復雜電磁環境下城市軌道交通的電磁兼容設計

摘 要：伴隨著城市化進程和城市面積的擴張，城市軌道交通成為了人們出行的主要交通方式。而在現代城市中，電氣網絡、移動通信網絡無處不在，產生了多種多樣的電磁波和電信號，它們構成了復雜的電磁環境，會引起城市軌道交通的嚴重電磁兼容問題。為了解決這個問題，本文提出了復雜電磁環境下城市軌道交通的電磁兼容設計，并以上海地鐵6號線項目為例，在實際測試中檢驗了該電磁兼容設計符合標準的有效性和可靠性。在該設計中，詳盡分析了電磁干擾源、耦合路徑和敏感設備，并嚴格設計了接地、屏蔽、濾波和布線等電磁耦合路徑切斷技術，從而滿足了城市軌道交通的電磁兼容性要求。

關鍵詞：城市軌道交通;電磁兼容設計;復雜城市電磁環境;電磁耦合路徑

中圖分類號：U284.93、U285.7 ?文獻標識碼：A

Abstract：With the development of urbanization，urban rail transport has become the main transportation method in a city.However，in a modern city，a variety of electrical networks and mobile communication networks are everywhere，and produce various electromagnetic waves and electrical signals，which form a complex electromagnetic environment and result in serious electromagnetic compatibility（EMC）problem in urban rail transport.To resolve such problem，this paper proposes an EMC design scheme for urban rail transport in a complex electromagnetic environment，and verifies its effectiveness and reliability in the actual test by taking Shanghai Metro Line 6 as an example.In this scheme，electromagnetic interference source，coupling path and sensitive devices are analyzed in detail，and the blocking techniques of electromagnetic coupling path，i.e.grounding，shielding，filtering and wiring，are strictly designed to meet the EMC requirements of urban rail transport.

Key words：urban rail transport;EMC design;complex urban electromagnetic environment;electromagnetic coupling path

1 緒論

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當前，城市軌道交通已經成為城市中人們出行的主要交通工具。帶來出行方便的同時，它也成為城市的電磁干擾源。電磁兼容是指電子設備在所在電磁環境中能正常工作且不對該環境中的其他電子設備造成不利電磁干擾影響的能力。保障城市軌道交通電磁兼容性是保證城市軌道交通可靠性的必然要求。如果城市軌道車輛內的電磁干擾過大，會導致列車電子設備錯誤操作、通訊網絡頻繁出現故障、電子元器件受損等情況。因此，城市軌道交通的電磁兼容性成為人們關注的焦點。

在自然界中，早已存在了電磁現象。自從人類開始使用電能，隨之而來的是，電氣設備越來越廣泛地應用在人們的日常生活中。同時，這些電子設備產生了越來越多的電磁干擾，干擾了電子設備的正常運行。1881年，希維賽德發表了“論干擾”的論文，開啟了電磁兼容問題的研究[1]。20世紀以來，隨著通信、廣播技術的迅速發展，電磁干擾也愈發強烈，人們開始投入大量的人力、財力去進行電磁兼容的研究。20世紀80年代，在計算機技術的協助下，實現了系統電磁兼容預測。因此，從20世紀90年代開始，電磁兼容的工作從事后檢測處理發展到預先分析評估、預先設計。因此，電磁兼容設計已成為現代工業生產并行工程系統的實施項目組成部分[2]。電磁兼容的研究對象覆蓋很廣泛，從微小的芯片到各類艦船，甚至是戰斗機[3]、洲際導彈、航天飛機等等。

在城市軌道車輛中，擁有計算機控制技術的弱電元件，還有大功率、高電壓、大電流動力設備等強電元件，復雜多元的電子元件設備在車輛中并存運用，致使車輛內外的電磁環境惡化。為了保障車輛的各種電氣設備都能正常工作，互不干擾，提高車輛運行的安全性，同時給乘客帶來舒適的乘坐體驗，需要對車輛專門進行電磁兼容設計。針對該問題，文獻[4]對地鐵車輛電磁兼容設計進行了簡單探討。在文獻[5]中，以廣州地鐵4號線為例，根據車輛的電磁兼容要求和系統設備的構成布置等信息，分析了城市軌道車輛的干擾源和敏感設備，提出了車輛電磁兼容的解決方案，并完成了試驗驗證。

本文以上海地鐵6號線項目為例，詳細分析了電磁干擾源、耦合路徑和敏感設備，并設計了城市軌道車輛的接地、屏蔽、濾波、布線等電磁耦合路徑切斷技術。測試結果表明，該設計使城市軌道車輛符合標準，滿足了復雜電磁環境下的電磁兼容要求。

本文其余部分的安排如下：第2部分主要介紹了電磁干擾建模分析;第3部分詳細闡述了電磁兼容功能設計;第4部分給出了電磁兼容測試結果;第5部分總結了全文。

2 城市軌道交通的電磁干擾模型

2.1 電磁干擾源、耦合路徑和敏感設備

城市軌道車輛系統是牽引、制動、輔助供電等多個電氣系統的集成，構成了一個復雜的電磁環境。該電磁環境包含了電磁場和電信號，其頻率從近直流、低頻直到微波、毫米波、亞毫米波，信號形式包括脈沖波和連續波。這些電磁波和電信號是由許多信號源產生的。信號密度可以超過每秒百萬脈沖。因此，電磁兼容設計首先考慮電磁環境評估，涉及電磁干擾源、耦合路徑和敏感設備。

電磁環境評估需要明確電磁干擾源。常見的電磁干擾源有：各種電加工設備、大型電力發電站、輸變電設備、高壓及超高壓輸電線、電視和廣播發射系統、雷達系統、通信發射站、電力機車、地鐵列車及家用電器等。在軌道交通系統中，凡是產生高電壓、大電流、大信號、寬頻、瞬時變化信號，高電感阻抗等設備均是干擾源。干擾源分為列車干擾源和軌道系統干擾源，列車干擾源包括列車底部牽引系統中的牽引電機、高速斷路器、主開關箱、VVVF逆變器、濾波電抗器等，以及輔助系統中的SIV逆變器、變壓器、母線斷路器等。軌道系統干擾源包括接觸網供電、信號系統的軌道設備等。

電磁環境評估需要確定耦合路徑，通過耦合路徑干擾的方式可分為輻射干擾和傳導干擾。

輻射干擾主要通過電場、磁場和電暈3種形式發生。電場強度正比于輸電線相對于大地的電壓，電場產生的輻射干擾主要集中在主變電和高壓輸電線附近。磁場強度正比于電流大小，而與電壓無關。電暈放電產生于導線表面的電場強度超過空氣擊穿強度的情況，一般需大于30kV/m，因此，多發生在高壓輸電線路上。

傳導干擾由導體耦合產生，任何導體（如導線、傳輸線、電感器、電容器）都能產生傳導干擾。它分為電容傳導干擾、電阻傳導干擾和電感傳導干擾。

電磁環境評估還需要明確敏感設備。凡是低電壓、小電流、小信號、窄頻、純時變信號，高電容組件等設備均是敏感設備。敏感設備分為列車敏感設備和軌道系統敏感設備。列車敏感設備包括輔助系統與照明、空調系統、通信系統與乘客信息、列車控制系統、車門系統、車載信號系統等。

2.2 傳導干擾分析

相對于輻射干擾，傳導干擾對于城市軌道車輛的電磁影響更為顯著，所以需要著重分析。

傳導干擾是指一個電子設備通過傳輸通道能把自身的電流和電壓在另一個電子設備里產生相應的電流或電壓。根據傳輸通道不同，傳導干擾可分為3種：

（1）電容傳導耦合：干擾源與敏感設備之間通過電容及導線互相交鏈而構成的傳導耦合。

（2）電阻傳導耦合：干擾源與敏感設備之間通過公共阻抗上的電壓或電流交鏈而構成的傳導耦合。

（3）電感傳導耦合：干擾源與敏感設備之間通過干擾源電流產生磁場相互交鏈而構成的電磁傳導耦合。電感傳導耦合的形成是由于干擾源的時變電流產生時變磁場，進而產生時變的磁通，這時變磁通又在敏感設備的輸入阻抗兩端感應出變化的電壓。其主要形式有線圈和變壓器耦合、平行雙線間的耦合等。

3 城市軌道交通的電磁兼容設計

基于上一部分的分析，干擾源、耦合路徑與敏感設備構成電磁干擾效應。因此，在電磁干擾抑制技術方面，需要從削弱干擾源、切斷耦合途徑或者隔離敏感設備這3個角度著手制定有效的電磁兼容控制措施。

從干擾源角度，對于城市軌道車輛系統或者電氣設備來說，有些干擾源可以很容易去掉，但大部分不容易去掉。城市軌道車輛的電氣設備產品內部，數字集成電路、部件、系統等都可能是干擾源，由于電氣設備產品功能的需要，這些都是不可以去掉的。因此，對于軌道交通設備及車輛系統設備，需要明確其電磁發射限值以保證不干擾其它系統設備。

從耦合路徑角度，最為經濟、有效的電磁兼容控制措施就是切斷耦合途徑。因此，如下圖所示，應以電磁兼容接地、屏蔽、濾波、布線為依據，結合城市軌道車輛的電氣系統特點確定電磁干擾控制措施。

從敏感設備的角度，敏感設備可以是單個設備、分系統或其內部的電路，為了功能需要，這些也是不可能去掉的。因此，對于軌道交通設備及車輛系統設備，需要確定其抗擾度限值以保證系統設備的可靠工作。

3.1 接地

合理接地是最經濟有效的電磁兼容設計技術。線路接地是為泄放電荷，或為建立電路基準電平而設置的導線連接。

城市軌道車輛與地面有相對運動，與地面固定設備系統不同，它的“地”不是大地，而是相對零電位基準，即車體。因此，車體上的各導電部件應該通過盡可能大的面積與車體進行低阻抗搭接。每節車的車體間連接線可以使各車體之間等電位，從而保證車體和軸端接地刷連接、最終保證車體的電荷通過輪對泄放到鋼軌上。

城市軌道車輛的接地系統設計如下：

（1）所有接地線要短，導電良好，避免高阻性。

（2）寬工作頻率的設備要使用混合接地。

（3）對信號線、信號回線、電源系統回線及底板或機殼都要有單獨的接地系統、接地回線，以減少對其他電路的瞬態耦合。

（4）可使用浮地隔離（如變壓器、光電）解決地線環路問題。

（5）交叉低電平電路的接地線需要使導線互相垂直。

（6）平衡差分電路可以減少接地電路干擾的影響。

（7）室外終端接地時，要能承受雷擊電流的沖擊。

（8）低頻電路可在信號源端進行單點接地，高頻電路則采用多點接地的形式。因此，交流線、直流線不能綁扎在一起。

3.2 屏蔽

屏蔽是采用屏蔽體對不同空間區域之間進行隔離，以便限制、減少、避免電場、磁場和電磁波從一個區域對另一個區域進行輻射和感應，即有效抑制通過空間耦合的各種電磁干擾。它既能減少或阻止電子設備內部的輻射電磁能對外部設備的電磁干擾影響，又能減少或阻止外部輻射電磁能對該電子設備內部的影響。

輻射抗擾度試驗目的是檢驗軌道車輛與其外部環境的電磁兼容性。試驗場地應遠離移動通信基站，以保證試驗用設備有足夠的輻射發射強度。

被試車輛應處于正常操作狀態，沒有任何設備的增添或減少;不允許出現可能形成干擾耦合路徑的設備;所有的設備都應按照既定的程序運行;維護所用設備應封存，以便為乘客提供正常的服務。測試過程應滿足以下條件：所有列車通信和控制設備都處于打開狀態;所有靜態變流器都處于打開狀態;電池充電器處于打開狀態;驅動控制單元處于打開狀態，牽引變流器處于通電狀態，但無牽引力;制動控制單元處于打開狀態，機械式制動器處于激活狀態;列車自動控制系統處于打開狀態;照明設備處于打開狀態;閉路電視處于打開狀態;乘客信息系統處于打開狀態;煙霧檢測系統處于打開狀態;暖通空調處于打開狀態;所有門處于關閉狀態。

輻射抗擾度試驗參考標準EN 50121-3-1：2015[7]，試驗結果如表2所示。

由試驗結果可以看出，通過對軌道車輛的接地和屏蔽的設計，有效地實現了外部環境的輻射抗干擾。

4.3 車輛內部干擾試驗

車輛內部干擾試驗檢驗了軌道車輛內部電子設備及子系統間的電磁兼容性。試驗場地是試車線或者正線。被試車輛不加載記錄設備，關閉維修孔、維修罩及維修倉，啟動在試驗工況下允許的全部用電設備。

車輛內部干擾試驗參考標準GB/T28806-2012[8]，試驗結果如表3所示。

由試驗結果可以看出，通過對軌道車輛的接地、屏蔽、濾波和布線設計，有效實現了車輛系統內部的抗電磁干擾。

4.4 輻射發射試驗

輻射發射試驗主要進行整車的電磁輻射發射，考核整車輻射發射是否滿足電磁兼容性要求。試驗應選在晴天進行測量：溫度大于等于5℃，風速小于10m/s，濕度足夠低，防止供電電源導體上產生凝結。試驗場地附近10m范圍內不應有樹木、圍墻、橋梁、隧道、汽車等，也應避免在高架間斷處、變電站、變壓器、VUT區域、分段絕緣器等處試驗，并且在同一供電段2km之內不應有其他行駛軌道車輛。

被試列車應達到交付要求，無臨時布線。靜止狀態時，牽引車輛輔助變流器工作，牽引變流器上電但不工作;拖車輔助變流器、電池充電器工作;開啟車輛上所有能夠產生輻射發射的電氣系統。慢行狀態時，牽引變流器及輔助變流器上電工作，開啟車輛上所有能夠產生輻射發射的電氣系統，經過天線時列車以1/3最大牽引力加速或減速。

輻射發射試驗參考標準GB/T24338.2-2011[9]，該試驗結果驗證了城市軌道車輛整車輻射發射滿足電磁兼容性標準，不會對城市環境造成電磁污染，表明對軌道車輛的電磁兼容設計是有效的。

5 結語

針對目前城市軌道交通面臨的復雜電磁環境下的電磁兼容問題，本文首先介紹了城市軌道車輛的電磁兼容定義，分析了電磁兼容的三要素：干擾源、耦合路徑和敏感設備。在此基礎上，提出了城市軌道車輛的電磁兼容設計方案，并嚴格設計了接地、屏蔽、濾波和布線等電磁耦合路徑切斷技術。最后，對城市軌道車輛進行了電磁兼容檢驗試驗，試驗結果表明，所提出的電磁兼容設計方案有效、可靠，被測試車輛符合城市軌道交通的電磁兼容標準。

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[8]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會.軌道交通機車車輛：機車車輛制成后投入使用前的試驗：GB/T28806-2012[S].2012.

[9]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局、中國國家標準化管理委員會.軌道交通電磁兼容第2部分：整個軌道系統對外界的發射：GB/T24338.2-2011[S].2011.

基金項目：國家重點研發計劃項目（2016YFB1200100）;軌道車輛電磁兼容仿真數據庫開發項目（BUAA-ZCCC-FZDD-2019-1）

作者簡介：郝宏海（1986-），男，黑龍江哈爾濱人，2011年獲得哈爾濱工業大學碩士學位，現為中車長春軌道客車股份有限公司工程師，電磁兼容實驗室負責人，主要研究領域為軌道客車車載電子電氣和電磁兼容。