陳娟,潘倍強(qiáng)
(1.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司,株洲 412001;2.重載快捷大功率電力機(jī)車(chē)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,株洲 412001)
隨著城市化水平不斷提高,作為承載旅客運(yùn)輸任務(wù)的城市地鐵是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)眾多功能的龐大系統(tǒng),大量精密設(shè)備和線(xiàn)纜被集中安置在地鐵內(nèi),保證其電磁兼容安全性和可靠性就十分必要。
國(guó)內(nèi)城市軌道行業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)盛,智能、自動(dòng)控制的城市軌道車(chē)輛成為現(xiàn)代地鐵的標(biāo)準(zhǔn)配置,新興技術(shù)與新式設(shè)備越來(lái)越多得出現(xiàn)在新型地鐵上,用以滿(mǎn)足更安全、更快速、更便捷、更人性化的需求。由不同廠(chǎng)家提供的各種系統(tǒng)、電子設(shè)備和多種多樣的供電以及信號(hào)傳輸線(xiàn)纜安裝、敷設(shè)在地鐵列車(chē)如此狹小的空間內(nèi),使得地鐵列車(chē)電磁環(huán)境更為復(fù)雜,其電磁惡劣程度不容樂(lè)觀(guān)。若是沒(méi)有采取適當(dāng)、合理的電磁兼容處理措施,極易產(chǎn)生相互干擾,進(jìn)而會(huì)引起極為嚴(yán)重的EMC問(wèn)題。
當(dāng)忽視電磁兼容方面的考慮或是處理措施不當(dāng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾,電壓或是電流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)通過(guò)各種途徑傳到受干擾對(duì)象,造成受干擾對(duì)象性能下降或是受干擾對(duì)象損壞等不良后果,電磁干擾主要有以下危害:
1)對(duì)電子系統(tǒng)的影響
電子系統(tǒng)為容易受到干擾的系統(tǒng),但是大多數(shù)電子系統(tǒng)卻充當(dāng)產(chǎn)品的核心控制部分。電子系統(tǒng)的控制電路為弱電電路,一旦受到電磁干擾,將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的故障甚至崩潰,進(jìn)而使得整個(gè)產(chǎn)品的故障或是損害,產(chǎn)生無(wú)法預(yù)計(jì)的后果。地鐵信號(hào)系統(tǒng)為整個(gè)地鐵列車(chē)的極其關(guān)鍵的系統(tǒng),容易受到各種有線(xiàn)或是無(wú)線(xiàn)信號(hào)的干擾,若是受到過(guò)強(qiáng)的電磁干擾,會(huì)使得地鐵列車(chē)出現(xiàn)如故障制動(dòng)、非正常啟動(dòng)等不正常情況。
2)對(duì)電子類(lèi)設(shè)備損害
電子設(shè)備特別是靈敏的電子設(shè)備受到過(guò)強(qiáng)的電磁干擾極容易出現(xiàn)過(guò)大的感應(yīng)電壓導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障、失效甚至損害的后果。電磁干擾也會(huì)使得電子設(shè)備出現(xiàn)功率損耗增加,發(fā)熱嚴(yán)重,電子設(shè)備壽命降低等問(wèn)題。例如,地鐵列車(chē)上若是有過(guò)高的電磁干擾,可能會(huì)導(dǎo)致乘客心臟起搏器的損害,影響乘客的安全。
十九世紀(jì)初期,人類(lèi)開(kāi)始研究電磁干擾現(xiàn)象。在1881年,科學(xué)家Heaviside發(fā)表了“論干擾”一文,電磁學(xué)開(kāi)始被科學(xué)家重視、研究。電磁兼容也就是以此時(shí)電磁干擾為基礎(chǔ)開(kāi)始發(fā)展,開(kāi)始被科學(xué)界正式研究[1]。
在十九世紀(jì)末期,科學(xué)家通過(guò)進(jìn)行電磁實(shí)驗(yàn)使電磁波具象化,證明了電磁場(chǎng)是客觀(guān)存在的物質(zhì)。英國(guó)開(kāi)始把EMI問(wèn)題的研究轉(zhuǎn)向生產(chǎn)過(guò)程。截止到二十世紀(jì)三十年代,EMI的研究才普遍被國(guó)際重視,國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)正式提出電磁兼容問(wèn)題。到四十年代,由一起電磁兼容問(wèn)題引起的惡劣事故,國(guó)際無(wú)線(xiàn)電工干擾特別委員會(huì)召開(kāi)電磁干擾及預(yù)防控制會(huì)議,使得全世界開(kāi)始詳細(xì)研究電磁兼容,德國(guó)更是搶先一步,制定了第一個(gè)電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)VDE-0878[2]。
隨后包括計(jì)算機(jī)、通信、運(yùn)輸?shù)缺姸嘈袠I(yè)得到迅速的發(fā)展,電磁環(huán)境越發(fā)復(fù)雜,各行各業(yè)對(duì)于自己的電磁兼容要求更為具體和詳細(xì)。這使得電磁兼容開(kāi)始急劇擴(kuò)張,由專(zhuān)門(mén)的組織和機(jī)構(gòu)根據(jù)各行業(yè)的電磁兼容需求,制定一系列專(zhuān)用于本行業(yè)設(shè)備和產(chǎn)品的EMC的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。2000年,EU制定了針對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)輛的EN50121-2000[3]。以此規(guī)范軌道產(chǎn)品的電磁兼容性,為軌道產(chǎn)品提供在實(shí)際電磁環(huán)境中能夠正常工作,且不會(huì)對(duì)外界造成過(guò)分干擾的最低限度要求。減少軌道產(chǎn)品的生產(chǎn)周期型和不必要的電磁問(wèn)題的產(chǎn)生,保護(hù)產(chǎn)品的使用壽命和旅客的人身安全。更在二十世紀(jì)八十年代后,國(guó)際上開(kāi)始對(duì)電磁兼容進(jìn)行強(qiáng)制執(zhí)行和認(rèn)證,將電磁兼容發(fā)展推向又一個(gè)新高。
在未來(lái)發(fā)展中,科技的進(jìn)步會(huì)使得設(shè)備和系統(tǒng)精密程度、安裝密集程度不斷提高,進(jìn)而導(dǎo)致電磁要求更為嚴(yán)苛,電磁兼容技術(shù)會(huì)發(fā)展的越發(fā)迅猛,會(huì)向著更為專(zhuān)業(yè)和深入發(fā)展,成為不可或缺的技術(shù)。
與國(guó)外相比,中國(guó)在電磁兼容方面開(kāi)始研究較晚且發(fā)展速度緩慢,在二十世紀(jì)六十年代才開(kāi)始正式研究電磁兼容,國(guó)內(nèi)電磁兼容理論開(kāi)始發(fā)展[4]。直到八十年代,國(guó)內(nèi)才出現(xiàn)專(zhuān)門(mén)的機(jī)構(gòu)根據(jù)IEC和CISPR的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn),制定適合國(guó)內(nèi)發(fā)展的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。而在之后的時(shí)間,才有各種關(guān)于電磁兼容問(wèn)題的學(xué)術(shù)活動(dòng)開(kāi)始開(kāi)展,各種針對(duì)電磁兼容的組織開(kāi)始出現(xiàn)。
對(duì)于地鐵列車(chē)的布局布線(xiàn)的研究較少且多處于初步階段,單純以理論為主未結(jié)合實(shí)際進(jìn)行分析研究。文獻(xiàn)[5]闡述了城軌列車(chē)線(xiàn)纜布線(xiàn)和屏蔽的理論,提出來(lái)宏觀(guān)上的布線(xiàn)設(shè)計(jì)和一些必要EMC措施。文獻(xiàn)[6]簡(jiǎn)述了高速動(dòng)車(chē)組的布局設(shè)計(jì)和對(duì)于不同線(xiàn)纜采取的電磁兼容措施。文獻(xiàn)[7]結(jié)合HXD1B交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)介紹了中央線(xiàn)槽內(nèi)四類(lèi)線(xiàn)的布線(xiàn),并且結(jié)合EMC對(duì)其車(chē)上的電壓柜進(jìn)行了設(shè)計(jì)和對(duì)內(nèi)部線(xiàn)纜進(jìn)行了選型分析。文獻(xiàn)[8]介紹通過(guò)增加車(chē)輛上干擾源與敏感源距離保證設(shè)備間的電磁兼容性,同時(shí)也對(duì)列車(chē)車(chē)輛上的線(xiàn)纜分類(lèi)和選型做了分析。文獻(xiàn)[9]從線(xiàn)槽選材和開(kāi)孔兩個(gè)關(guān)鍵屏蔽技術(shù),對(duì)高速動(dòng)車(chē)組的布線(xiàn)線(xiàn)槽進(jìn)行了一定的設(shè)計(jì),并從根據(jù)線(xiàn)纜電磁兼容特性對(duì)槽內(nèi)線(xiàn)纜進(jìn)行了分類(lèi)敷設(shè)設(shè)計(jì)。
國(guó)內(nèi)的EMC標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也在把國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)作為標(biāo)桿開(kāi)始深入發(fā)展,軌道交通EMC成為軌道交通行業(yè)極為重視的一個(gè)方面,它實(shí)施的好壞關(guān)系著軌道車(chē)輛的安全和人員的安全與否,也決定周邊的環(huán)境的健康與否。而在國(guó)家關(guān)注生態(tài)文明建設(shè)的大環(huán)境下,軌道交通對(duì)于EMC問(wèn)題有著更為嚴(yán)格要求,之后電磁兼容將會(huì)向著更為完善的預(yù)測(cè)、評(píng)估進(jìn)行大跨步的前進(jìn)。
改善地鐵電磁環(huán)境、保證地鐵設(shè)備電磁兼容安全性的一個(gè)重要措施就是對(duì)于地鐵的設(shè)備布局和布線(xiàn)技術(shù)?;谙嚓P(guān)電磁兼容知識(shí),結(jié)合相關(guān)列車(chē)電磁兼容布局布線(xiàn)經(jīng)驗(yàn)和布局布線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn),將整個(gè)地鐵地鐵的設(shè)備按照不同電磁干擾特性等級(jí)排布,使同級(jí)別的干擾源設(shè)備盡量集中布置,使同一級(jí)別的易受干擾的設(shè)備布置在一區(qū)域,同時(shí)將兩者盡量遠(yuǎn)離,以達(dá)到敏感設(shè)備和干擾源保持一定距離的目的。同時(shí),用于實(shí)現(xiàn)各個(gè)系統(tǒng)或是設(shè)備相互通信及進(jìn)行供電的線(xiàn)纜,通常電壓、頻率各有差異,需要根據(jù)線(xiàn)纜的干擾特性對(duì)線(xiàn)纜進(jìn)行分析,采取適當(dāng)?shù)牟季€(xiàn)措施,降低電磁干擾或是被干擾可能性。還需要采取必要的屏蔽、濾波措施,對(duì)設(shè)備和線(xiàn)纜進(jìn)行更一步的防護(hù)。
功能多樣、系統(tǒng)復(fù)雜的地鐵列車(chē)有著大量的車(chē)載設(shè)備,既有極強(qiáng)電磁干擾性的牽引變流、受電弓等設(shè)備,也有以太網(wǎng)線(xiàn)纜、CAN總線(xiàn)、溫度傳感器等敏感設(shè)備。將這些設(shè)備安裝在地鐵車(chē)上、車(chē)內(nèi)、車(chē)下等位置,在整車(chē)布局設(shè)計(jì)時(shí),按照位置和電磁敏感特性進(jìn)行分區(qū),并將該區(qū)域進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)定有著十分重要的意義。
根據(jù)地鐵設(shè)備的電磁干擾特性不同,并對(duì)于區(qū)域的劃分不同,可以分為五個(gè)區(qū)域,高干擾區(qū)、主要干擾區(qū)、中性區(qū)、主要敏感區(qū)、高敏感區(qū),不同等級(jí)分區(qū)靠近會(huì)出現(xiàn)EMC風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)盡量將相同等級(jí)分區(qū)集中放置,而不同分區(qū)進(jìn)行遠(yuǎn)離。
由圖1可以看出,不同等級(jí)區(qū)域之間靠近會(huì)出現(xiàn)不同的EMC風(fēng)險(xiǎn)。相同等級(jí)的區(qū)域不會(huì)出現(xiàn)電磁干擾,而敏感度高與干擾性強(qiáng)的區(qū)域會(huì)出現(xiàn)極高的電磁干擾,危險(xiǎn)程度最高。
圖1 相鄰分區(qū)產(chǎn)生的EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)
考慮到電磁兼容問(wèn)題,將新一代B型地鐵牽引逆變器、牽引電機(jī)、高壓箱、空氣壓縮機(jī)等主要的大功率高壓設(shè)備布置在車(chē)下,車(chē)下干擾區(qū)如圖2所示。而將網(wǎng)絡(luò)通信、列車(chē)控制以及直流、低壓交流設(shè)備布置在車(chē)上,以達(dá)到敏感設(shè)備和干擾設(shè)備隔離的目的。
圖2 車(chē)下設(shè)備布局及其電磁兼容性
地鐵需要使用線(xiàn)纜進(jìn)行供電和通信,數(shù)量眾多、類(lèi)型多樣的線(xiàn)纜也極易產(chǎn)生電磁兼容問(wèn)題。為減少不同等級(jí)的電纜串?dāng)_,需要使用線(xiàn)槽對(duì)其進(jìn)行敷設(shè),對(duì)于線(xiàn)槽的設(shè)計(jì)以及布局極為重要。
車(chē)上的單節(jié)線(xiàn)槽需要設(shè)計(jì)成如圖3所示,可以根據(jù)需要確定是否添加蓋板。
圖3 線(xiàn)槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1)厚度設(shè)計(jì)關(guān)系著屏蔽效果
金屬線(xiàn)槽壁越厚越能增強(qiáng)線(xiàn)槽的近場(chǎng)屏蔽能力,而線(xiàn)纜內(nèi)有高頻干擾時(shí),會(huì)由于趨膚效會(huì)使得線(xiàn)槽厚度不需要過(guò)厚。通過(guò)仿真、實(shí)驗(yàn),一般線(xiàn)槽厚度在(0.2~0.5)mm即可以實(shí)現(xiàn)屏蔽。
雖然不需要過(guò)厚的線(xiàn)槽,但是還是需要使用滿(mǎn)足一定的物理狀態(tài),以保證線(xiàn)槽的剛性強(qiáng)度和使用壽命。結(jié)合之前地鐵線(xiàn)槽設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)使用2.5 mm的厚度能夠起到必要的屏蔽作用,又能保證線(xiàn)槽的使用壽命。
2)需要注意接地設(shè)計(jì)
對(duì)于線(xiàn)槽使用接地編對(duì)其兩端進(jìn)行近距離的接地,同時(shí)由于其線(xiàn)槽較長(zhǎng),需要對(duì)其進(jìn)行多次接地。線(xiàn)槽接地如圖4。
圖4 線(xiàn)槽接地方式
圖5 線(xiàn)槽內(nèi)線(xiàn)纜布局
線(xiàn)槽在按照一、二位側(cè)對(duì)稱(chēng)敷設(shè),線(xiàn)槽開(kāi)口處對(duì)著地鐵車(chē)側(cè)壁,地鐵車(chē)壁能夠起到蓋板的作用,但是若是想要提高屏蔽效果,可以單獨(dú)設(shè)計(jì)蓋板,將此線(xiàn)槽設(shè)計(jì)完成后,也需要對(duì)線(xiàn)槽內(nèi)線(xiàn)纜進(jìn)行合理的布局,合理的線(xiàn)纜布局能夠加強(qiáng)線(xiàn)槽的屏蔽能力。
①根據(jù)地鐵線(xiàn)纜分類(lèi),車(chē)頂線(xiàn)槽可以將其分為三個(gè)線(xiàn)槽,為了使強(qiáng)噪擾線(xiàn)纜和敏感度高的線(xiàn)纜出現(xiàn)電磁兼容問(wèn)題的可能性最小,可以將A類(lèi)和B類(lèi)線(xiàn)纜,放在相隔最遠(yuǎn)的兩個(gè)槽內(nèi),即線(xiàn)槽對(duì)應(yīng)的三個(gè)槽分別放置A類(lèi)(380 V交流)、B類(lèi)(110 V等)、C類(lèi)(信號(hào)線(xiàn)等)三類(lèi)線(xiàn)纜。
②線(xiàn)纜應(yīng)該盡量靠近線(xiàn)槽敷設(shè),使線(xiàn)槽起PEC的作用,減小線(xiàn)纜的干擾。
③電線(xiàn)、電纜和分支接頭的敷設(shè)量總截面積應(yīng)該不超過(guò)線(xiàn)槽截面積的75 %。
將選取的典型線(xiàn)纜按照布線(xiàn)規(guī)范在線(xiàn)槽中進(jìn)行布線(xiàn),壓縮機(jī)線(xiàn)纜在A(yíng)槽靠近線(xiàn)槽壁,將信號(hào)線(xiàn)纜敷在C線(xiàn)槽遠(yuǎn)離遠(yuǎn)離A線(xiàn)槽的地方,保證壓縮機(jī)線(xiàn)纜和信號(hào)線(xiàn)纜保持最遠(yuǎn)距離,將控制線(xiàn)纜敷設(shè)在B線(xiàn)槽內(nèi)線(xiàn)纜線(xiàn)槽三維模型如圖6所示。
圖6 線(xiàn)纜線(xiàn)槽組合圖
查看磁場(chǎng)結(jié)果,并且選取m1(-41,-5,3880)和m2(-2.49,-25,3930)看各自點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。
1)無(wú)線(xiàn)槽磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖7。
圖7 無(wú)線(xiàn)槽布線(xiàn)仿真結(jié)果
求解域內(nèi)的線(xiàn)纜之間的渦流極強(qiáng),可以看出A類(lèi)線(xiàn)和B類(lèi)線(xiàn)對(duì)于C類(lèi)線(xiàn)存在著潛在的安全隱患,當(dāng)A、B類(lèi)線(xiàn)纜在線(xiàn)槽內(nèi)數(shù)量達(dá)到一定的程度,會(huì)影響C類(lèi)線(xiàn)纜的信號(hào)傳輸,甚至?xí)p傷C類(lèi)線(xiàn)所連接的設(shè)備。
2)鋁制線(xiàn)槽布線(xiàn)磁感應(yīng)強(qiáng)度如圖8。
圖8 鋁制線(xiàn)槽布線(xiàn)仿真結(jié)果
可以看出鋁材質(zhì)對(duì)于渦流場(chǎng)的屏蔽有一定的屏蔽能力,但是其屏蔽能力較差。由于鋁材質(zhì)為弱磁性材料,所起到的磁場(chǎng)屏蔽效果有限。其屏蔽能力可以滿(mǎn)足線(xiàn)槽的使用要求,同時(shí)為了滿(mǎn)足剛性需求等要求,會(huì)選擇鋁合金的線(xiàn)槽。
3)硅鋼材料線(xiàn)槽布線(xiàn)如圖9。
可以對(duì)比得出,其屏蔽效能最高,效果最好,AC380V線(xiàn)纜產(chǎn)生的渦流場(chǎng)幾乎完全被封閉在A(yíng)槽內(nèi),保證了B線(xiàn)槽內(nèi)110 V線(xiàn)纜的電磁兼容安全性,更加保證了C線(xiàn)槽的線(xiàn)纜的安全,但是需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。
鋁制線(xiàn)槽的m1和m2處的磁感應(yīng)強(qiáng)度和無(wú)線(xiàn)槽時(shí)對(duì)比,其磁感應(yīng)干擾強(qiáng)度得到明顯的降低,能夠滿(mǎn)足使用。而使用硅鋼材料設(shè)計(jì)制作的線(xiàn)槽對(duì)比于鋁制線(xiàn)槽實(shí)驗(yàn)起到磁場(chǎng)屏蔽作用更為明顯,在m1和m2處,磁感應(yīng)強(qiáng)度均為0 T。將A、B、C線(xiàn)槽的線(xiàn)纜恰當(dāng)?shù)馗綦x開(kāi),能夠保證A、B、C三類(lèi)線(xiàn)纜的電磁兼容性。使C類(lèi)線(xiàn)纜信號(hào)不受到A、B類(lèi)線(xiàn)纜傳輸電流的干擾,保證了信號(hào)的純凈性,對(duì)于整個(gè)列車(chē)的運(yùn)行起著極為關(guān)鍵的作用。
布局布線(xiàn)技術(shù)是地鐵電磁兼容設(shè)計(jì)中的有效設(shè)計(jì)方法之一,關(guān)系著地鐵列車(chē)整體電磁兼容安全,更是影響著地鐵列車(chē)運(yùn)行的正常與否。本文結(jié)合電磁兼容研究,針對(duì)地鐵實(shí)際情況和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,做的分析和設(shè)計(jì)切實(shí)可行,部分設(shè)計(jì)已經(jīng)被應(yīng)用到了該地鐵車(chē)的制造和生產(chǎn)中。
對(duì)地鐵車(chē)輛上的干擾源設(shè)備、敏感設(shè)備和布局布線(xiàn)技術(shù)做了分析,為電磁兼容工程師對(duì)于檢查和解決兩系統(tǒng)EMC問(wèn)題提供了切入點(diǎn),結(jié)合相應(yīng)的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和以往地鐵布局布線(xiàn),對(duì)地鐵列車(chē)做了EMC分區(qū)和線(xiàn)纜進(jìn)行EMC分類(lèi),制定了地鐵關(guān)鍵位置的布局和布線(xiàn)兩大設(shè)計(jì),以及參與了線(xiàn)槽相關(guān)設(shè)計(jì),采用電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的線(xiàn)槽進(jìn)行有無(wú)線(xiàn)槽和改變線(xiàn)槽材質(zhì)進(jìn)行渦流場(chǎng)的對(duì)比仿真實(shí)驗(yàn),確定了線(xiàn)槽有著磁場(chǎng)屏蔽能力,同時(shí)合理的選材能夠?qū)⑵潆姶牌帘文芰Υ蟠筇岣摺?/p>
本文的EMC布局布線(xiàn)技術(shù)不僅限于對(duì)地鐵的設(shè)計(jì)和分析,還有許多可以改進(jìn)和拓展的分析設(shè)計(jì)。
1)需要將列車(chē)上的關(guān)鍵電氣位置進(jìn)行細(xì)化并對(duì)于各個(gè)位置線(xiàn)纜進(jìn)行更為具體的分析和規(guī)劃,以達(dá)到更高的電磁兼容安全性。
2)除了線(xiàn)槽之外,地鐵列車(chē)上還有許多EMC風(fēng)險(xiǎn)較高的地方,如:機(jī)柜、司控臺(tái)、線(xiàn)管、整車(chē)等地方,將其布置電氣設(shè)備和電纜之后使用電磁仿真軟件對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)碾姶艌?chǎng)的仿真,判斷其周?chē)姶怒h(huán)境的好壞。