城市軌道列車電磁兼容的系統(tǒng)布局設計實現(xiàn)及測試

摘?要：當今我國城市化進程飛快，軌道交通系統(tǒng)愈發(fā)變成解決城市車輛擁堵和公路資源緊張的一劑良藥，其中軌道交通系統(tǒng)的電磁兼容問題是城市軌道列車安全可靠運營的重要保障。為此，本文提出了一套軌道列車電磁兼容系統(tǒng)布局方案，設計給出了軌道列車的電氣設備布局和電氣配線布局。按照車體設備的分布將軌道列車分為車頂、車內(nèi)和車底3個部分，并且進行了電磁兼容分區(qū)布局設計。最后，以上海地鐵6號線作為測試車輛，按照所提布局方案進行了測試，結(jié)果表明，本文所設計的方案可以在復雜城市電磁環(huán)境下大大提高城市軌道列車的電磁兼容性能，達到了預期的設計目標。

關鍵詞：軌道列車;電磁兼容;系統(tǒng)布局設計;電磁兼容分區(qū)設計;測試

中圖分類號：U228.2、U228.3、U284.93、U285.7文獻標識碼：A

Design and Test of Electromagnetic

Compatibility System Layout for Urban Railway Vehicles

Wang Lin

CRRC Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.?JilinChangchun?130113

Abstract：Currently，the urbanization process in China becomes faster and faster，and the railway transportation system has become a good solution to the traffic jam problem of a city.Its electromagnetic compatibility（EMC）design provides an important guarantee for the safe and reliable operation of urban railway vehicles.For this reason，this paper proposes an EMC layout scheme for urban railway vehicles，and designs their electrical device layout and electrical wiring layout.The urban railway vehicles are divided into the roof，the interior and the bottom according to their device distribution，and their corresponding EMC partition layouts are presented.By taking the Shanghai Metro Line 6 as a test vehicle，the layout scheme is tested.The test results show that the proposed scheme can greatly improve the EMC performance of the urban railway vehicles in a complex urban electromagnetic environment and reach the predefined design goals.

Key words：railway vehicles;electromagnetic compatibility（EMC）;system layout design;EMC partition design;test

1 緒論

地鐵作為一種占地少、運輸量大、環(huán)境污染小、安全舒適的出行方式，自1969年北京開通第一條地鐵線路后，便如雨后春筍般出現(xiàn)在中國各大經(jīng)濟發(fā)展較快的城市[1]。而保障地鐵在廠內(nèi)設計符合標準、運行過程中安全無誤，是研究軌道列車的首要任務。城市軌道列車自身設備間的電磁干擾與它對整個城市形成的電磁輻射干擾是影響軌道列車安全運行的重大因素。軌道列車中的電氣電子系統(tǒng)，例如信號發(fā)射系統(tǒng)（包括軌道電路和其他列車探測系統(tǒng)）、列車通行控制系統(tǒng)和鐵道旁控制系統(tǒng)等，它們大部分均采用大功率變頻器、整流器和各種先進的信號控制網(wǎng)絡，這使得軌道列車成為一個在城市中穿行的巨大電磁干擾源。因此，在軌道列車內(nèi)部各設備之間、軌道列車與鐵路基礎設施之間、軌道列車與外部環(huán)境之間均會產(chǎn)生電磁干擾現(xiàn)象[2]。

文獻[3]研究了高速動車組的關鍵技術，為高速動車組的電磁兼容設計提供了理論依據(jù)，對軌道列車的電磁兼容設計問題也有一定啟發(fā)。文獻[4]利用數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining，簡稱DM）的方法對高速列車電磁發(fā)射測量數(shù)據(jù)進行了分析，能夠預測設備電磁兼容數(shù)據(jù)，從而給出了抗電磁干擾所要考慮的重點設備對象。文獻[5]通過Solidworks建模、仿真設計了一套基于高頻結(jié)構(gòu)仿真（High Frequency Structure Simulator，簡稱HFSS）的布線方案，為電氣配線設計問題提供了思路。文獻[6]研究了地鐵站內(nèi)電磁兼容問題，提出了一套強、弱電系統(tǒng)同址共建時確定最小間距的方法，合理規(guī)劃了機電設備布局，與本文提出的軌道列車電磁兼容布局設計方案配合起來實現(xiàn)，可以更有效地提高軌道交通系統(tǒng)的電磁兼容性能。

軌道列車的電磁兼容性問題要從3個方面來分析，即干擾源、電磁干擾傳播途徑以及敏感設備。軌道交通車輛需要面對的電磁環(huán)境干擾源分為列車干擾源和軌道系統(tǒng)干擾源。首先，列車干擾源包括列車底部牽引系統(tǒng)中的牽引電機、高速斷路器、主開關箱、交流調(diào)壓變頻（Variable Voltage and Variable Frequency，簡稱VVVF）、主逆變器、濾波電抗器等，以及輔助系統(tǒng)中的輔助逆變器、變壓器、母線斷路器等。其次，軌道系統(tǒng)干擾源包括接觸網(wǎng)供電、信號系統(tǒng)的軌道設備等。軌道系統(tǒng)敏感類設備包括輔助系統(tǒng)、照明、空調(diào)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、列車控制系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、車載信號系統(tǒng)。

一旦軌道車輛內(nèi)部受到電磁干擾，輕則使車內(nèi)視頻系統(tǒng)出現(xiàn)花屏、抖動，或者影響車內(nèi)乘客的手機等無線通信設備的通信質(zhì)量，重則使信號指令發(fā)出錯誤提示，從而誘發(fā)安全事故。正是由于軌道列車的電磁兼容性會嚴重影響軌道列車的安全性和可靠性，全面可靠的軌道列車電磁兼容設計方案才顯得尤為重要。

本文首先從整體出發(fā)提出一套軌道列車電磁兼容系統(tǒng)布局方案。其次，由于車體不同部位集中的設備不同，將列車分為車頂、車底、車內(nèi)3個部分，并且分別進行電磁兼容分區(qū)布局設計。最后，從布局方案出發(fā)，設計了一套測試軌道列車電磁兼容性能是否符合標準的試驗方案，并以上海地鐵6號線作為測試車輛進行了實地運行測試。

2 軌道列車電磁兼容的系統(tǒng)總體布局設計

軌道列車電磁兼容總體布局方案由車輛整體設計結(jié)構(gòu)、車輛運行環(huán)境、性能要求、維護檢修等因素決定，這涉及多方面系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、配合。在電磁兼容方案設計之前做一定的電磁評估非常必要，尤其要考慮電器配線的布置和線束的設計，這與車體、管線結(jié)構(gòu)布置、內(nèi)裝結(jié)構(gòu)、電器設備接口設計等密切相關。因此，在設計過程中，需要從多種角度綜合考慮，確保軌道客車電磁兼容系統(tǒng)布局達到最優(yōu)。

從構(gòu)成結(jié)構(gòu)上來看，軌道列車主要由兩大部分組成，即發(fā)揮各種作用的設備與連接各設備間的線纜。因此，軌道列車內(nèi)部的設備總體布局與電氣配線總體布局是列車電磁兼容系統(tǒng)布局方案的基礎，同時也是各子系統(tǒng)電磁兼容設計方案的原則。

2.1 電氣設備的總體布局設計

電氣設備總體布置應使整個系統(tǒng)集中、緊湊。具體布局方案為：

第一，充分考慮車型特點，將車頂、車內(nèi)、車底區(qū)域進行模塊化分區(qū)，把功能類似的設備組合在一起。例如，將主回路的主要設備、大型設備、噪聲振動大的電氣部件盡量布置于車下或隔離起來;對于功能性或舒適性的電氣設備，如配電盤、水和衛(wèi)生系統(tǒng)的布置多設于車輛的兩端，便于檢修維護及旅客的使用;乘客信息系統(tǒng)（PIS）、廣播影視系統(tǒng)，以及常用的開關按鈕等應安放在方便而明顯的位置。

第二，重點設計走線路徑。第一方面，應設置專用的線槽、線管及走線支架，除特殊設計結(jié)構(gòu)要求外，在線纜通過區(qū)域盡量避免存在焊渣、鉚接、螺釘?shù)?，否則會有傷線隱患。第二方面，根據(jù)布線及安裝區(qū)域，在結(jié)構(gòu)圖紙中提出或標識配線的防護區(qū)域（工藝分析中制定相應的防護措施）。第三方面，在結(jié)構(gòu)組裝或部件圖紙中，提出線纜通過的結(jié)構(gòu)和配件表面需進行剔除材料的突起、棱角、拐角等圓滑作業(yè)的技術要求。走線路徑的設計都是為了避免各設備之間線纜連接出現(xiàn)雜亂無章，或者出現(xiàn)裸線外露的情況，這些情況為不必要的電磁干擾提供了存在條件，所以設計時必須嚴格按照方案執(zhí)行。

第三，電氣接線連接方式的設計。在規(guī)劃和解決電氣設備之間、電氣分線箱之間以及電氣分線箱與被控制裝置之間的連線方式時，還應充分考慮3個原則：

（1）采用接線端子連接時，按電流大小及進出線數(shù)選用不同規(guī)格的接線端子，盡量規(guī)范控制和減少接線端子的型號;

（2）電氣柜（箱）和控制箱之間以及它們與被控制設備之間，采用接線端子排或工業(yè)連接器連接，便于車輛組裝完成后線路的校對和耐壓試驗;

（3）對于接線端子和連接器的選型，在滿足設計各項技術性能的前提下，應考慮各項目車型配件的互換性。

2.2 電氣配線的總體布局設計

軌道列車中不同電壓等級的電纜產(chǎn)生的電場效應會成為整個系統(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，電氣配線設計方案應該遵循自頂向下、模塊設計的原則，即按照功能分隔首先進行布線設計，將各個設備的布線接口設計完成之后，各設備再按其原則進行布局設計。具體布局設計原則如下：

（1）行車安全設備線、控制用導線以及電臺線采用預布線形式，車下預布線完成后吊裝上車即可。導線位于車體兩側(cè)頂上的布線槽內(nèi)，布線槽使用鋁質(zhì)并用編織線連接各布線槽，布線槽應就近多點接地。

（2）牽引電機作為軌道列車電氣設備中最重要的一個，其線纜的電磁兼容設計非常重要[7]。牽引電機線和輔助電路導線也采用預布線形式，導線位于中間走廊地板下方。輔助電路導線應盡量遠離牽引電機線，并且采用金屬保護對其進行電磁屏蔽防護。

（3）各設備的金屬外殼必須通過編織線就近接地，接地線要涂抹電接觸油脂以保證接地良好性。

（4）燈線布置于頂蓋下方，必須與控制線分開布置。

（5）進入司機室的控制線同樣走預布線形式，從車體左側(cè)頂進入司機室;進入司機室的輔助電路線從中間走廊地板下方進入司機室。

上述方案將軌道列車的主要線纜進行了科學合理布置、安排，同時，導線自身的電磁防護措施必不可少。接下來本文將從軌道列車電磁耦合的主要方式入手，設計抑制導線間電磁干擾的方案。

軌道列車中電磁耦合的方式主要為非傳導耦合，即電場耦合、磁場耦合、電場磁場混合耦合。根據(jù)3種耦合方式的特點，分別設計如下抑制方法：

（1）抑制電場耦合方法：降低導線間的分布電容（可通過加大導線間距離、縮短導線長度或增加接地平面來實現(xiàn)）;對導線使用屏蔽層。

（2）抑制磁場耦合方法：減小回路間的互感（使導線盡可能接近地平面和使磁場方向互相垂直）;對導線使用屏蔽層。

（3）抑制混合耦合方法：加屏蔽層;接地。

3 軌道列車電磁兼容的分區(qū)布局設計

為了確保軌道車輛布局設計能夠達到電磁兼容要求，必須從電磁兼容的三要素為出發(fā)點。首先，有必要控制干擾源的發(fā)射;其次，從電磁干擾傳播途徑的角度來說，應該在耦合環(huán)節(jié)增加耦合阻抗;最后，應采取措施來提高敏感設備的抗干擾能力。

完成這3個環(huán)節(jié)中任何一個都可以使電磁兼容問題中“電磁干擾源——耦合路徑——敏感部件”這一閉合回路中斷，而在此之前將軌道列車進行分區(qū)是重中之重。原因在于，軌道車輛有限的空間內(nèi)不但集中了高壓、高頻、大功率的干擾源設備，而且分布有許多高靈敏度且易受干擾的敏感設備，各種設備都有可能成為彼此的干擾源或敏感設備，對軌道列車進行分區(qū)可以減少大部分電磁干擾。

基于此，本文將軌道車輛分為3個部分：主要集中受電弓接觸網(wǎng)高壓供電干擾源的車頂;主要集中通信系統(tǒng)與乘客信息、列車控制系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、車載信號系統(tǒng)設備主機等敏感設備的車內(nèi);主要集中牽引電機、高速斷路器、主開關箱等系統(tǒng)干擾源的車底。下面將從這3個部分分別進行設計。

3.1 車頂布局設計

軌道列車車頂集中了一些高壓設備，這些設備在滿足列車電氣性能的基礎上，需要在電磁屏蔽性能以及絕緣性能上留有一定的裕度[8]，以防這些大型設備暴露在車頂上受到風、沙、雨、雪等惡劣自然條件的侵蝕。車頂設備布局方案如圖1所示。

（1）受電弓：是軌道列車從接觸網(wǎng)獲取電能的器件，安裝于列車車頂。受電弓升弓時，壓縮空氣，受電弓的滑板與接觸網(wǎng)接觸，從而將25kV單相交流電從接觸網(wǎng)引入列車;受電弓降弓時，排出壓縮空氣，使受電弓落下[9]。在電磁兼容設計時，主要考慮受電弓作為電源輸入端的電磁防護與弓網(wǎng)電弧引起的過電壓，需要布置在靠近車頭的位置。

（2）避雷器：用來保護列車上的電氣系統(tǒng)，防止閃電過壓、操作過壓通過接觸線進入列車而對列車造成損壞。布置在各個受電弓后側(cè)較近的位置。

（3）主斷路器：作為軌道列車電力的總開關和總保護，當列車發(fā)生嚴重故障時可以迅速切斷列車的總電源從而保護列車。主斷路器由高低壓部分的結(jié)合，需要采取適當?shù)碾姶牌帘未胧⑶野才旁诮咏茈姽奈恢谩?/p>

（4）高壓電壓互感器：檢測接觸網(wǎng)電壓之后，將電壓信號提供給列車的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，以便相應系統(tǒng)進行控制與保護。此部件應該布置在受電弓與主斷路器之間，通常為最靠近受電弓的裝置。

（5）高壓電流互感器：同高壓電壓互感器作用類似，唯一不同之處是它所傳輸?shù)男盘枮殡娏餍盘枴?/p>

（6）接地開關：在檢修維護是保證列車安全接地，安裝在主斷路器旁，與其配合使用。

（7）高壓隔離開關：當兩節(jié)軌道車相連時，用于自動連接兩節(jié)列車車頂?shù)母邏簜?cè)電路，一般安裝在列車尾部車頂。

3.2 車底布局設計

軌道列車車底電磁兼容布局應遵循配線與電氣設備緊密結(jié)合，電路、重量平衡計算與車輛界限合理結(jié)合的原則，在可控的范圍內(nèi)盡最大努力減小設備和線纜的電磁輻射是電磁兼容設計所要追求的目標。具體設計過程中，首先，合理使用電線槽進行布線，不僅節(jié)約有限的車底空間、減少電線管路數(shù)量，而且可以方便電磁兼容的規(guī)范化設計和電磁輻射計算。同時，從整體角度出發(fā)，將各電氣設備與線纜高效有機結(jié)合起來，從而提高電磁兼容性能。此外，為了保障軌道列車安全性和可靠性，在設計布局時，安全、防火、檢修、耐寒等因素也要充分考慮。

3.2.1 車底設備布局設計

軌道列車車底成為干擾源的大型設備比較多，所以車底設備配置得當不僅可以滿足電磁兼容要求，同時也使軌道車輛整體布局合理。車底設備布局的設計原則是：

（1）總重量以及外形較大的設備首先要滿足重量平衡需求，其次按照電氣原理和電磁兼容標準以及接線順序依次布置。

（2）對于需要通風冷卻的設備，例如，制動電阻、電機、逆變器等，必須為其保證充足的空間，以免讓其他設備阻擋其通風通道[10]，同時避免產(chǎn)生意外的電磁干擾。

（3）具有向外噴弧功能的設備，例如母線高速斷路器，為防止其對其他設備產(chǎn)生電磁干擾，應將噴弧方向面對車輛外側(cè)。

（4）發(fā)熱設備要遵循遠離熱敏感設備，鄰近受熱不敏感設備的原則，在必要時需要加隔熱裝置，避免熱量傳到客室中，也避免熱量使其上方的電線電纜加速老化，甚至出現(xiàn)裸露線纜，從而產(chǎn)生意外的電磁干擾。

基于這些原則，車底主要設備布局設計如圖2所示。

具體設計思路是：主逆變器安置在車底最中間的位置，以便為各牽引機提供高壓。輔助逆變器安排在車頭與車尾部分，通過高壓隔離開關為輔助系統(tǒng)供電，它的位置主要由高壓隔離開關的作用與位置決定。牽引風機和壓縮機均屬于列車上的輔助電機，壓縮機為機車提供風源，牽引風機對整流裝置、平波電抗器和牽引電機強迫冷卻，需要在車底多處布置，以降低車底電子設備因溫度過高而損壞的風險。冷卻塔作為空調(diào)系統(tǒng)中冷卻降溫、排氣的設備，需要避免處于高溫環(huán)境中，因此，將冷卻塔布置在牽引風機周圍。這些設備按照其功能與電磁兼容性分布在車底不同位置，同時輔以不同的電磁屏蔽方式來提高軌道列車電磁兼容性能。

3.2.2 車底電纜布局設計

軌道列車車底配線載體主要分為電線槽、電線管以及分線箱3類。

電線槽的布局設計方案如下：

（1）目前電線槽的材質(zhì)分為鋁質(zhì)和鋼質(zhì)。兩種電線槽各有優(yōu)缺點，對于鋁質(zhì)電線槽來說，它的平直度較好，但不易成彎曲形狀，一般使用在車底有較大空間的情況下;鋼質(zhì)電線槽相比于鋁質(zhì)的更容易成彎曲形狀，一般與車底電氣設備共用一個空間，而且還需要對其他電氣設備進行適當躲避的情況下使用。在電磁兼容性方面，鋁質(zhì)電線槽磁場屏蔽效果更好，因此，本文電線槽選擇鋁質(zhì)電線槽。

（2）如果電線槽內(nèi)部鋪設的電線電纜存在不同電壓等級夾雜、直流交流夾雜的情況，對電線槽內(nèi)部分區(qū)是必然的。為了保證各子系統(tǒng)間的穩(wěn)定工作，需將不同性質(zhì)的電纜隔離。

（3）在預留設備的檢修空間等這些特殊情況下，在保證基本截面的基礎上對電線槽截面進行變形處理。

電線管的布局設計方案如下：

（1）與電線槽類似，電線管的材質(zhì)一般分為鋼質(zhì)和鋁質(zhì)兩種。大多數(shù)軌道列車采用內(nèi)覆塑的鋁管，以減輕車身重量，減少電線管變形、增強屏蔽效果。

（2）電線管需要接近與電線管所鋪設的電線電纜有關的設備，并且按照各設備之間連接與否的原則進行選擇電線管的相對位置，從而更好地完成外部接口的連接，避免因連接不當而造成的電磁干擾。

（3）電線管的分布在整體上與制動管路之間有明顯的區(qū)域劃分，保證兩者之間最低的線路耦合程度;在兩者的共用區(qū)域內(nèi)要嚴格保證彼此不發(fā)生干涉。

分線箱的布局設計方案如下：

（1）與電線管類似，分線箱也分為鋼質(zhì)和鋁質(zhì)兩種，軌道列車中一般選擇鋁質(zhì)分線箱，因為鋁質(zhì)分線箱可以更好地減弱電線電纜對系統(tǒng)的電磁干擾。

（2）分線箱的尺寸根據(jù)實際情況來定，主要考慮因素為通過分線箱的電線電纜數(shù)量、分線箱與其他設備外部接口的高度差距、設置分線箱處的空間大小、分線箱是否與周圍電氣設備產(chǎn)生干涉以及分線箱蓋的檢修空間等。

（3）從外形上來看，根據(jù)實際情況的變化，分線箱可以在標準長方體的基礎上進行局部加寬、局部變窄、局部直邊變彎邊等。

3.2.3 車底接口布局設計

軌道列車系統(tǒng)集成了牽引、制動、輔助供電等多個電氣系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都需要在車底安裝支持其功能的設備，車底各個系統(tǒng)設備之間存在相互影響、復雜的電磁干擾，明確軌道列車車底接口布局設計對提高軌道列車電磁兼容性能十分重要。對于軌道列車車底的接口布局方案如下：

（1）基于不同實際情況，車下電氣設備的外部接口可以選用裸線式、接頭式、夾板式、連接式中的某一種。

（2）各設備的保護接地是重中之重。車下的電氣設備和電線槽、電線管及分線箱采用金屬外殼時，都要進行保護接地處理;匯流箱、配電盤、低壓回路分線箱等電氣設備都需考慮接地保護。

（3）設備與線路的隔離同樣可以減小電磁干擾。對于距離較近的設備或線路，需要考慮它們之間的信號耦合或信號干擾，必要時對其使用隔離器;對于噪聲較大的設備，使用噪聲隔離器減小噪聲干擾;對于高壓回路，需保證線路間的絕緣性和安全距離。

（4）考慮接口的防火保護和耐熱耐寒防護，以避免接口和相關設備在極端氣候或不當操作下出現(xiàn)老化和損壞，進而對其電磁兼容性能造成影響。

3.3 車內(nèi)布局設計

在軌道列車系統(tǒng)中，絕大部分控制元器件都集中安裝在電氣柜里，電氣柜儼然成為軌道列車的控制樞紐。因此，軌道車輛車內(nèi)電磁兼容系統(tǒng)布局主要體現(xiàn)在車輛電氣柜的布置，對其進行合理的電磁兼容分析、找到切實可行的電磁兼容措施、方法對保證各系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作具有重大意義。

電氣柜中安裝了各系統(tǒng)主機及其控制單元，主要包括廣播主機、PIS播放主機、網(wǎng)絡系統(tǒng)主機、煙火報警主機和監(jiān)控主機，如圖3所示。只有根據(jù)它們的工作原理、工作頻率做出合理的屏蔽層設計和接地處理設計，才能滿足軌道列車電磁兼容標準。而在此之前，了解線纜的屏蔽、接地設計理論對軌道列車電磁兼容設計至關重要。

線纜的屏蔽就是在線纜外圍包裹一層屏蔽金屬網(wǎng)，其中有一小部分的電磁能通過金屬屏蔽體內(nèi)部渦流損耗轉(zhuǎn)化成熱能，而絕大部分電磁能通過屏蔽體的接地點將其感生電流引入大地。因此，線纜的屏蔽必須與接地配合才能起到屏蔽的作用。

根據(jù)信號頻率的不同，屏蔽層接地的方式也有所不同，對于高頻率信號必須雙端接地才能對電場產(chǎn)生屏蔽，而對于低頻率信號只需單端接地便可達到目的。信號頻率處于低頻范圍（即f<1MHz）時，線纜兩端全部接地將會形成地環(huán)流，并且在屏蔽層形成磁場，線纜之間會產(chǎn)生噪聲干擾;當信號為高頻（f>1MHz）信號時，屏蔽電纜的阻抗無法忽略，如果只有單端接地，那么噪聲電流容易在屏蔽層上產(chǎn)生壓降使各點電位不同，從而影響屏蔽效果。

下面分別介紹各主機的電磁兼容設計。

3.3.1 廣播主機

廣播主機作為軌道列車內(nèi)部傳遞語音信號的重要設備，它在讀取報站信息或列車運行狀態(tài)信息之后通過廣播總站輸出報站。

廣播主機利用本地操作網(wǎng)絡（Local Operating Network，簡稱LON）數(shù)據(jù)總線和廣播音頻總線與其他主設備連接，通過RS485數(shù)據(jù)總線和音頻總線連接與系統(tǒng)內(nèi)部輔助設備連接，通過多功能車輛總線（Multifunction Vehicle Bus，簡稱MVB）、RS485、RS232、標準音頻等總線與系統(tǒng)外部設備連接。廣播主機內(nèi)部、外部音頻總線與數(shù)據(jù)總線均采用屏蔽絞線以抵抗電磁干擾。廣播主機數(shù)據(jù)總線傳輸形式為差分信號傳輸，因此，數(shù)據(jù)總線必須雙端接地;音頻總線傳輸形式為模擬電平傳輸，可根據(jù)設備安裝現(xiàn)場情況考慮單端接地。

3.3.2 PIS播放主機

PIS播放主機主要用來為乘客提供一些乘車信息、列車電視廣告以及緊急事故信息，它通過VGA接口、RJ45接口、RS232接口、RS485接口、標準音頻接口、航空插頭等接口與外部設備相連，進而實現(xiàn)通信顯示功能。PIS播放主機的內(nèi)、外部線纜均采用屏蔽絞線，且均為單股多芯線;PIS播放系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)為數(shù)字信號傳輸，所以各設備機箱采用單端接地。

3.3.3 網(wǎng)絡系統(tǒng)主機

網(wǎng)絡系統(tǒng)主機包括中央控制單元（CCU）、遠程輸入輸出單元（RIOM）、485/MVB網(wǎng)關、數(shù)據(jù)記錄儀（ERM）4個主要模塊，其功能及線纜電磁兼容設計如下：

（1）CCU是列車網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)的總線管理主機，起總線管理、過程數(shù)據(jù)收發(fā)、消息數(shù)據(jù)收發(fā)和總線狀態(tài)監(jiān)視的作用。更重要的是，CCU負責整個軌道列車的系統(tǒng)控制以及監(jiān)控和保護，完成一系列控制邏輯和故障診斷的工作。其外部電源線纜采用單股多芯線。

（2）RIOM首先采集列車中的數(shù)字信號和模擬信號，然后將采集到的信號傳輸?shù)組VB網(wǎng)絡上。其外部電源線采用單股多芯線。

（3）485/MVB連接MVB設備與RS485設備，并且接收它們的數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)關處理后再發(fā)送給MVB設備和RS485設備。經(jīng)過這樣的步驟完成了MVB設備與RS485設備之間的數(shù)據(jù)交互。其中外部RS485總線線纜采用屏蔽三芯線，外部電源線纜采用單股多芯線。

（4）ERM通過MVB總線獲得列車上各種設備的狀態(tài)信息并將其記錄下來。ERM外部電源線纜采用單股多芯線。

其中，MVB總線、RS485總線和控制局域網(wǎng)絡（Controller Area Network，簡稱CAN）總線傳輸?shù)木鶠椴罘中盘?，因此這3類線纜必須雙端接地。

3.3.4 煙火報警主機

煙火報警主機將探測器中感知到的煙霧傳感信號放大、濾波和去干擾處理后進行煙火報警，并通過CAN總線或RS485總線傳輸報警數(shù)據(jù)。煙火報警器采用低通濾波器、浪涌抑制器件、電瞬變抑制器件、輻射電磁場及傳導騷擾抑制器件將很多干擾信號抑制于設備之外，同時采用濾波電容和光電隔離技術減小外部干擾和機間干擾。

3.3.5 監(jiān)控主機

監(jiān)控主機顯示和存儲列車司機室、客室攝像機采集的視頻數(shù)據(jù)，同時會響應監(jiān)控中心的指令，將實時監(jiān)控錄像上傳到監(jiān)控中心。監(jiān)控主機內(nèi)、外部線纜均采用屏蔽絞線、單股多芯線。其數(shù)據(jù)傳輸形式為數(shù)字信號，因此，各設備機箱采用單端接地。

4 電磁兼容測試方案及測試結(jié)果

本文選擇上海地鐵6號線進行測試，由此判斷所提電磁兼容系統(tǒng)布局方案的有效性和可靠性。

4.1 車輛內(nèi)部抗干擾試驗

車輛內(nèi)部抗干擾實驗是為了檢驗軌道列車內(nèi)部的電子設備以及系統(tǒng)間的電磁兼容性，更加明確列車內(nèi)部各個子系統(tǒng)間的電磁兼容性能，設置了3個項目分別測試，相關試驗和測試結(jié)果如表1所示。

由測驗結(jié)果可知，軌道列車內(nèi)部各電子設備之間的干擾度均在標準范圍之內(nèi)，并沒有引起電子設備之間的電磁干擾而影響整個車輛的安全運行。

4.2 車體磁場強度試驗

車體磁場強度試驗主要是測試出廠的列車車體磁場強度分布情況及磁場發(fā)射強度是否滿足相關標準和業(yè)主方合同的要求。

測試方法：如圖4所示，車體磁場強度試驗中，受電弓與車底高壓設備箱之間有高壓線纜，在線纜里通大小為200A、頻率為50Hz的額定工作電流;首先，在高壓線纜的不同位置測試其產(chǎn)生的磁場強度，4個測試點分別在特高壓線纜車頂板下方位置、側(cè)墻特壓線纜防磁板最上方、防磁板中心位置以及車下特高壓線纜處;其次，在受電弓下部車廂內(nèi)布置5個測試點，分別測試距離測點30cm、90cm、150cm處的電磁感應強度最大值。

最大制動力減速1）觀察列車電子控制電路制動控制單元（BCU）、牽引/輔助/蓄電池單元，、門控單元（DCU）、暖通系統(tǒng)（HVAC）、PIS、列車中CCU;

2）從事件記錄器中讀取信息。各電子控制電路按照其相應規(guī)范運行，在故障診斷電路的事件記錄器里無重要報錯。

最大制動力減速1）觀察主逆變器電子控制電路、輔助逆變器電子控制電路;

2）從事件記錄器中讀取信息。各牽引逆變器和輔助逆變器按照相應規(guī)范運行，在事件記錄器里無重要報錯。

最大制動力減速1）開啟、關閉主輔電路里的開關、繼電器和接觸器;

2）從事件記錄器中讀取數(shù)據(jù)信息。在事件記錄器里無重要報錯。

測試結(jié)果如表2所示。從表中可以看出，距離測點30cm處的磁感應強度均超過100μT（1GS=100μT），距離干擾源越遠，其電磁感應強度越小。因此，如果乘客長時間暴露在距干擾源30cm處，可能導致身體不適;同時，會對乘客攜帶的電子設備產(chǎn)生強烈干擾。而在設有防磁板的位置，其磁場強度比不設防磁板的測試點減小了40%左右，因此，防磁板具有一定的隔磁效果。綜上所述，在受電弓正下方車頂板需加設厚度不同的不銹鋼防磁板，并且在受電弓正下方不得設客座。除此之外，其余測試點處的磁感應強度全部達到軌道列車的磁場強度標準。

4.3 抗擾度測試

4.3.1 傳導抗擾度試驗

試驗目的：測試軌道列車與軌道旁基礎設施的電磁兼容性能，從定量的角度來說，列車運行過程中，其在特定頻點處產(chǎn)生的諧波電流是否超過了限值。

測試車輛狀態(tài)：開啟所有可能影響干擾電流的車載設備，包括但不限于輔助交流器模塊（ACM）、蓄電池充電器（BC）、空調(diào)機組（ACU）、列車及車廂內(nèi)照明設備。

車輛運行工況：持續(xù)高速、間歇高速、模擬運營。

試驗設備：電流探頭、數(shù)據(jù)采集卡、采集信號計算機。

4.3.2 輻射抗擾度試驗

試驗目的：經(jīng)過整車電磁輻射發(fā)射測試檢驗列車輻射發(fā)射是否滿足兼容性要求。

測試車輛狀態(tài)：

（1）靜止狀態(tài)：牽引電路上電、但不工作，輔助變流器保持工作狀態(tài)，車輛上所有能夠產(chǎn)生輻射發(fā)射的電氣系統(tǒng)均開啟。

（2）慢行狀態(tài)：車輛電氣系統(tǒng)工作狀態(tài)與靜止狀態(tài)完全相同，經(jīng)過天線時以1/3最大牽引力加速或減速。

試驗環(huán)境：

（1）為了將天氣狀況對測量值的影響降到最低，測試時的天氣狀況應該為：溫度不低于5℃，風速不超過10m/s，濕度保持在不在供電電源上產(chǎn)生凝結(jié)。

（2）環(huán)境噪聲：如圖5所示，測試點附近10m范圍內(nèi)避免有樹木、圍墻、橋梁或者隧道等，同時附近不應該有變電站、變壓器等。在同一供電段20m之內(nèi)不能行駛其他軌道列車。

4.3.3 抗擾度試驗測試結(jié)果

根據(jù)測試方案進行試驗之后，軌道列車傳導抗擾度和輻射抗擾度均在參考值范圍之內(nèi)，具體見表3。換言之，本文所設計的軌道列車電磁兼容系統(tǒng)布局方案完全滿足了電磁兼容要求。

5 結(jié)論

本文設計了一套軌道列車電磁兼容的系統(tǒng)布局方案，并在上海地鐵6號線上進行了測試，測試結(jié)果表明，所設計的系統(tǒng)布局方案完全符合軌道列車的電磁兼容要求。首先，從整體出發(fā)設計了整車的設備布局方案，以及電氣設備和配線布局方案;其次，按照設備集中情況的差異，將軌道列車分區(qū)為3個部分，在車頂、車內(nèi)、車底分別設計了區(qū)域電磁兼容布局方案。所提方案可以在軌道列車運營之前最大程度降低電磁干擾的風險，為城市軌道列車運行的安全性和可靠性提供了有利的保障。

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃項目（2016YFB1200100）;軌道車輛電磁兼容仿真數(shù)據(jù)庫開發(fā)項目（BUAAZCCCFZDD20191）

作者簡介：王琳（1985—），女，吉林四平人，畢業(yè)于華東交通大學，主修電子信息工程專業(yè)，輔修軌道信號專業(yè)，現(xiàn)為中車長春軌道客車股份有限公司電磁兼容工程師，研究方向為車輛電磁兼容，現(xiàn)主要負責美國波士頓、洛杉磯地鐵項目、香港沙中線項目等多個海內(nèi)外項目車輛電磁兼容投標、設計及試驗工作。