廣州地鐵13號線首期工程車輛電磁兼容設(shè)計

何紅 尹智勇 趙春燕

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

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電子設(shè)備之間，因此城市軌道交通車輛的設(shè)計應(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、無線通信、PIDS系統(tǒng)）不會對車輛設(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）對人體、乘客攜帶的移動電子設(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)標準。

二、電磁兼容設(shè)計要素

電磁干擾設(shè)計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行優(yōu)化。

三、車輛電磁兼容設(shè)計主要措施

（一）布線設(shè)計

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，實際車輛設(shè)計中，因為線纜數(shù)量多、種類復(fù)雜，同時可能以較大的長度穿過電磁干擾復(fù)雜的區(qū)域，所以不同種類的線纜應(yīng)分門別類單獨鋪設(shè)以提高電磁兼容能力。

廣州地鐵13號線首期工程車輛所用線纜分為6類，包括系電池參考電纜、敏感的信號線纜、高壓動力線纜、輔助交流線纜等。不同的線纜應(yīng)盡可能獨立布線。如若在實際安裝中難以實現(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)通過專用連接器與接口連接。

（二）屏蔽設(shè)計

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

-線纜屏蔽需進行良好接地。

-屏蔽線與端口需360度端接，不能使用引線/插針法端接。

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

-對低頻磁場屏蔽的鋁板等應(yīng)充分考量實際效果。

（三）接地設(shè)計

接地分為以下幾種類型：

1）保護地（安全接地）

此類接地主要功能為人身安全的保護，防止直接或間接的觸電事故，涉及到各類結(jié)構(gòu)器件，此時應(yīng)盡可能地以大的面積接地以達到低阻抗的目的。設(shè)計中此阻抗的大小會決定噪聲等電流流過此處不會產(chǎn)生大的電壓，從而保證人的安全以及因為此電壓而造成的共模干擾。

2）功能地（工作地）

此類接地是整個車輛系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行的必要條件，一方面為正常電路提供回路，同時作為參考的基準電路。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。不同的接地點如果電位一致則按照雙點或多點接地的原則，如果不一致則按照單點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外的干擾，同時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，它將會對其周圍環(huán)境中的敏感原件產(chǎn)生影響。假設(shè)某一時刻設(shè)備箱體內(nèi)出現(xiàn)一個等效的帶正電的導(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)體等量的負電荷，外側(cè)則會出現(xiàn)帶電體等量的正電荷，此時外側(cè)將有電場產(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，此時外部的感生電場消失，即帶正電導(dǎo)體的電場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線外包裹一層屏蔽金屬網(wǎng)，其中小部分電磁能通過屏蔽體內(nèi)部渦流損耗轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，而大部分則通過屏蔽體的接地點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)信號頻率的不同，屏蔽層的接地方式有所不同。

頻率較低時，電纜屏蔽層只需單端接地。頻率較高時（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

廣州地鐵13號線首期工程車輛在動態(tài)調(diào)試階段完成了電磁兼容試驗，試驗項目包括整車輻射發(fā)射試驗、車內(nèi)磁場試驗、屏蔽效能試驗、靜電放電試驗、輻射抗撓度試驗等等，各項試驗根據(jù)相關(guān)標準的試驗方法及判斷準則進行試驗，試驗結(jié)果均符合標準要求，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：

[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：機車車輛 列車和整車[S]