軌道交通車輛輻射測試超標問題分析

陳思　劉曉晶

摘 要：本文介紹了影響車輛輻射發射干擾因素中共模干擾和差模干擾的概念，同時對輻射超出限值的整改方案進行分析，并結合實際項目給出了方案的應用效果，為輻射超標類似問題的整改提供了參考。

關鍵詞：軌道交通車輛;輻射發射;接地電容

1 軌道交通車輛輻射測試背景

電磁兼容是指設備或者系統在其電磁環境中，能夠正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁騷擾的能力。

在軌道交通領域，尤其是軌道車輛，運行的線路以及線路周邊的電子、電力設備系統構成了列車運行的電磁環境;而軌道車輛在運行過程中會通過空間輻射和傳導騷擾等方式對軌道設備及軌旁設備形成電磁騷擾，如果騷擾值超過了電磁兼容相關標準中規定的限值，就很可能會降低其運行的可靠性和安全性，從而影響列車正常的運營安全。

本文主要對輻射發射的干擾因素進行分析，并結合實際軌道車輛項目中的案例來進行具體分析和闡述。

2 影響車輛輻射發射的干擾因素

通過導線載流形成的電磁騷擾有兩種方式：共模（differential mode）干擾和差模（common mode）干擾[1]，它們同時也是車載設備形成輻射騷擾的重要原因。

車載設備的電纜通常都是由兩根導線組成，作為往返傳輸電力和信號的傳輸通道;此外還有另外一個導體的存在，那就是“地線”。假如兩個導線的等效阻抗分別為Z1和Z2，其終端所接的負載等效阻抗為Z，那么兩個載流導體之間的電位差就是形成差模干擾的根本原因。在差模電壓的影響下，會形成了兩種方向相反，大小相等的差模電流：。如下圖（左）所示：

共模騷擾定義為任一載流導體與參考地之間的電壓差，這種電壓的形成主要通過感應的方式。通常情況下，作為往返通道的另兩個載流導體之間的間距會非常的近，因而兩根導線與地分別形成的感應騷擾電壓大小相當，方向相同。共模電壓在導體與地之間形成的電流實際上是位移電流，通過導體與大地之間的分布電容流向大地。

在實際工程應用中，兩個導線之間的距離不可能做到理想狀態，所以共模電流，負載兩端會產生壓差從而影響設備的性能和穩定性。平衡電路中，導線上共模騷擾電流不會對與之相連的設備造成太大影響，由于電流方向一致，會在設備附近形成比差模騷擾大得多的場強，進而通過近場耦合或者輻射的方式影響其他敏感設備[2]。共模電壓與共模電流分析詳見示意圖1（右）。

共模電流會在導線附近產生較大的場強，尤其是在電壓變化率較高的含有電力電子功率器件的電路中，這種現象更加的明顯。電壓的快速變化和寄生電容之間發生作用形成高頻振蕩，并通過空間場的方式輻射出去，對周邊的設備和設施形成不利影響。而接地電容的存在可以將共模電流形成的干擾就近與大地相接，從而在傳輸途徑上對騷擾起到了抑制作用。

3 案例分析

在某城市軌道交通車輛項目的輻射發射測試中，遇到了輻射值超標的情況，經過故障初步排查，確定最大的輻射源為牽引設備，具體測試的超標情況（綠色為環境背景噪聲，藍色為實測值）如下：

4 初步方案及驗證測試

根據以往的項目經驗，經過初步的故障排查和分析，在整車輻射發射中低頻段限值超標的現象，主要是由牽引設備的輸入端和車體地之間的共模回路導致的，而原有的接地設計并不能夠很好的抑制共模干擾，通過改變接地電容的阻抗特性，可以有效地抑制整車輻射干擾。

由原始測試數據分析可知：超標頻點主要集中在80 kHz～100 kHz，而整個優化的設計方案也是圍繞調節濾波參數來實施，從而降低超標頻點處的輻射場強。

通過設計分析，初步定為將原有的1 μF電容組件替換為10 μF與1 μF電容并聯的接地排方案，經牽引供應商的仿真分析，電容組件更換后接地阻抗特性發生變化如下：

采用電容并聯接地排方案后，80 kHz附近的阻抗下降明顯，而160 kHz～260 kHz附近阻抗有所上升，經過多次方案的調整和復測，發現此頻段阻抗的上升并未導致明顯的輻射場強變化;換言之，就是采取一個相對折中的方案，在輻射超標頻段上明顯降低阻抗特性，而在不敏感頻段或者距離限值有較大裕量的頻段上作出適當讓步，從而使車輛的整體輻射特性滿足標準要求。整改后復測數據如圖4。

數據結果表明，在80 kHz～100 kHz頻段上輻射場強值有比較明顯地降低，驗證了之前阻抗特性分析的曲線，這次更換電容組件的優化整改方案取得了顯著的效果。

5 總結

隨著國內經濟的發展，越來越多的城市都新建了軌道交通線路，軌道車輛電氣設計的復雜性使得電磁兼容的問題時有發生，因而電磁兼容問題的整改工作也逐漸成為軌道車輛電氣設計師需要關注的重點內容。

參考文獻：

[1]鄒澎，周曉萍.電磁兼容原理、技術和應用[M].北京：清華大學出版社，2007.

[2]聞映紅，周克生，崔勇，等.電磁場與電磁兼容[M].北京：科學出版社，2010.