)閭鞲衅鱾鬏數(shù)男盘?hào)因電磁干擾導(dǎo)致的。

高速動(dòng)車在布線的時(shí)候，為提高通訊信號(hào)在傳輸過程中的抗干擾能力或者對(duì)外的電磁輻射，其電纜大部分在線槽內(nèi)布線，不同用途和位置的線槽，其設(shè)計(jì)具有不同的結(jié)構(gòu)和電磁兼容特性，布線槽良好的電磁兼容設(shè)計(jì)是降低車內(nèi)電纜信號(hào)電磁干擾污染的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 線槽電磁兼容設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 線槽用不同材質(zhì)的電磁特性和材質(zhì)選擇

高速動(dòng)車組線槽有金屬和非金屬兩類，常見的金屬線槽材料為鋼質(zhì)和鋁質(zhì)，非金屬線槽材料為塑料材質(zhì)。金屬線槽的EMC特性比非金屬的好。塑料材質(zhì)的線槽不具備電磁屏蔽的性能，起不到電磁防護(hù)的作用。鋁質(zhì)線槽的直流阻抗比相同尺寸的鋼質(zhì)線槽低，但是如果需要對(duì)低頻磁場信號(hào)進(jìn)行屏蔽的話，由于鋼的導(dǎo)磁率μr比鋁的要高，其傳輸阻抗Zt會(huì)相對(duì)較低，因此鋼質(zhì)線槽比鋁質(zhì)線槽的屏蔽效果要好。但是鋼質(zhì)線槽的質(zhì)量比鋁質(zhì)線槽大得多，采用鋼質(zhì)線槽無疑增加了整車的質(zhì)量，給整車設(shè)計(jì)造成不便。綜合考慮電磁特性、價(jià)格、質(zhì)量等因素，高速動(dòng)車組線槽多選用鋁材質(zhì)。

1.2 線槽屏蔽和開孔設(shè)計(jì)

屏蔽是一項(xiàng)既昂貴又難以實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)決定。屏蔽的實(shí)質(zhì)就是將關(guān)鍵電路用一個(gè)屏蔽體包圍起來。使耦合到這個(gè)電路的電磁場通過反射和吸收被衰減。屏蔽設(shè)計(jì)的好壞由屏蔽效能來評(píng)價(jià)，屏蔽體的屏蔽效能可表示為［2］：

式中αR（dB）為反射損耗為吸收損耗，αA（dB）=8.686αt；αIR（dB）為材料內(nèi)部的多次反射損耗，αIR（dB）=20log10

其中T為穿過屏蔽板的凈傳輸系數(shù)；γ為入射阻抗與金屬層阻抗之比；t為屏蔽體厚度；α為金屬內(nèi)沿垂直方向的衰減常數(shù)，為真空磁導(dǎo)率；μ為材料磁導(dǎo)率；σ為電荷面密度；f為頻率。

從屏蔽效能的公式中可以得出屏蔽體的材料和厚度對(duì)屏蔽效能起著決定性的作用。選擇屏蔽材料時(shí)，通常選擇磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率較大的材料，以保證屏蔽體具備良好的屏蔽衰減系數(shù)。其次要合理的選擇屏蔽體的厚度，對(duì)近場屏蔽來說，屏蔽體的厚度在一定范圍內(nèi)越厚則屏蔽效能越高，高頻時(shí)，由于趨膚效應(yīng)，得到一定屏蔽效果所需屏蔽體的厚度減小。一般情況下，屏蔽體的厚度在0.2～0.5mm即可滿足要求。屏蔽體的厚度在滿足具備一定屏蔽效能的同時(shí)，還要滿足一定的機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性。高速動(dòng)車組線槽和隔板均采用鋁合金板，厚度為1.2mm。

屏蔽體最好都是采用全封閉的盒子或機(jī)殼［3-4］，但是在工程中往往做不到。在線槽的屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)要考慮為了滿足線槽內(nèi)電纜散熱和走線的要求，對(duì)線槽進(jìn)行開孔。這些開孔破壞了線槽的導(dǎo)電連續(xù)性，成為電磁屏蔽的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。屏蔽降低程度決定于兩相鄰孔隙的間隔、干擾的波長以及空隙的總數(shù)。在垂直入射而且孔隙間隔s＜λ／2的情況下，屏蔽效能近似為［5］：

d為孔的直徑；n為孔隙的總數(shù)。

不論哪種開口方向都破壞了線槽的表面電流分布，使得屏蔽體渦流反磁場的屏蔽作用減弱。合理開孔的方向設(shè)計(jì)是提高線槽電磁兼容性的良好辦法。線槽內(nèi)電纜敷設(shè)時(shí)都是沿電纜槽水平敷設(shè)的，那么線槽上的開孔方向要與電纜敷設(shè)方向相同。圖1為不同開口方向和電流環(huán)路的關(guān)系圖。

圖1 不同開口方向和電流環(huán)路的關(guān)系

從圖中可以看出圖1（a）破壞電流分布或減弱渦流的情況比圖1（b）好得多。

1.3 信號(hào)線纜分類和線槽分區(qū)

為了盡量減小線槽內(nèi)線纜的內(nèi)部串?dāng)_效應(yīng)和電纜間的耦合，應(yīng)對(duì)線槽進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)。高速動(dòng)車組車載電纜布線設(shè)計(jì)是遵循EN 50343：2003《鐵路應(yīng)用-機(jī)車車輛布線規(guī)則》進(jìn)行設(shè)計(jì)的［6］，將動(dòng)車上的電纜分為3類，見表1。

表1 電纜分類

按此，線槽可分為3個(gè)分區(qū)，中間用鋁合金隔板隔開。按照電纜級(jí)別將不同類的電纜分在線槽的各個(gè)區(qū)內(nèi)，隔斷不同類電纜間輻射騷擾的傳播途徑。分區(qū)設(shè)計(jì)中要通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證線槽隔板與線槽蓋之間的密貼，盡量減小其間隙。

1.4 線槽接地設(shè)計(jì)

線槽接地的目的是為線槽表面感應(yīng)電流提供電流流過的低阻抗路徑，釋放線槽殼上積攢的靜電和高頻干擾電流，減小接地區(qū)域之間流通電流的威脅和電位差。采用接地和搭接的措施保持相連接的所有線槽都具有相同的地電位。線槽所起的屏蔽效果并不是鋁合金線槽本身對(duì)電場、磁場的吸收，而是在于線槽的接地，接地將線槽外側(cè)的感應(yīng)電荷引入大地，這樣就不會(huì)有感應(yīng)電場存在。高速動(dòng)車組的相對(duì)零電位基準(zhǔn)是列車車體。高速動(dòng)車組的車載設(shè)備接地就是將設(shè)備的接地線合理的連接到列車的車體上。在每段線槽的兩端和中間處線分別是采用直徑為7mm的圓形銅管連接到車體上的。

2 采用電磁兼容設(shè)計(jì)的高速動(dòng)車組布線線槽

高速動(dòng)車組內(nèi)電纜既包括電機(jī)電纜、變壓器電纜等極易產(chǎn)生干擾的電纜，又包括信號(hào)線、數(shù)據(jù)傳輸總線、音頻電纜和視頻傳輸電纜等容易遭受干擾的電纜。這極大的增加了各種電纜間的電磁干擾。對(duì)線槽進(jìn)行合理的電磁兼容設(shè)計(jì)，以達(dá)到減弱線纜間相互干擾的目的。圖2～圖4為采用上述技術(shù)進(jìn)行的動(dòng)車組車用典型線槽的設(shè)計(jì)。

（1）車內(nèi)線槽（圖2）

圖2 橫截面和縱截面示意圖

（2）車下線槽（圖3）

圖3 橫截面和縱截面示意圖

（3）MVB和 WTB通訊線槽（圖4）

圖4 橫截面和縱截面示意圖

3 線槽截口處搭接技術(shù)分析和仿真研究

3.1 線槽截口處搭接技術(shù)分析

搭接是指兩個(gè)金屬物體之間通過機(jī)械、化學(xué)或物理方法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接，以建立一條穩(wěn)定的低阻抗電氣通路的工藝過程［7］。搭接質(zhì)量的好壞會(huì)對(duì)線槽的電磁兼容性能有較大影響，良好的搭接能夠減少設(shè)備間電位差引起的騷擾；能夠降低線槽和系統(tǒng)殼體上的射頻感應(yīng)電勢，防止靜電電荷積累。

在實(shí)際應(yīng)用中兩段線槽的截口處由于結(jié)合表面不平會(huì)形成縫隙開口，并導(dǎo)致電的不連續(xù)。而線槽內(nèi)電纜相互干擾會(huì)形成電磁波，當(dāng)電磁波碰到線槽時(shí)，會(huì)在其表面感應(yīng)出電流，屏蔽的一個(gè)作用是將干擾電流在最小擾動(dòng)的情況下送到大地，線槽間的開口會(huì)破壞電的連續(xù)性，從而影響線槽的屏蔽效能。

通過搭接實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)線槽之間的電氣連接，降低系統(tǒng)線槽殼體的射頻感應(yīng)電勢，以達(dá)到平衡彼此電位的目的。高速動(dòng)車組線槽為了方便卸載與維護(hù)，兩線槽截口處通常采用間接搭接的方式，中間連接導(dǎo)體為鋁合金板。

使用搭接的效果取決于搭接板的轉(zhuǎn)移阻抗，轉(zhuǎn)移阻抗表達(dá)式為：

其中I0為屏蔽體上流過的電流；dV／dz為屏蔽層內(nèi)部每單位長度內(nèi)的電壓。

在實(shí)際應(yīng)用中，Zt=V／（I×I0），I為導(dǎo)體的長度。

在低頻時(shí)，轉(zhuǎn)移阻抗以電阻的形式呈現(xiàn)，這與屏蔽體的電流擴(kuò)散和接觸電阻有關(guān)；在高頻時(shí)，轉(zhuǎn)移阻抗以互感的形式呈現(xiàn)。搭接板的轉(zhuǎn)移阻抗越小，屏蔽效能越高。

3.2 線槽仿真建模和計(jì)算

3.2.1 模型建立

在此分析幾種典型搭接方式對(duì)屏蔽效果的影響，如圖5。方式A為在線槽兩側(cè)使用短導(dǎo)線搭接；方式B為對(duì)線槽兩側(cè)半封閉式搭接；方式C為對(duì)線槽兩側(cè)全封閉式搭接；方式D為U型槽搭接。搭接導(dǎo)體材料均為鋁合金。

圖5 幾種典型搭接方式

在線槽內(nèi)放置3根電機(jī)的三相電纜，作為本仿真的激勵(lì)干擾源，如圖6所示。三相電機(jī)工作電壓為0～2 700V，電流為200A，3根電纜激勵(lì)大小依次為：U1為方便直觀的看出搭接的電磁場大小，在線槽截口縫隙處設(shè)置一條U型參考線。

圖6 線槽內(nèi)的三相電機(jī)電纜

3.2.2 仿真結(jié)果分析

（1）電場仿真分析

通過有限元仿真計(jì)算，得出各種搭接方式在截口處參考線上的電場大小如圖7。

從圖7和表2中可以看出高速動(dòng)車組線槽截口縫隙處不同的搭接方式對(duì)電場屏蔽效能有明顯影響。在相同條件下，截口縫隙處泄漏的電場值一定，搭接方式D在截口縫隙參考線處的電場值最小，從而其電場屏蔽效能高，電場屏蔽效果也好。

（2）磁場仿真分析

通過有限元仿真計(jì)算，得出各種搭接方式在截口處參考線上的磁場大小如圖8。

從圖8、表3中可以看出高速動(dòng)車組線槽截口縫隙處不同的搭接方式對(duì)磁場屏蔽效能影響不大。

圖7 電場強(qiáng)度

表2 不同搭接方式下參考線處各參考點(diǎn)的電場大?。╒·m-1）

圖8 磁場強(qiáng)度

由上述建模分析可知，動(dòng)車組線槽搭接導(dǎo)體的形狀對(duì)屏蔽效能的高低有明顯的影響，尤其是對(duì)電場屏蔽效果影響較大。沿著整個(gè)截口縫隙長度完成良好的U型電氣搭接，屏蔽效果最好，是最有助于電磁兼容性能的改善。但在工程中由于種種原因很難做到。往往采用在線槽兩側(cè)實(shí)施電氣搭接，兩側(cè)全封閉式的電氣搭接是最佳的工程選擇。

表3 不同搭接方式下參考線處各參考點(diǎn)的磁場大小 T

4 結(jié)束語

對(duì)高速動(dòng)車組用線槽進(jìn)行系統(tǒng)的電磁兼容設(shè)計(jì)，包括線槽金屬材質(zhì)選擇、線槽屏蔽和開孔設(shè)計(jì)、線槽分區(qū)設(shè)計(jì)、線槽接地設(shè)計(jì)和線槽段之間的搭接設(shè)計(jì)。這些設(shè)計(jì)措施有利于提高線槽的電磁兼容特性，保護(hù)線槽內(nèi)各通信電纜的信號(hào)盡量免受電磁干擾的影響，提高線槽的電磁兼容性，確保高速動(dòng)車組車載設(shè)備正常工作和車輛的安全運(yùn)行。

［1］楊 君，苑豐彪.高速動(dòng)車組電磁兼容性設(shè)計(jì)研究［J］.機(jī)車電傳動(dòng).2009（2）13-16.

［2］S.A.Schelkunoff.Electromagnetic theory of coaxial lines and cylindrical shields［J］.Bell Systems Technical Journal，Vol.13，1934.

［3］M P Robinson et al.Shielding effectiveness of a rectangular enclosure with a rectangular aperture［A］.Electronices Letters，15th August，University of York，1996，32（17）：1 559-1 560.

［4］M P Robinson et al.Analytical Formulation for the shielding Effectiveness of Enclosures with Apertures［J］.IEEE Transactions on EMC，University of York，40（3）：240-248.

［5］EMI shielding design guide，Tecknit EMI Shielding products，USA.

［6］EN 50343.鐵路應(yīng)用-機(jī)車車輛布線規(guī)則［S］.2003.

［7］路宏敏.工程電磁兼容［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.