城轨车辆电磁兼容设计原理研究

　　摘要：城轨车辆的电磁兼容性设计涉及到了总体布局、电路、电气设备、电气材料、安装结构等多个方面，本文提供了一些设计方法和设计思路，为下一步具体的电气系统设计提供了电磁兼容性设计方案。随着科学技术的进步、电磁兼容技术的不断发展，城市轨道车辆电磁兼容设计也必将进入快速发展阶段，实现手段也必将更加多样。

　　关键词：城轨车辆,电磁兼容,接地屏蔽布线

　　1.概述

　　城轨车辆是集高压、变频、网络通信、计算机控制于一体的系统设备，内部采用变频变压逆变器(VVVF)调速、异步电动机驱动的交流传动系统和半导体静止逆变电源( SIV)等附带丰富谐波的大功率设备，同时还有大量微处理器对牵引、制动系统进行实时的控制及诊断，并且安装有车载信号、无线通信和乘客信息等系统。为使车上的各种电气设备都能正常工作，互不干扰，保护乘客的身心健康，向乘客提供优质服务，电磁兼容已经成为车辆能否可靠运行的一个重要问题，因此，必须将电磁兼容性设计贯穿于整个城轨车辆的系统设计中。

　　2.电磁兼容的三要素

　　电磁兼容是设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰能力，它包括电磁干扰和抗电磁干扰两个方面。电磁干扰造成设备性能降级或失效。电磁兼容必须同时具备三个要素：首先是有一个电磁发射源，其次是有电磁干扰敏感设备，第三要存在一条电磁干扰的耦合通路，把能量从电磁发射源传递到电磁敏感设备。

　　在城轨车辆的设计中，既要充分考虑车辆内部设备的抗电磁干扰能力，又要避免这些设备对其它设备造成电磁干扰，为使城轨车辆既能在复杂的电磁环境下可靠的工作，又不对外界环境产生过大的干扰，基本措施是抑制干扰源、切断电磁干扰的传播途径、提高设备和系统的抗干扰能力。在城轨车辆的电磁兼容设计中主要从接地、布线、屏蔽等几个方面进行考虑。

　　3.城轨车辆的电磁兼容设计原则

　　3.1接地设计

　　合理的接地是最经济有效的电磁兼容设计技术，是解决EMI问题最廉价有效的方法。良好的接地系统并不会增加整车的成本，它既能提高系统的抗扰度，又能够减少干扰发射。对于车内弱电系统来说，接地除了泄放小电流外，还用于设定一个基准电位，避免各种耦合干扰。

　　3.1.1接地方式的选择

　　接地可以分为单点接地、二点接地和混合接地3种：1)单点接地是最简单的，它能够消除公共阻抗耦合和低频地环路，使地线上其它部分的电流不会耦合进电路。对于频率1MHz以下的低频电路，屏蔽层一端接地能起到很好的效果，所以，音频和视频电缆只需在一端接地。2)对于频率高于1MHz的高频电路，屏蔽层两端接地，不论对电场还是对磁场都能起到屏蔽作用。MVB总线传输的是快速数字信号，屏蔽层需两端接地。3)混合接地就是屏蔽层一端直接接地，另一端通过一个小电容接地。小电容接地端在低频时相当于开路，在高频时电容阻抗很低，相当于屏蔽层两端接地。此种接地方法适用频率范围宽的电路。

　　3.1.2车辆接地设计

　　车辆接地可分为保护接地和工作接地两大类。

　　对于保护性接地，列车所有的传导部件例如转向架，牵引电机外壳，逆变器箱体等都通过低阻抗的接地连接与车体相连，而车体本身通过接地电缆相互连接，这确保了所有触碰得到的电气传导部件都基本处于零电位，对工作人员来说是安全的工作电位。另一方面，牵引箱、高压箱、车内电气柜、电子柜等又是车辆电磁兼容的主要干扰源，考虑到电磁兼容，这些箱体的金属外壳和车体电位一致可减少射频干扰。 工作接地是为保证地铁上电力或电子设备能可靠工作，通过轮轨提供一个线路电流的负极回流，主要包括1500V直流、IlOV直流和380V交流接地。`

　　3.2布线设计

　　电缆易受电磁干扰，同样它也可能成为干扰源。在城轨车辆中1500V高压回路电缆、电机电缆、制动电阻电缆和辅助逆变器电缆易产生干扰，而MVB电缆、PIS和ATC信号电缆容易受到干扰，IlOV控制电缆既可能受干扰又可能成为干扰源。在城轨车辆布线中应该遵循以下原则：

　　1)在城轨车辆布线电缆敷设时，所有的电缆均应按电磁兼容性进行电缆类别分类，根据《EN50343-2003铁路应用一机车车辆布线规则》城轨车辆上电缆可分为表I中的A、B、C三类。

　　2)属于各个不同电缆种类的电缆应分开放置，并必须保持表2中的最小间距。

　　3)输出线和回流线相邻铺设，特别是电源电缆(电机电缆、制动电阻等)。

　　4)电缆应尽可能靠近车辆地板放置(封闭的金属电缆管、金属管道等采用导电连接连接到车辆地板)，以利用其产生的衰减。

　　5)在各电缆种类的最小间距不能保持的情况下，有必要采用管道、封闭的金属板、管件等达到分开的目的。

　　6)C类电缆应总是被屏蔽。

　　7)当属于不同种类的电缆交叉，互相成直角时，不要求有最小间距。

　　3.3屏蔽设计

　　用屏蔽体将干扰源包封起来，可防止干扰电磁场通过空间向外传播;反之，用屏蔽体将敏感源包封起来，就可使敏感源免受外界空间电磁场的影响。

　　在城轨车辆上，屏蔽主要包括敏感设备的屏蔽及电缆的屏蔽。敏感设备的屏蔽主要包括车辆控制单元(vcu)、牵引控制单元(ICU)、智能子站KLIP模块等微机网络控制设备的屏蔽。电缆的屏蔽主要包括变压器电缆、辅助设备的电缆、控制电缆、信号电缆、数据传输总线等的屏蔽。对变压器电缆、辅助设备的电缆进行屏蔽的目的在于防止其对敏感设备造成干扰。对信号电缆、数据传输总线电缆等进行屏蔽的目的在于避免使这些电缆受到外界电磁场的干扰。

　　3.3.1车辆上敏感设备的屏蔽设计

　　对于敏感设备的屏蔽机箱骨架的设计要注意以下几点：

　　1)金属机箱必须确保其导电的连续性，机箱上所有永久性缝隙，原则上使用焊接方式，且焊缝必须是连续焊接的，各个面对接地点的阻抗应小于0.2Ω。

　　2)材料必须具有良好的导电性和导磁性，推荐使用钢板、不锈钢及铝板。

　　3)机箱孔、缝、洞的处理。一般孔径要小于直径Smm，对于安装仪表或显示窗口所开的孔必须使用透明屏蔽材料或金属网来进行屏蔽处理。对于用于通风的孔、洞必须用直径小于Smm的孔阵来代替一个大孔，缝隙间隙越小越好，缝隙的间隙长度应控制在5-7cm。

　　4)机箱上的接插头、座应使用金属外壳，最好选用螺纹式的。

　　屏蔽机箱内的布线要注意以下几点：

　　1)插头、插座布线亦应该分类布置，同一对线应紧邻布置，敏感信号应离机箱边缘Smm以上，以防止静电干扰，高低压线之间必须考虑空位隔离。

　　2)机箱内部布线要以减小传输线所围面积为原则，尽量简洁，不能迂回，严禁将多余的线盘绕在机箱内部。

　　3)设置各类地线，机箱内应分出电源地，功率地，模拟地，数字地，通讯地，外壳地。电源地，模拟地，数字地，功率地都经一点与外壳地相连。

　　4)所用屏蔽线，屏蔽层必须接地。

　　5)枧箱内部布线，也要按整车线缆分类铺设进行考虑，应尽可能使干扰源线路和敏感电路呈直角布线，以降低耦合干扰。

　　3.3.2车辆电缆屏蔽原则

　　电缆屏蔽层的接地可以分为单端接地和双端以上接地，除对屏蔽层接地有特殊要求的(如音频线、视频线、传感器电缆等)电缆外，一般采用双端接地且电缆的屏蔽层应可靠接地。对于信号电缆和控制电缆，屏蔽层的覆盖程度应不小于75%;对于数据传输电缆，屏蔽层的覆盖程度应不小于90%;对于辅助电缆等，屏蔽层的覆盖程度应不小于85%。

　　参考文献：

　　[1] EN50343.铁路应用一一机车车辆一一电缆布线的安装规则[S] .2003.

　　[2] EN50121-3-1.铁路应用一一电磁兼容性一一车辆一一列车和整车[S] .2000.

　　[3]刘鹏程，邱扬，电磁兼容原理与设计[M].北京：高等教育出版社,1993，

　　作者简介：程维(1977-).西南交通大学，硕士学位，助理工程师，现就职于南车株洲电力机车有限公司技术中心，从事城轨车辆电气系统设计工作。

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文章名称： 城轨车辆电磁兼容设计原理研究

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