CRH3型動車組電氣布線電磁兼容性研究

周佳*，韋永全

（中車唐山機車車輛有限公司產品研發中心，河北唐山，063035）

CRH3型動車組電氣布線電磁兼容性研究

周佳*，韋永全

（中車唐山機車車輛有限公司產品研發中心，河北唐山，063035）

本文以CRH3動車組為背景，結合電磁兼容理論，系統闡述了鐵路車輛電磁兼容的重要性、電氣布線規則、電磁干擾分類和抑制電磁干擾的方案等。電氣布線中針對不同的電磁干擾類型，提出了有針對性防護措施，并結合實際應用介紹了抑制電磁干擾的輔助物料。

動車組；電磁兼容；電磁干擾；耦合；屏蔽

引言

隨著電子和電氣技術的迅速發展以及自動控制理論在鐵道車輛中的應用，各種電子設備在鐵路車輛上應用越來越廣泛。這些設備采用了大量的微電子技術，配備了高度集成的控制線路和動力線路。各設備接入列車級或車輛級控制網絡，由車載計算機進行分布式智能控制。由于整個車輛電控系統同時存在動力線路、控制線路、信號系統線路，如何抑制各類線路及設備之間的干擾，采取什么樣的抗干擾措施，在工程設計階需要進行詳細的電磁兼容性設計。本文以CRH3型動車組電磁兼容性設計施工為例，進行動車組電磁兼容性能工程化設計應用探討。

1 電磁兼容的重要性及電磁干擾的危害

1.1 電磁兼宯的重要性

電子、電氣產品電磁兼容性設計的目的是使電子、電氣產品在預期的電磁環境中能正常工作、無性能降低或故障，而且對該電磁環境中的任何設備不構成電磁干擾(EMI)。電磁干擾是電磁兼容性不良產生的結果，分為傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合(干擾)到另一個電網絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網絡。電磁干擾的破壞性是非常巨大的，造成的各種損失是通過電子裝置有效性能或技術指標下降來體現的。

1.2 電磁干擾的危憲

電磁干擾按照危害嚴重程度等級可分為兩種——降低技術性能指標和電磁兼容性故障。

1.2.1 降低技術性能指標

1）話音系統：無線和有線電話，受到電磁干擾會使信號發生畸變失真，嚴重時可完全被電磁干擾淹沒。

2）圖像顯示系統：顯示器、傳真、電視、圖示和字母數字讀出器等圖像顯示系統，在電磁干擾作用下會變得模糊并出現差錯。

3）數字系統：電磁干擾使數字系統誤碼率增大，降低了信息的可靠性，嚴重時會發生錯誤和信息丟失。

4）指針式儀表系統：傳統電子設備和儀器儀表中有許多是指針式的。電磁干擾會使指針指示錯誤、抖動和亂擺，降低系統使用功能。

5）控制系統：自動控制系統受到電磁干擾時，可能出現失控、誤控或誤動作，使控制系統的可靠性和有效性降低，并危及安全。

1.2.2 電磁兼宯性故障

強電磁干擾使無線電接收機前端電路燒毀不能恢復正常工作；游樂場過山車因電子游戲機電磁干擾失控而相撞，造成游客受傷；核電站因移動電話電磁輻射誤關閉等，均屬于電磁兼容性故障。

1）誤燃：電磁干擾使金屬之間因電磁感應電壓而產生電火花或飛弧，引燃該處易燃氣體導致易燃物燃燒。

2）誤爆：電爆裝置暴露在強電磁干擾的環境中有可能發生誤爆。

3）電磁泄密：電磁干擾中含有大量信息。現代偵測系統很容易從電磁干擾中得到重要信息。

4）電磁輻射危險：電磁波作用到人體和動植物上，可以被反射、吸收和穿透。這種非電離射頻輻射生物效應，一直被人類關注。因為在一定條件下，電磁輻射可導致中樞神經系統機能障礙和植物神經功能紊亂、眼睛損傷、誘發癌癥或免疫缺陷性疾病。

經驗證明，對于一種產品，如果在開發時解決電磁兼容性問題所需的費用定為 1，那么，到定型時再解決，可能需要10倍的費用，到批量生產時需100倍，而如果到用戶使用后，發現問題時再解決，費用可能高達1000倍。這就是說，如果在產品研制開發的初始階段，同時進行電磁兼容性設計，就可以把80%～90%的電磁兼容性問題解決在設計定型之前。如果等到生產或使用階段再去解決，非但在技術上造成很大難度，而且還會造成人力、財力的極大浪費。由此可見，對于任何一種產品，盡早解決電磁兼容性問題是非常必要的。我們國家根據近幾年電子、電流技術和大規模集成電路的發展狀況。特別是相關產品在鐵路機車車輛行業的廣泛應用，使我們對于電磁兼容性也越來越重視。

2 動車組電氣布線電磁兼容性設計

為了防止不同電壓等級、不同電流類別的電線電纜之間產生電磁干擾現象，動車組配線布線應遵守TB/T 3153-2007《鐵路應用 機車車輛布線規則》[1]規定的電纜布線要求。

2.1 按電壓等級布置電纜

車內布線不同電壓等級、不同電流類別的電線電纜分開布置，并要求采用金屬線槽或金屬軟管進行防護，穿入線管或線槽的電線電纜，外徑面積之和不應超過線管、線槽內孔橫截面積的70%（單根電纜除外）。線槽連接過渡部位允許使用少量的阻燃夾布膠管過渡連接。

2.2 布線可采用多種形式

車下直流布線可采用金屬線槽、線管和分線盒形式。同一回路的正反向電流導線應緊鄰布置，共管、槽敷設。直流正負干線允許采用分管、槽穿線。

2.3 電纜、電線的分類應按照下表1執行[1]

表1 電纜、電線的分類

不同種類的電纜盡可能單獨敷設。電纜與電纜束之間所要求的距離理論上取決于功率、頻率、并行敷設的長度以及輻射抗擾度。實用時，為避免電磁干擾空氣中敷設的電纜間的最小距離應符合表2的規定[1]。

表2 單位為米

在金屬線槽管、接線端子區、交叉布線區或設備箱的開口處受到空間的限制時，允許不符合表1的規定，但應用金屬管道、金屬板、金屬導管或整體屏蔽（與機車車輛接地相連）等進行隔離，其電磁兼容性應符合TB/T 3034-2002的規定[2]。

3 動車組電氣布線主要電磁干擾類型

3.1 靜電耦合干擾

由于電氣設備連接的控制電纜與周圍電氣回路的電容耦合，在電纜中產生的電勢即為靜電耦合干擾。

3.2 電磁感應干擾

由于電氣回路產生的磁通變化在控制電纜中感應出的電勢。

3.3 電波干擾

控制電纜成為天線，由于外來電波在電纜中產生的電勢。

3.4 接觸不良干擾

由于電氣設備控制電纜的電連接點接觸不良，電阻發生變化在電纜中產生的干擾。

3.5 電源線傳寉干擾

各種電氣設備從同一電源系統獲得供電時，由其他設備在電源系統直接產生的電勢，在設備本身電源的通斷時，電壓波動產生的干擾問題。

4 動車組電氣布線采取的抗干擾措施

很多電氣布線的 EMI抑制都采用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結合的方式來實現，大多數時候下面這些簡單原則可以有助于實現EMI屏蔽：從源頭處降低干擾；通過屏蔽、過濾或接地等措施阻斷干擾途徑，增強敏感電路的抗干擾能力。電氣設計及布線應以EMI抑制性、隔離性和低敏感性作為動車組電路設計的目標。

4.1 抗靜電耦合干擾

靜電耦合干擾的大小同干擾源電纜與控制電纜的雜散電容成比例。因此，抑制靜電耦合干擾需要減少電纜間的雜散電容，其方法有電纜的屏蔽或分離。電纜間屏蔽是將控制電纜采用屏蔽電纜，使屏蔽導體與干擾源電纜電容耦合，再將屏蔽導體接地以實現靜電屏蔽。需強調的是屏蔽層接地點在電氣設備側，以兩點接地為佳。加大干擾源電纜的距離可使雜散電容大幅減少，但達到某種程度距離(導體直徑約40倍以上)時，再加大距離效果就不明顯了。而如何選擇和計算電纜、電線的金屬屏蔽效率是很關鍵的。金屬屏蔽效率 ：可用屏蔽效率(SE)對屏蔽罩的適用性進行評估，其單位是分貝，計算公式為：

其中 A：吸收損耗(dB) ，R：反射損耗(dB) ，B：校正因子(dB)(適用于薄屏蔽罩內存在多個反射的情況)。

一個簡單的屏蔽罩會使所產生的電磁場強度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些場合可能會要求將場強降至為最初的十萬分之一，即SE要等于100dB。

吸收損耗是指電磁波穿過屏蔽罩時能量損耗的數量，吸收損耗計算式為：

其中 f：頻率(MHz)，σ：銅的導電率，μ：銅的導磁率 ，t：屏蔽罩厚度。

反射損耗(近場)的大小取決于電磁波產生源的性質以及與波源的距離。對于桿狀或直線形發射天線而言，離波源越近波阻越高，然后隨著與波源距離的增加而下降，但平面波阻則無變化(恒為377)。

相反，如果波源是一個小型線圈，則此時將以磁場為主，離波源越近波阻越低。波阻隨著與波源距離的增加而增加，但當距離超過波長的六分之一時，波阻不再變化，恒定在377處。

反射損耗隨波阻與屏蔽阻抗的比率變化，因此它不僅取決于波的類型，而且取決于屏蔽罩與波源之間的距離。這種情況適用于小型帶屏蔽的設備。

近場反射損耗可按下式計算

其中 r：波源與屏蔽之間的距離。

SE算式最后一項是校正因子B，其計算公式為

此式僅適用于近磁場環境并且吸收損耗小于10dB的情況。由于屏蔽物吸收效率不高，其內部的再反射會使穿過屏蔽層另一面的能量增加，所以校正因子是個負數，表示屏蔽效率的下降的情況。只有如金屬和鐵之類導磁率高的材料才能在極低頻率下達到較高屏蔽效率。這些材料的導磁率會隨著頻率增加而降低，另外如果初始磁場較強也會使導磁率降低，還有就是采用機械方法將屏蔽罩作成規定形狀同樣會降低導磁率。綜上所述，選擇用于屏蔽的高導磁性材料非常復雜。在高頻電場下，采用薄層金屬作為外殼或內襯材料可達到良好的屏蔽效果，但條件是屏蔽必須連續，并將敏感部分完全遮蓋住，沒有缺口或縫隙(形成一個法拉第籠)。然而在實際中要制造一個無接縫及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多個部分進行制作，因此就會有縫隙需要接合，另外通常還得在屏蔽罩上打孔以便安裝與插卡或裝配組件的連線。 設計屏蔽罩的困難在于制造過程中不可避免會產生孔隙，而且設備運行過程中還會需要用到這些孔隙。面板連線、通風口、外部監測窗口以及面板安裝組件等都需要在屏蔽罩上打孔，從而大大降低了屏蔽性能。盡管溝槽和縫隙不可避免，但在屏蔽設計中對與電路工作頻率波長有關的溝槽長度作仔細考慮是很有好處的。為了避免由于制造公差，隔板和蓋罩之間只有零星接觸。導致接觸點之間就有相對長的裂口。兆赫茲范圍的磁場引起橫向耦合，幾千赫茲頻率范圍的磁場，實際上線槽對外或者對單獨的線槽分區之間不會產生屏蔽衰減。為了達到電纜種類A與C之間最大可能的退耦，線槽分區按照A-B-C的順序排布。任一頻率電磁波的波長為： 波長(λ)=光速(C)/頻率(Hz)

當縫隙長度為波長(截止頻率)的一半時,RF波開始以20dB/10倍頻(1/10截止頻率)或6dB/8倍頻(1/2截止頻率)的速率衰減。通常RF發射頻率越高衰減越嚴重，因為它的波長越短。當涉及到最高頻率時，必須要考慮可能會出現的任何諧波，不過實際上只需考慮一次及二次諧波即可。

一旦知道了屏蔽罩內RF輻射的頻率及強度，就可計算出屏蔽罩的最大允許縫隙和溝槽。例如如果需要對 1GHz(波長為300mm)的輻射衰減26dB,則150mm的縫隙將會開始產生衰減，因此當存在小于150mm的縫隙時，1GHz輻射就會被衰減。所以對 1GHz頻率來講，若需要衰減 20dB，則縫隙應小于 15 mm(150mm的 1/10)，需要衰減 26dB時，縫隙應小于 7.5 mm(15mm的 1/2以上)，需要衰減 32dB時，縫隙應小于 3.75 mm(7.5mm的1/2以上)。 可采用合適的導電襯墊使縫隙大小限定在規定尺寸內，從而實現這種衰減效果。 由于接縫會導致屏蔽罩導通率下降，因此屏蔽效率也會降低。要注意低于截止頻率的輻射其衰減只取決于縫隙的長度直徑比，例如長度直徑比為3時可獲得100dB的衰減。在需要穿孔時，可利用厚屏蔽罩上面小孔的波導特性；另一種實現較高長度直徑比的方法是附加一個小型金屬屏蔽物，如一個大小合適的襯墊。上述原理及其在多縫情況下的推廣構成多孔屏蔽罩設計基礎。多孔薄型屏蔽層：多孔的例子很多，比如薄金屬片上的通風孔等等，當各孔間距較近時設計上必須要仔細考慮。下面是此類情況下屏蔽效率計算公式：

SE=[20lg (fc/o/σ)]-10lg n 其中 fc/o：截止頻率 n：孔洞數目。

此公式僅適用于孔間距小于孔直徑的情況，也可用于計算金屬編織網的相關屏蔽效率。因此根據計算和實際使用的效果。通常我們選擇電纜的屏蔽層的效率時可以控制在：信號和控制電纜為75%，總線電纜為90%。

4.2 抗電磁感應干擾

電磁感應干擾的大小取決于干擾源電纜產生的磁場變化快慢、控制電纜形成的閉環面積和干擾源電纜與控制電纜間的相對角度這三種因素。因此抑制電磁感應干擾可以從這三方面入手，具體的辦法是，為了減輕干擾源電纜產生的磁場影響，將控制電纜分離鋪設，分離距離通常必須保證在 30cm以上(最低限度10cm)。分離困難時，將控制電纜穿過金屬管鋪設，進行電磁屏蔽。為了盡量減少控制電纜的閉環等效面積和角度，將控制電纜的導體絞合。導體絞合間距越小耐干擾效果越好，所以要盡可能使用絞合間距小的絞合線。

4.3 抗電磁波干擾

由于干擾源電纜產生的電磁波干擾，此干擾通過輻射向空中傳播，使電氣設備的控制電纜或電氣設備本身產生干擾電勢。電波干擾的大小，取決于干擾源電纜產生的電磁波干擾的強度和距離。抗干擾的措施可按前述靜電耦合干擾和電磁感應干擾的對策進行。另外，輻射電波對電氣設備本身的影響可以預見時，電氣設備屏蔽用的箱體要接地[3]。

動車組電氣布線抗干擾措施：

1）交流和直流電纜分開布于不同線槽或線管內，通訊網線單獨穿管，并遠離交流或直流線槽600mm等。

2）通訊電纜和控制電纜采用符合其特性要求的帶屏蔽的電纜或帶屏蔽的絞接電纜。特殊地方的交流大電流電纜也要采用帶屏蔽的電纜。音頻和視頻電纜只需在一端做屏蔽。同軸系統，屏蔽層被當作一個回路導線，通常僅僅在一點和車體連接。如果沒有在設備/元件的入口提供適當的過濾，那么電纜應該采取屏蔽接地措施。為了避免電流或者電感退耦，允許在一點連接屏蔽到車體上。

3）對于交流電流線纜，應保證同一根管內電流矢量和為零，盡量不單線穿管或布置在不同的線槽內，例如：交流電機的三相電源線要穿同一根管/線槽內；單相電源采用絞接的電纜等措施。

4）不同電纜之間的耦合，不僅僅是電耦合，而且最重要的是不同電路電纜與功能元件之間的電感和電容耦合都應該被考慮。如果電纜平行放置那么就會在電纜之間發生電容耦合。耦合取決于：①平行電纜之間的距離，②電纜之間的角度，③與整個表面（車輛）之間的距離。如果電纜放置時電纜間的距離合適的話，那么電纜之間的耦合可以減少。WTB、MVB總線的連接器必須依從EMC要求同時連接器外殼間有屏蔽連接，所以連接器外殼也是屏蔽的。同時總線應該在設備之間連接，中間不允許有斷點。為了防止車輛間經由屏蔽層的高補償電流的流動，必須采用等電位連接導線在車與車之間。所有EMC接地的部件都應與車體通過低阻抗導線與車體連接[4]。

4.4 密接觸不良干擾的解決措施

接觸不良干擾是由于電氣連接或接觸部分的接觸狀態不完全產生的。為了防止電纜接觸不良干擾，可以在安裝時對端子螺釘實行緊固扭矩管理，規定不同螺栓擰緊力矩和定期地檢查螺母。

5 動車組電氣連接電磁屏蔽輔助措施

5.1 屏蔽夾具

彈力緊固夾板能夠使匯流排與電纜屏蔽之間有平面連接，并能隨導線絕緣的直徑變化而變化。（構造詳見：對直徑2到32mm的電纜使用的型號不同，詳見：圖1每個導線僅能使用一個屏蔽夾具。）

圖1 屏蔽夾示意

將電纜屏蔽連接在屏蔽連接夾具上。屏蔽連接夾具僅能安裝在緊密連接的殼體和附加殼體上。電纜夾如下圖2所示能用于直徑4.5到11mm的電纜。

圖2 電纜夾

5.2 EMV電纜家寋連接件

EMV電纜密封連接件如下圖3所示，應用于小電流的電磁屏蔽連接。這種連接方式滿足EMC的要求的同時，也滿足高速動車組的氣密性要求。

圖3 EMV電纜家寋連接件

5.3 帶屏蔽金屬網的防護管

防護管由拉鏈、外部耐磨阻燃的護套、帶有小金屬辮的銅編制網組合而成，使用時將導線包裹在防護管內用專用工具將拉鏈拉上，預留一定長度的小辮子線用來壓接接地端子即可。此種材料具有阻燃、防電磁屏蔽效果好，安裝使用方便等優點。

以上材料安裝簡便，節省施工時間，經過型式試驗檢驗防護效果好，適合向其它車輛推廣應用。

6 結束語

前文對CRH3型動車組電氣布線進行系統的電磁兼容設計，包括線槽材質選擇、線槽屏蔽和開孔設計、線槽分區設計、線槽接地設計和線槽段之間的搭接設計等；分析電磁干擾種類及相應抗干擾措施，增強電氣布線的電磁兼容特性，確保CRH3型動車組各通信電纜的信號盡量免受電磁干擾的影響，提高整車的電磁兼容性，確保高速動車組車載設備正常工作。綜上所述，CRH3型動車組電氣布線電磁兼容設計理念、EMC技術及抗干擾措施科學合理，操作性強。隨著動車組電磁兼容技術和防護措施日趨完善和逐步推廣，電磁兼容性設計策略及抗干擾措施必將為各類軌道車輛電氣系統電磁兼容性能進一步提高奠定基礎。

[1]鐵標 TB/T1759-2003《鐵道客車配線布線規則》用 TB/T3153-2007《鐵道應用 機車車輛布線規則》,注： 非等效采用EN50343.

[2]TB/T 3034-2002 《機車車輛電氣設備電磁兼容性試驗及其限值》.

[3]CRH3-GF-0019-A6Z00000082063 《EMC規劃部分1概要》（A版）

[4]CRH3-GF-0032 A6Z00000078008 《車輛接地》(A版).

[5]章國平,康紅軍. 高速動車組布線線槽電磁兼容設計[J]. 鐵道機車車輛,2012.

Research on Electromagnetic Compatibility of Electrical Wiring in CRH3 Vehicle Group

ZHOU Jia*,WEI Yongquan
(CRRC TANGSHAN CO.,LTD.,Product r&d center,HebeiTangshan,063035)

Taking CRH3 EMU as the background,combining the theory of electromagnetic compatibility,system expounded the importance of electromagnetic compatibility of railway vehicle,electrical wiring rules,the classification of the electromagnetic interference and electromagnetic interference suppression scheme,etc. According to different types of electromagnetic interference in the electrical wiring,targeted prevention measures are put forward,and connecting with the practical application of auxiliary materials to restrain electromagnetic interference is introduced。

EMU; Electromagnetic compatibility; Electromagnetic interference; Coupling; Shielding

U266

A

1672-9129(2017)06-0099-04

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.034

周佳,韋永全. CRH3型動車組電氣布線電磁兼容性研究[J]. 數碼設計,2017,6(6)： 99-102.

Cite：ZHOU Jia,WEI Yongquan. Research on Electromagnetic Compatibility of Electrical Wiring in CRH3 Vehicle Group[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 99-102.

2017-01-23；

2017-02-26。

周佳（1981-），男，河北唐山，工程師，碩士研究生，研究方向：高速動車組牽引高壓系統。

E-mail：azzzsjc-zhoujia@tangche.com