尹洪旭

中車大連機(jī)車車輛有限公司 遼寧 大連 116100

1 前言

地鐵車輛電磁兼容性即在電磁環(huán)境中,地鐵列車不影響其他軌道交通系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行,也不能因這些系統(tǒng)和設(shè)備的干擾而降低甚至影響列車運(yùn)行的安全性。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,因此電磁兼容設(shè)計(jì)工作貫穿于地鐵沿線電氣設(shè)計(jì)、車輛設(shè)計(jì)及車輛電氣子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

地鐵車輛的設(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)。

2 電磁兼容設(shè)計(jì)要素

電磁兼容設(shè)計(jì)要素如下:

(1)降低干擾源對(duì)外的干擾;

(2)切斷或是降低干擾路徑耦合過(guò)來(lái)的干擾能量;

(3)提高敏感系統(tǒng)的抗干擾能力。

針對(duì)上述設(shè)計(jì)要素提出的具體措施見表1。

表1 電磁干擾設(shè)計(jì)要素及對(duì)應(yīng)的抗干擾措施

3 車輛電磁兼容設(shè)計(jì)主要措施

3.1 布線設(shè)計(jì) 車輛中不同電壓等級(jí)的電纜產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)會(huì)成為整個(gè)系統(tǒng)電磁干擾的干擾源。為了抑制電磁干擾,提高列車整體布線的穩(wěn)定性,同種類的線纜應(yīng)分門別類單獨(dú)鋪設(shè)以提高電磁兼容能力。車輛線纜分為6類,詳見表2。

表2 車輛所用線纜分類

以上6類電纜,其對(duì)外干擾的幅度由小到大為1-6,而易受干擾的程度由小到大為6-1。如有可能,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。上述6類電纜布線的最小間距要求見表3。

表3 車輛布線間距要求

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。

另外,在屏蔽線的選擇上,除牽引逆變器,輔助逆變器等高壓大電流設(shè)備經(jīng)過(guò)EMI濾波接地等處理措施使其滿足要求而無(wú)需使用屏蔽線纜外,其他諸如數(shù)據(jù)總線、ATC、通信、控制、PIDS、各傳感器等線纜將盡可能使用屏蔽雙絞線、同軸電纜等。

3.2 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)注意縫和開槽的設(shè)計(jì)以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:

1)線纜屏蔽需進(jìn)行良好接地。

2)屏蔽線與端口需360度端接,不能使用引線/插針法端接。

3)柜體的屏蔽應(yīng)考慮門,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。

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

3.3 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。此阻抗的合理設(shè)計(jì)會(huì)抑制噪聲電流等流過(guò)此處會(huì)產(chǎn)生的電壓,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。

3.4 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。

4 信號(hào)兼容性

信號(hào)兼容性是行車安全要求中最重要的因素,信號(hào)采集后傳送所涉及的有線和無(wú)線傳送只有做到與其他系統(tǒng)兼容,才能使信號(hào)系統(tǒng)信號(hào)正常傳送,以確保軌道交通系統(tǒng)的行車安全。

信號(hào)系統(tǒng)的組成由信號(hào)采集傳感器、信號(hào)傳遞通道及信號(hào)處理單元構(gòu)成。對(duì)于不同的信號(hào)設(shè)備,其電氣性能尤其是電磁特性以及工作安裝環(huán)境是不同的,因此與車輛的各種接口也是完全不同的。

信號(hào)兼容性要求就是信號(hào)與車輛之間的接口要求。

4.1 適用于各子系統(tǒng)的干擾源和干擾種類 在本次廣州地鐵十三號(hào)線中,信號(hào)系統(tǒng)使用計(jì)軸器方案,因計(jì)軸器發(fā)射單元通過(guò)一定的頻率(工作頻率)發(fā)射信號(hào),接收單元通過(guò)磁場(chǎng)感應(yīng)正常接收,有車輪經(jīng)過(guò)時(shí),其磁力線的傳遞被阻斷或改變,從而被有效記錄。因而其工作頻段的電磁環(huán)境兼容性是其關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)計(jì)軸器正常工作的使用頻率特點(diǎn),靠近計(jì)軸器的車底機(jī)電設(shè)施,尤其是牽引系統(tǒng),輔助電源系統(tǒng)成其為主要干擾源。根據(jù)計(jì)軸器兼容性標(biāo)準(zhǔn)(EN 50238-3:2010)所給出的計(jì)軸器各工作頻率對(duì)應(yīng)的外界干擾限值以及牽引系統(tǒng),輔助逆變系統(tǒng)供應(yīng)商所給出的技術(shù)文件中對(duì)應(yīng)的頻段干擾幅度,可計(jì)算出此頻段的安全裕量。

根據(jù)EN50121-3-2的要求為所有車載信號(hào)設(shè)備編寫電磁兼容技術(shù)文檔,來(lái)保證各設(shè)備能滿足電磁兼容要求。例如,靜電放電干擾會(huì)導(dǎo)致信號(hào)設(shè)備失效或性能降低,良好的接地措施是非常必要的;由車輛供電系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾會(huì)通過(guò)傳導(dǎo)耦合方式影響信號(hào)傳輸,輔助電源端可以采用隔離屏蔽,合理的布線來(lái)解決此問題。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采取有效的抗干擾措施在廣州地鐵十三號(hào)線車輛上進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明,車輛完全符合軌道列車的電磁兼容要求,所采取的方案可以最大程度降低電磁干擾的風(fēng)險(xiǎn),為城市軌道列車運(yùn)行的安全性和可靠性提供了有利保障。