何紅 尹智勇 趙春燕

摘 要：本文基于廣州地鐵13號(hào)線首期工程車輛的電磁兼容設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，介紹城市軌道交通車輛的電磁兼容設(shè)計(jì)原則，列出了在車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中常用的抗電磁干擾措施，并詳細(xì)描述了電磁兼容接地設(shè)計(jì)的方法。

關(guān)鍵詞：城軌車輛;電磁兼容;屏蔽;接地

一、前言

電磁干擾存在于地鐵沿線及車輛內(nèi)部電氣設(shè)備之間、車輛電氣設(shè)備與乘客之間、車輛電氣設(shè)備與乘客攜帶的移動(dòng)電子設(shè)備之間，因此城市軌道交通車輛的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮電磁兼容性，采取有效地措施確保地鐵沿線的外部因素（如供電設(shè)備、信號(hào)、無(wú)線通信、PIDS系統(tǒng)）不會(huì)對(duì)車輛設(shè)備的正常工作造成干擾，也要確保因車輛設(shè)備工作造成的各種干擾（輻射干擾、發(fā)射干擾、傳導(dǎo)干擾）對(duì)人體、乘客攜帶的移動(dòng)電子設(shè)備及地鐵沿線電氣設(shè)備的影響滿足電磁兼容性EN50121等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

二、電磁兼容設(shè)計(jì)要素

電磁干擾設(shè)計(jì)要素主要有降低干擾、切斷或衰減耦合路徑的能量和提高系統(tǒng)抗干擾能力。具體從屏蔽、接地、濾波技術(shù)、元器件或子系統(tǒng)選型、系統(tǒng)、線纜等合理布局等方面進(jìn)行優(yōu)化。

三、車輛電磁兼容設(shè)計(jì)主要措施

（一）布線設(shè)計(jì)

電磁兼容中，線纜在電磁干擾的發(fā)射和接收中具有很大的影響，實(shí)際車輛設(shè)計(jì)中，因?yàn)榫€纜數(shù)量多、種類復(fù)雜，同時(shí)可能以較大的長(zhǎng)度穿過(guò)電磁干擾復(fù)雜的區(qū)域，所以不同種類的線纜應(yīng)分門(mén)別類單獨(dú)鋪設(shè)以提高電磁兼容能力。

廣州地鐵13號(hào)線首期工程車輛所用線纜分為6類，包括系電池參考電纜、敏感的信號(hào)線纜、高壓動(dòng)力線纜、輔助交流線纜等。不同的線纜應(yīng)盡可能獨(dú)立布線。如若在實(shí)際安裝中難以實(shí)現(xiàn)，則其干擾的能量、抗干擾能力以及線纜相互間平行走線的長(zhǎng)短將決定線纜間的最小間距（最小間距不小于0.2m）。

如果上述最小間距難以保證，則應(yīng)遵循以下原則：

1）不同類型線纜盡量交叉垂直走線。

2）不同類型電纜盡量使用良好接地的金屬材質(zhì)的線管或線槽。

3）線纜的輸出線以及回路線應(yīng)盡可能相鄰走線以減小干擾/干擾耦合的環(huán)路。

4）線纜應(yīng)通過(guò)專用連接器與接口連接。

（二）屏蔽設(shè)計(jì)

屏蔽分為電場(chǎng)屏蔽和磁場(chǎng)屏蔽。其中電場(chǎng)屏蔽主要使用銅或鋁合金等材質(zhì)，同時(shí)需要良好接地，否則達(dá)不到屏蔽效果。另外考慮到高頻電場(chǎng)干擾的波長(zhǎng)等因素，屏蔽的柜體應(yīng)注意縫和開(kāi)槽的設(shè)計(jì)以期盡可能提高其屏蔽效能。理論上磁場(chǎng)屏蔽需要考慮材質(zhì)的磁導(dǎo)率等因素，實(shí)際運(yùn)用中鋁板等低磁導(dǎo)率的材質(zhì)在大的厚度下對(duì)來(lái)自于牽引/輔助逆變器，牽引電機(jī)等的低頻磁場(chǎng)干擾同樣有一定的衰減能力而使其滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。故需要注意的點(diǎn)集中于：

-線纜屏蔽需進(jìn)行良好接地。

-屏蔽線與端口需360度端接，不能使用引線/插針?lè)ǘ私印?/p>

-柜體的屏蔽應(yīng)考慮門(mén)，縫，槽，孔等處電氣搭接的連續(xù)性，必要時(shí)需使用。導(dǎo)電襯墊，簧片等措施。

-對(duì)低頻磁場(chǎng)屏蔽的鋁板等應(yīng)充分考量實(shí)際效果。

（三）接地設(shè)計(jì)

接地分為以下幾種類型：

1）保護(hù)地（安全接地）

此類接地主要功能為人身安全的保護(hù)，防止直接或間接的觸電事故，涉及到各類結(jié)構(gòu)器件，此時(shí)應(yīng)盡可能地以大的面積接地以達(dá)到低阻抗的目的。設(shè)計(jì)中此阻抗的大小會(huì)決定噪聲等電流流過(guò)此處不會(huì)產(chǎn)生大的電壓，從而保證人的安全以及因?yàn)榇穗妷憾斐傻墓材８蓴_。

2）功能地（工作地）

此類接地是整個(gè)車輛系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件，一方面為正常電路提供回路，同時(shí)作為參考的基準(zhǔn)電路。接地的好壞，干擾/抗干擾環(huán)路的大小將決定電路系統(tǒng)是否能穩(wěn)定地工作并且是否能減小對(duì)外干擾以及提高自身抗干擾能力

3）電磁兼容相關(guān)的地（屏蔽體接地，器件濾波接地等）

此類接地主要針對(duì)做了屏蔽的部分，比如線纜屏蔽層，屏蔽電氣柜等。此屏蔽體是否接地以及接地措施的好壞將直接決定屏蔽效果的好壞。屏蔽體的接地應(yīng)遵循大面積低接地阻抗的原則。不同的接地點(diǎn)如果電位一致則按照雙點(diǎn)或多點(diǎn)接地的原則，如果不一致則按照單點(diǎn)接地以防止此電位差引起共模干擾。屏蔽電纜接口應(yīng)使用專用連接器或夾緊螺母，以確保其屏蔽層按照360度環(huán)接方式接地。屏蔽柜的蓋子門(mén)板等應(yīng)考慮漆等絕緣物質(zhì)對(duì)屏蔽接地連續(xù)性的影響。

（四） 濾波

濾波是最直接有效抑制電磁干擾的方法，在子系統(tǒng)的輸入輸出加入濾波電容，電感，鐵氧體磁環(huán)等將從源頭抑制其對(duì)外的干擾，同時(shí)提高自身的抗干擾能力。

四、電磁兼容性接地

地鐵車輛上有很多電磁騷擾源，比如牽引逆變器、輔助逆變器，如果不加抑制的話，它將會(huì)對(duì)其周圍環(huán)境中的敏感原件產(chǎn)生影響。假設(shè)某一時(shí)刻設(shè)備箱體內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)等效的帶正電的導(dǎo)體，如果不采取接地措施，箱體（屏蔽體）的內(nèi)側(cè)將感應(yīng)出與帶電導(dǎo)體等量的負(fù)電荷，外側(cè)則會(huì)出現(xiàn)帶電體等量的正電荷，此時(shí)外側(cè)將有電場(chǎng)產(chǎn)生，成為外界設(shè)備的電磁騷擾源。如果將金屬屏蔽體接地，外側(cè)的正電荷將流入大地，此時(shí)外部的感生電場(chǎng)消失，即帶正電導(dǎo)體的電場(chǎng)被隔離在金屬屏蔽體內(nèi)，具體如圖1所示。

圖1 靜電屏蔽原理

屏蔽電纜是將被保護(hù)線外包裹一層屏蔽金屬網(wǎng)，其中小部分電磁能通過(guò)屏蔽體內(nèi)部渦流損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而大部分則通過(guò)屏蔽體的接地點(diǎn)將其感生電流引入大地，所以電纜屏蔽層必須接地才能起到屏蔽的作用。根據(jù)信號(hào)頻率的不同，屏蔽層的接地方式有所不同。

頻率較低時(shí)，電纜屏蔽層只需單端接地。頻率較高時(shí)（f>1MHz），屏蔽電纜的阻抗不能忽略，如果只在一端接地，將迫使噪聲電流在屏蔽層上產(chǎn)生壓降使各點(diǎn)電位不同，從而影響屏蔽效果。所以屏蔽電纜需要兩端接地，如車內(nèi)MVB及以太網(wǎng)總線屏蔽層兩端接地保證良好的屏蔽效果。

五、結(jié)束語(yǔ)

廣州地鐵13號(hào)線首期工程車輛在動(dòng)態(tài)調(diào)試階段完成了電磁兼容試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括整車輻射發(fā)射試驗(yàn)、車內(nèi)磁場(chǎng)試驗(yàn)、屏蔽效能試驗(yàn)、靜電放電試驗(yàn)、輻射抗撓度試驗(yàn)等等，各項(xiàng)試驗(yàn)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法及判斷準(zhǔn)則進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，該線路車輛及車載設(shè)備可在其線路電磁環(huán)境中正常工作。

參考文獻(xiàn)：

[1]EN 20121-1-2006 軌道交通 電磁兼容 第1部分：總則[S]

[2]EN 50121-3-1：2006 軌道交通 電磁兼容 第3-1部分：機(jī)車車輛 列車和整車[S]