地鐵列車布局布線EMC技術(shù)研究

陳娟，潘倍強

（1.中車株洲電力機車有限公司，株洲 412001；2.重載快捷大功率電力機車全國重點實驗室，株洲 412001）

引言

隨著城市化水平不斷提高，作為承載旅客運輸任務(wù)的城市地鐵是一個能夠?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。

國內(nèi)城市軌道行業(yè)發(fā)展勢頭強盛，智能、自動控制的城市軌道車輛成為現(xiàn)代地鐵的標(biāo)準配置，新興技術(shù)與新式設(shè)備越來越多得出現(xiàn)在新型地鐵上，用以滿足更安全、更快速、更便捷、更人性化的需求。由不同廠家提供的各種系統(tǒng)、電子設(shè)備和多種多樣的供電以及信號傳輸線纜安裝、敷設(shè)在地鐵列車如此狹小的空間內(nèi)，使得地鐵列車電磁環(huán)境更為復(fù)雜，其電磁惡劣程度不容樂觀。若是沒有采取適當(dāng)、合理的電磁兼容處理措施，極易產(chǎn)生相互干擾，進而會引起極為嚴重的EMC問題。

當(dāng)忽視電磁兼容方面的考慮或是處理措施不當(dāng)時會產(chǎn)生電磁干擾，電壓或是電流產(chǎn)生的電磁場會通過各種途徑傳到受干擾對象，造成受干擾對象性能下降或是受干擾對象損壞等不良后果，電磁干擾主要有以下危害：

1）對電子系統(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)致整個系統(tǒng)的故障甚至崩潰，進而使得整個產(chǎn)品的故障或是損害，產(chǎn)生無法預(yù)計的后果。地鐵信號系統(tǒng)為整個地鐵列車的極其關(guān)鍵的系統(tǒng)，容易受到各種有線或是無線信號的干擾，若是受到過強的電磁干擾，會使得地鐵列車出現(xiàn)如故障制動、非正常啟動等不正常情況。

2）對電子類設(shè)備損害

電子設(shè)備特別是靈敏的電子設(shè)備受到過強的電磁干擾極容易出現(xiàn)過大的感應(yīng)電壓導(dǎo)致設(shè)備發(fā)生故障、失效甚至損害的后果。電磁干擾也會使得電子設(shè)備出現(xiàn)功率損耗增加，發(fā)熱嚴重，電子設(shè)備壽命降低等問題。例如，地鐵列車上若是有過高的電磁干擾，可能會導(dǎo)致乘客心臟起搏器的損害，影響乘客的安全。

1 國內(nèi)外電磁兼容的發(fā)展

1.1 國際電磁兼容發(fā)展

十九世紀初期，人類開始研究電磁干擾現(xiàn)象。在1881年，科學(xué)家Heaviside發(fā)表了“論干擾”一文，電磁學(xué)開始被科學(xué)家重視、研究。電磁兼容也就是以此時電磁干擾為基礎(chǔ)開始發(fā)展，開始被科學(xué)界正式研究[1]。

在十九世紀末期，科學(xué)家通過進行電磁實驗使電磁波具象化，證明了電磁場是客觀存在的物質(zhì)。英國開始把EMI問題的研究轉(zhuǎn)向生產(chǎn)過程。截止到二十世紀三十年代，EMI的研究才普遍被國際重視，國際電工技術(shù)委員會正式提出電磁兼容問題。到四十年代，由一起電磁兼容問題引起的惡劣事故，國際無線電工干擾特別委員會召開電磁干擾及預(yù)防控制會議，使得全世界開始詳細研究電磁兼容，德國更是搶先一步，制定了第一個電磁兼容性標(biāo)準VDE-0878[2]。

隨后包括計算機、通信、運輸?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)對于自己的電磁兼容要求更為具體和詳細。這使得電磁兼容開始急劇擴張，由專門的組織和機構(gòu)根據(jù)各行業(yè)的電磁兼容需求，制定一系列專用于本行業(yè)設(shè)備和產(chǎn)品的EMC的標(biāo)準和規(guī)范。2000年，EU制定了針對機車車輛的EN50121-2000[3]。以此規(guī)范軌道產(chǎn)品的電磁兼容性，為軌道產(chǎn)品提供在實際電磁環(huán)境中能夠正常工作，且不會對外界造成過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題的產(chǎn)生，保護產(chǎn)品的使用壽命和旅客的人身安全。更在二十世紀八十年代后，國際上開始對電磁兼容進行強制執(zhí)行和認證，將電磁兼容發(fā)展推向又一個新高。

在未來發(fā)展中，科技的進步會使得設(shè)備和系統(tǒng)精密程度、安裝密集程度不斷提高，進而導(dǎo)致電磁要求更為嚴苛，電磁兼容技術(shù)會發(fā)展的越發(fā)迅猛，會向著更為專業(yè)和深入發(fā)展，成為不可或缺的技術(shù)。

1.2 國內(nèi)電磁兼容發(fā)展

與國外相比，中國在電磁兼容方面開始研究較晚且發(fā)展速度緩慢，在二十世紀六十年代才開始正式研究電磁兼容，國內(nèi)電磁兼容理論開始發(fā)展[4]。直到八十年代，國內(nèi)才出現(xiàn)專門的機構(gòu)根據(jù)IEC和CISPR的電磁兼容標(biāo)準，制定適合國內(nèi)發(fā)展的電磁兼容標(biāo)準和規(guī)范。而在之后的時間，才有各種關(guān)于電磁兼容問題的學(xué)術(shù)活動開始開展，各種針對電磁兼容的組織開始出現(xiàn)。

對于地鐵列車的布局布線的研究較少且多處于初步階段，單純以理論為主未結(jié)合實際進行分析研究。文獻[5]闡述了城軌列車線纜布線和屏蔽的理論，提出來宏觀上的布線設(shè)計和一些必要EMC措施。文獻[6]簡述了高速動車組的布局設(shè)計和對于不同線纜采取的電磁兼容措施。文獻[7]結(jié)合HXD1B交流傳動機車介紹了中央線槽內(nèi)四類線的布線，并且結(jié)合EMC對其車上的電壓柜進行了設(shè)計和對內(nèi)部線纜進行了選型分析。文獻[8]介紹通過增加車輛上干擾源與敏感源距離保證設(shè)備間的電磁兼容性，同時也對列車車輛上的線纜分類和選型做了分析。文獻[9]從線槽選材和開孔兩個關(guān)鍵屏蔽技術(shù)，對高速動車組的布線線槽進行了一定的設(shè)計，并從根據(jù)線纜電磁兼容特性對槽內(nèi)線纜進行了分類敷設(shè)設(shè)計。

國內(nèi)的EMC標(biāo)準和規(guī)范也在把國際標(biāo)準作為標(biāo)桿開始深入發(fā)展，軌道交通EMC成為軌道交通行業(yè)極為重視的一個方面，它實施的好壞關(guān)系著軌道車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。而在國家關(guān)注生態(tài)文明建設(shè)的大環(huán)境下，軌道交通對于EMC問題有著更為嚴格要求，之后電磁兼容將會向著更為完善的預(yù)測、評估進行大跨步的前進。

2 地鐵布局布線設(shè)計

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重要措施就是對于地鐵的設(shè)備布局和布線技術(shù)。基于相關(guān)電磁兼容知識，結(jié)合相關(guān)列車電磁兼容布局布線經(jīng)驗和布局布線標(biāo)準，將整個地鐵地鐵的設(shè)備按照不同電磁干擾特性等級排布，使同級別的干擾源設(shè)備盡量集中布置，使同一級別的易受干擾的設(shè)備布置在一區(qū)域，同時將兩者盡量遠離，以達到敏感設(shè)備和干擾源保持一定距離的目的。同時，用于實現(xiàn)各個系統(tǒng)或是設(shè)備相互通信及進行供電的線纜，通常電壓、頻率各有差異，需要根據(jù)線纜的干擾特性對線纜進行分析，采取適當(dāng)?shù)牟季€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，對設(shè)備和線纜進行更一步的防護。

2.1 高危分區(qū)劃分

功能多樣、系統(tǒng)復(fù)雜的地鐵列車有著大量的車載設(shè)備，既有極強電磁干擾性的牽引變流、受電弓等設(shè)備，也有以太網(wǎng)線纜、CAN總線、溫度傳感器等敏感設(shè)備。將這些設(shè)備安裝在地鐵車上、車內(nèi)、車下等位置，在整車布局設(shè)計時，按照位置和電磁敏感特性進行分區(qū)，并將該區(qū)域進行危險評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，并對于區(qū)域的劃分不同，可以分為五個區(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)，不同等級分區(qū)靠近會出現(xiàn)EMC風(fēng)險，應(yīng)盡量將相同等級分區(qū)集中放置，而不同分區(qū)進行遠離。

由圖1可以看出，不同等級區(qū)域之間靠近會出現(xiàn)不同的EMC風(fēng)險。相同等級的區(qū)域不會出現(xiàn)電磁干擾，而敏感度高與干擾性強的區(qū)域會出現(xiàn)極高的電磁干擾，危險程度最高。

圖1 相鄰分區(qū)產(chǎn)生的EMC風(fēng)險評級

2.2 車下布局

考慮到電磁兼容問題，將新一代B型地鐵牽引逆變器、牽引電機、高壓箱、空氣壓縮機等主要的大功率高壓設(shè)備布置在車下，車下干擾區(qū)如圖2所示。而將網(wǎng)絡(luò)通信、列車控制以及直流、低壓交流設(shè)備布置在車上，以達到敏感設(shè)備和干擾設(shè)備隔離的目的。

圖2 車下設(shè)備布局及其電磁兼容性

2.3 線槽布局

地鐵需要使用線纜進行供電和通信，數(shù)量眾多、類型多樣的線纜也極易產(chǎn)生電磁兼容問題。為減少不同等級的電纜串?dāng)_，需要使用線槽對其進行敷設(shè)，對于線槽的設(shè)計以及布局極為重要。

車上的單節(jié)線槽需要設(shè)計成如圖3所示，可以根據(jù)需要確定是否添加蓋板。

圖3 線槽結(jié)構(gòu)設(shè)計

1）厚度設(shè)計關(guān)系著屏蔽效果

金屬線槽壁越厚越能增強線槽的近場屏蔽能力，而線纜內(nèi)有高頻干擾時，會由于趨膚效會使得線槽厚度不需要過厚。通過仿真、實驗，一般線槽厚度在（0.2～0.5）mm即可以實現(xiàn)屏蔽。

雖然不需要過厚的線槽，但是還是需要使用滿足一定的物理狀態(tài)，以保證線槽的剛性強度和使用壽命。結(jié)合之前地鐵線槽設(shè)計，設(shè)計使用2.5 mm的厚度能夠起到必要的屏蔽作用，又能保證線槽的使用壽命。

2）需要注意接地設(shè)計

對于線槽使用接地編對其兩端進行近距離的接地，同時由于其線槽較長，需要對其進行多次接地。線槽接地如圖4。

圖4 線槽接地方式

圖5 線槽內(nèi)線纜布局

線槽在按照一、二位側(cè)對稱敷設(shè)，線槽開口處對著地鐵車側(cè)壁，地鐵車壁能夠起到蓋板的作用，但是若是想要提高屏蔽效果，可以單獨設(shè)計蓋板，將此線槽設(shè)計完成后，也需要對線槽內(nèi)線纜進行合理的布局，合理的線纜布局能夠加強線槽的屏蔽能力。

①根據(jù)地鐵線纜分類，車頂線槽可以將其分為三個線槽，為了使強噪擾線纜和敏感度高的線纜出現(xiàn)電磁兼容問題的可能性最小，可以將A類和B類線纜，放在相隔最遠的兩個槽內(nèi)，即線槽對應(yīng)的三個槽分別放置A類（380 V交流）、B類（110 V等）、C類（信號線等）三類線纜。

②線纜應(yīng)該盡量靠近線槽敷設(shè)，使線槽起PEC的作用，減小線纜的干擾。

③電線、電纜和分支接頭的敷設(shè)量總截面積應(yīng)該不超過線槽截面積的75 %。

3 線槽仿真及分析

將選取的典型線纜按照布線規(guī)范在線槽中進行布線，壓縮機線纜在A槽靠近線槽壁，將信號線纜敷在C線槽遠離遠離A線槽的地方，保證壓縮機線纜和信號線纜保持最遠距離，將控制線纜敷設(shè)在B線槽內(nèi)線纜線槽三維模型如圖6所示。

圖6 線纜線槽組合圖

3.1 仿真結(jié)果

查看磁場結(jié)果，并且選取m1（-41，-5,3880）和m2（-2.49，-25,3930）看各自點的磁感應(yīng)強度。

1）無線槽磁感應(yīng)強度分布如圖7。

圖7 無線槽布線仿真結(jié)果

求解域內(nèi)的線纜之間的渦流極強，可以看出A類線和B類線對于C類線存在著潛在的安全隱患，當(dāng)A、B類線纜在線槽內(nèi)數(shù)量達到一定的程度，會影響C類線纜的信號傳輸，甚至?xí)p傷C類線所連接的設(shè)備。

2）鋁制線槽布線磁感應(yīng)強度如圖8。

圖8 鋁制線槽布線仿真結(jié)果

可以看出鋁材質(zhì)對于渦流場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，所起到的磁場屏蔽效果有限。其屏蔽能力可以滿足線槽的使用要求，同時為了滿足剛性需求等要求，會選擇鋁合金的線槽。

3）硅鋼材料線槽布線如圖9。

可以對比得出，其屏蔽效能最高，效果最好，AC380V線纜產(chǎn)生的渦流場幾乎完全被封閉在A槽內(nèi)，保證了B線槽內(nèi)110 V線纜的電磁兼容安全性，更加保證了C線槽的線纜的安全，但是需要根據(jù)實際情況進行選擇。

3.2 結(jié)果分析

鋁制線槽的m1和m2處的磁感應(yīng)強度和無線槽時對比，其磁感應(yīng)干擾強度得到明顯的降低，能夠滿足使用。而使用硅鋼材料設(shè)計制作的線槽對比于鋁制線槽實驗起到磁場屏蔽作用更為明顯，在m1和m2處，磁感應(yīng)強度均為0 T。將A、B、C線槽的線纜恰當(dāng)?shù)馗綦x開，能夠保證A、B、C三類線纜的電磁兼容性。使C類線纜信號不受到A、B類線纜傳輸電流的干擾，保證了信號的純凈性，對于整個列車的運行起著極為關(guān)鍵的作用。

4 結(jié)論

布局布線技術(shù)是地鐵電磁兼容設(shè)計中的有效設(shè)計方法之一，關(guān)系著地鐵列車整體電磁兼容安全，更是影響著地鐵列車運行的正常與否。本文結(jié)合電磁兼容研究，針對地鐵實際情況和標(biāo)準規(guī)范，做的分析和設(shè)計切實可行，部分設(shè)計已經(jīng)被應(yīng)用到了該地鐵車的制造和生產(chǎn)中。

對地鐵車輛上的干擾源設(shè)備、敏感設(shè)備和布局布線技術(shù)做了分析，為電磁兼容工程師對于檢查和解決兩系統(tǒng)EMC問題提供了切入點，結(jié)合相應(yīng)的電磁兼容標(biāo)準和以往地鐵布局布線，對地鐵列車做了EMC分區(qū)和線纜進行EMC分類，制定了地鐵關(guān)鍵位置的布局和布線兩大設(shè)計，以及參與了線槽相關(guān)設(shè)計，采用電磁場仿真軟件對所設(shè)計的線槽進行有無線槽和改變線槽材質(zhì)進行渦流場的對比仿真實驗，確定了線槽有著磁場屏蔽能力，同時合理的選材能夠?qū)⑵潆姶牌帘文芰Υ蟠筇岣摺?/p>

本文的EMC布局布線技術(shù)不僅限于對地鐵的設(shè)計和分析，還有許多可以改進和拓展的分析設(shè)計。

1）需要將列車上的關(guān)鍵電氣位置進行細化并對于各個位置線纜進行更為具體的分析和規(guī)劃，以達到更高的電磁兼容安全性。

2）除了線槽之外，地鐵列車上還有許多EMC風(fēng)險較高的地方，如：機柜、司控臺、線管、整車等地方，將其布置電氣設(shè)備和電纜之后使用電磁仿真軟件對其進行適當(dāng)?shù)碾姶艌龅姆抡妫袛嗥渲車姶怒h(huán)境的好壞。