城市軌道交通供電系統電磁兼容設計

蔡 恒

（華設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

城市軌道交通供電系統是集牽引電氣設備與微功率列車控制設備于一體的復雜系統，由于地鐵站空間較小，電氣和電子設備集中，電磁環境復雜，且牽引系統功率大電流大，其產生的磁場和諧波電流很有可能造成車內其他電子裝置和軌道信號電路的工作異常。相關設備若受到電磁干擾則無法正常工作，甚至產生誤動作，將會給軌道交通系統的安全運行帶來非常嚴重的后果。綜上所述，在城市軌道交通系統建設中，電磁兼容是供電系統設計過程中所必須考慮和解決的問題。

本文將從EMC控制計劃、EMI危害分析、EMC合理性矩陣以及EMC測試計劃分別闡述軌道交通供電系統電磁兼容的設計。

1 電磁兼容設計目標

在進行軌道交通供電系統電磁兼容設計初期，應確立明確的設計目標，設計目標應涵蓋以下內容：（1）EMC關鍵組件/設備列表；（2）電磁兼容威脅和受害者識別；（3）電磁兼容接口矩陣；（4）識別電磁干擾發射和敏感度水平；（5）頻率管理（如需要）；（6）電磁兼容設計；（7）電磁兼容措施：a.分離系統布置設計；b.接地和屏蔽；c.電纜；d.濾波、去耦合瞬態脈沖抑制器。（8）電磁兼容性差距分析；（9）EMC建模和分析（如果需要）（如果沒有覆蓋某個EMC差距的標準）；（10）EMC安裝/集成控制；（11）電磁兼容測試方案；（12）設計審查和提交電磁兼容文件的計劃時間表。

電磁兼容/電磁干擾危害分析與安全程序相結合，如：危害識別、危害日志、，僅與電磁兼容/電磁干擾風險一起考慮。此外，根據項目電磁兼容管理計劃的要求，在初步設計階段需提交獨立的電磁兼容/電磁干擾危害分析報告。

2 供電系統EMC的危害及受害分析

對供電系統電磁兼容首先要做的就是對危害的初步分析，判定電磁干擾的來源及評估有哪些敏感設備會受到電磁干擾的影響，進而為每一個可能產生的危害后果做出評估，提出合理化建議并采取相應保護措施。

2.1 供電系統EMC危害源及受害源

供電系統的EMC危害源（EMI）主要包括柴油發電機、高壓開關柜、整流變壓器、配電變壓器、整流器、直流柜（包括斷路器）、0.4 kV配電柜、直流蓄電池、充電器單元、超級電容器以及軌旁制動電阻等。

受害源主要包括柴油發電機中的傳感器和電子控制器、高壓開關柜感器、電子控制器、繼電保護器、整流變壓器、配電變壓器電子控制器；整流器中的傳感器和電子控制器；直流機柜中的傳感器和電子控制器；直流電池柜、直流充電柜以及交流屏。

2.2 供電系統周圍的EMC危害源及受害源

供電系統周圍EMC危害源（EMI）包括如下部分：（1）移動射頻設備；（2）站內通信導航系統的發射器；（3）軌旁通信系統的發射器；（4）軌旁信號系統的發射器。

供電系統周圍的EMC受害源包括如下部分：（1）站內通信導航系統的接收器；（2）軌旁通信系統的接收器；（3）軌旁信號系統的接收器；（4）配帶AIMD和磁敏感器物品的人員；（5）站臺屏蔽門；（6）SCADA。

3 EMC接口矩陣

用矩陣來表示沿水平軸的EMI威脅或發射器，以及沿垂直軸的EMI受害者或接收器。

下面的矩陣表（如表1）用于闡明供電系統的接口矩陣，涉及系統內和系統間。EMC經理/顧問應針對每個特定的系統兼容性案例識別和分析相關的系統EMI接口以及威脅和受害者級別。其中，“O”表示如果應用鐵路標準EN 50121-2和EN 50121-5的要求以及相關的EMC措施，則不會出現不兼容性；“X”表示不可兼容，需要進一步分析以確定EMI發射和磁化率水平；“N”表示不適用于供電系統。

表1 EMC接口矩陣

4 EMC措施

4.1 EMC和安全（絕緣）安裝要求

EMC保護、絕緣以及安全要求方面可能相似性，例如接地、防止過電壓和閃電方面。但是，在保護程序方面，人員安全等級是優先于EMC的。在其他情況下，安全程序與EMC程序之間可能存在沖突，如果在這種情況下，那么就必須尋求替代甚至犧牲EMC的相關措施。

4.2 分離系統布局設計

為了設計和應用適當的緩解措施，因此加入保護區的層次結構。此層次結構考慮了復雜系統中位置和空間的不同EMC行為。共同的特征是它們在空間上所有區域都被邊界包圍為墻壁，儲物柜和其他結構（屏蔽）組件。這些邊界通常由建設性元素給出。因此，區域概念的目的是將這種“自然”邊界用作EMC屏障，其中應適用某些規則。圖1顯示了區域概念的示意圖。機柜和控制室的區域分類如圖2所示。

圖1 區域概念的布局示例

圖2 機柜和控制室的區域分類

4.3 接地和屏蔽

4.3.1 接 地

一般來說整個供電系統的系統的接地和布線將遵循IEC 61000-5-2：1997標準中的要求和指南。

接地系統的次要目標是作為公共電壓參考，并有助于減輕具有敏感互連的電子設備和電氣系統裝置的干擾。

接地電極的設計由閃電和人員安全決定；接地導體尺寸的設計由安全和安裝保護決定；接地網絡布局的設計由EMC行為要求決定。

對于供電系統接地拓撲的一般原理，下面的圖3顯示為參考。

圖3 供電系統接地拓撲原理

4.3.2 屏 蔽

屏蔽是通過金屬屏障完成的，金屬屏障通常用于防止電磁場從一個區域傳播到另一個區域。它還用于引導其他不同類型的干擾所帶來的影響。因此屏蔽可以用于包含來自屏蔽區域內的給定源的電磁場，或者保持外部電磁場，不用于作用于存在對輻射電磁擾動敏感的電路的區域。

然而如果系統的輸入和輸出電纜本身沒有被適當地屏蔽或沒有配備穿透過濾器，則屏蔽可以部分或完全無效。如果屏蔽包含許多孔，或者如果電場連續性不足，那么屏蔽效率也會受到影響。

電磁場的頻率很大程度上影響了屏蔽的有效性，電磁場的頻率應該阻礙從外部或從隔間內部穿透外殼。表2簡要概述了頻率和外殼屏蔽之間的關系。

表2 頻率和外殼屏蔽之間的關系

4.4 電 纜

電纜布線對于供電系統至關重要，因為在這樣的受限區域中發現了大量的電纜承載信號電平。因此，耦合可以采用電感，電容或導電的形式，這取決于電流和電壓的變化幅度和速率以及這些部件的頻率。

為兼容性布線電纜的最基本規則是“干凈”和“臟”布線的分離。信號，通信和控制電纜必須始終與電池接線，推進接線，靜態或動態制動系統接線和牽引電機接線分開。在電纜敷設中實施EMC措施是實現電磁兼容性的基本要求。

有3種主要方法可以減少不同電纜之間的串擾，并通過以下方式最大限度地減少感應或輻射干擾的傳播：適當的電纜布線和隔離；鋪設在電纜管道或導管中；篩選信號或電力電纜。

篩選電纜可以是減少電纜布線或耦合到電纜中的有效措施。

4.4.1 電纜路由

非對稱（共模）數據傳輸容易受到各種干擾。因此，敏感數據的不對稱傳輸僅限于單個EMC內部系統，并且不得離開此EMC區域的邊界（例如PCB，模塊等）。

從EMC的角度來看，對稱（差分模式）傳輸具有許多優點，但需要平衡的I / O接口以保證足夠的共模抑制比（CMRR）。

必須對稱傳輸應用于跨越不同EMC區域的布線。

應仔細設計系統的電纜布線。EMC規定了設計時應遵循的路徑，以及與電纜平行敷設時的接地導體的設計（PEC，參見圖4），它們的存在，它們與接地結構的連接，它們的橫截面和形狀。在任何情況下，EMC要求優先于考慮現場的實際因素，安裝方便性和美學因素。

圖4 導管和電纜托架中的縫隙作為PEC

4.4.2 電纜隔離

在不同電路和功能單元的電纜之間可能發生電感和電容耦合。

耦合取決于：電纜并行運行的部分的長度；電纜之間的距離；適用時與地面的距離（例如建筑結構）。

因此，應盡可能滿足以下要求：單獨鋪設屬于各種電纜類別的電纜并保持最小間隙；將輸出導體和返回導體放在一起，特別是在電力電纜的情況下；將電纜盡可能靠近建筑物地面鋪設（金屬電纜管道，金屬管道等，通過導電連接與建筑物接地連接），以利用隨后的衰減。

5 EMC測試計劃

5.1 設備級EMC測試

在設備安裝的前后，相關設備均需進行EMC測試用以證明設備的ET發射度及抗干擾能力符合預定的EMC規格。

在供電系統中的許多子系統或電氣和電子設備由于之前已經用于其他項目，這意味著其中許多已經根據相關標準進行了測試，例如，EN 50121-2，IEC 61000-6-4和EN 50121-5；如果不更改，則可以針對此情況采用以下EMC測試程序：

（1）之前的測試報告將根據以前的版本標準進行審查和檢查;

（2）偏差測試計劃和程序應由供應商起草;供應商應在認可的EMC實驗室中進行附加測試，主要來自三個方面：a.根據先前的版本標準，與先前測試報告的偏差或錯誤點；b.與標準的不同版本的偏差參閱當前項目的要求測試；c.測試報告包括附加偏差測試報告以及原始測試報告應一起提交給EMC經理/EMC顧問進行查看。

對于從未測試過的新設備，應將測試計劃/程序和測試報告提交給EMC經理/ EMC顧問進行審核。

5.2 供電系統系統級EMC測試

在EMC管理計劃最終設計階段，現場EMC測試計劃/程序應提交給業主方/建設方進行審查。

在獲得業主方/建設方的現場EMC測試計劃/程序批準后，在所有板載子系統完成調整后包括軟件和硬件后，測試應在測試和調試階段在項目現場進行。

在此總結了供電系統級EMC測試項目以供相關方參考。EMC類型測試項目的要求將被解釋并列出如下：（1）根據EN 50500進行磁場強化測試；（2）將進行符合EN 50121-2的輻射發射測試。

在EMC測試完成之后，施工單位應提供每項測試報告，以便監理單位對測試結果進行評估，測試結果如發現有不符合EMC所需要求，將由業主、設計單位、施工單位以及施工監理共同商討解決方案。

6 結 論

隨著我國高速鐵路和地鐵的里程逐年增加以及境外工程的相關要求，EMC的相關問題越來越受到行業內外人士的關注，我國早在2016年已經制定的鐵路相關的電磁兼容標準，該系列明確電磁兼容的制定及規劃應在項目前期展開，即便后期增加設備也應評估對系統的影響，只有在這樣充分考慮了供電系統設備間的電磁兼容影響，才能在EMC出現問題時有效的去處理，進而推動軌道交通供電系統朝著更安全、更可靠、更穩定地方向前行。