地鐵列車布局布線EMC技術研究

陳娟，潘倍強

（1.中車株洲電力機車有限公司，株洲 412001；2.重載快捷大功率電力機車全國重點實驗室，株洲 412001）

引言

隨著城市化水平不斷提高，作為承載旅客運輸任務的城市地鐵是一個能夠實現眾多功能的龐大系統，大量精密設備和線纜被集中安置在地鐵內，保證其電磁兼容安全性和可靠性就十分必要。

國內城市軌道行業發展勢頭強盛，智能、自動控制的城市軌道車輛成為現代地鐵的標準配置，新興技術與新式設備越來越多得出現在新型地鐵上，用以滿足更安全、更快速、更便捷、更人性化的需求。由不同廠家提供的各種系統、電子設備和多種多樣的供電以及信號傳輸線纜安裝、敷設在地鐵列車如此狹小的空間內，使得地鐵列車電磁環境更為復雜，其電磁惡劣程度不容樂觀。若是沒有采取適當、合理的電磁兼容處理措施，極易產生相互干擾，進而會引起極為嚴重的EMC問題。

當忽視電磁兼容方面的考慮或是處理措施不當時會產生電磁干擾，電壓或是電流產生的電磁場會通過各種途徑傳到受干擾對象，造成受干擾對象性能下降或是受干擾對象損壞等不良后果，電磁干擾主要有以下危害：

1）對電子系統的影響

電子系統為容易受到干擾的系統，但是大多數電子系統卻充當產品的核心控制部分。電子系統的控制電路為弱電電路，一旦受到電磁干擾，將導致整個系統的故障甚至崩潰，進而使得整個產品的故障或是損害，產生無法預計的后果。地鐵信號系統為整個地鐵列車的極其關鍵的系統，容易受到各種有線或是無線信號的干擾，若是受到過強的電磁干擾，會使得地鐵列車出現如故障制動、非正常啟動等不正常情況。

2）對電子類設備損害

電子設備特別是靈敏的電子設備受到過強的電磁干擾極容易出現過大的感應電壓導致設備發生故障、失效甚至損害的后果。電磁干擾也會使得電子設備出現功率損耗增加，發熱嚴重，電子設備壽命降低等問題。例如，地鐵列車上若是有過高的電磁干擾，可能會導致乘客心臟起搏器的損害，影響乘客的安全。

1 國內外電磁兼容的發展

1.1 國際電磁兼容發展

十九世紀初期，人類開始研究電磁干擾現象。在1881年，科學家Heaviside發表了“論干擾”一文，電磁學開始被科學家重視、研究。電磁兼容也就是以此時電磁干擾為基礎開始發展，開始被科學界正式研究[1]。

在十九世紀末期，科學家通過進行電磁實驗使電磁波具象化，證明了電磁場是客觀存在的物質。英國開始把EMI問題的研究轉向生產過程。截止到二十世紀三十年代，EMI的研究才普遍被國際重視，國際電工技術委員會正式提出電磁兼容問題。到四十年代，由一起電磁兼容問題引起的惡劣事故，國際無線電工干擾特別委員會召開電磁干擾及預防控制會議，使得全世界開始詳細研究電磁兼容，德國更是搶先一步，制定了第一個電磁兼容性標準VDE-0878[2]。

隨后包括計算機、通信、運輸等眾多行業得到迅速的發展，電磁環境越發復雜，各行各業對于自己的電磁兼容要求更為具體和詳細。這使得電磁兼容開始急劇擴張，由專門的組織和機構根據各行業的電磁兼容需求，制定一系列專用于本行業設備和產品的EMC的標準和規范。2000年，EU制定了針對機車車輛的EN50121-2000[3]。以此規范軌道產品的電磁兼容性，為軌道產品提供在實際電磁環境中能夠正常工作，且不會對外界造成過分干擾的最低限度要求。減少軌道產品的生產周期型和不必要的電磁問題的產生，保護產品的使用壽命和旅客的人身安全。更在二十世紀八十年代后，國際上開始對電磁兼容進行強制執行和認證，將電磁兼容發展推向又一個新高。

在未來發展中，科技的進步會使得設備和系統精密程度、安裝密集程度不斷提高，進而導致電磁要求更為嚴苛，電磁兼容技術會發展的越發迅猛，會向著更為專業和深入發展，成為不可或缺的技術。

1.2 國內電磁兼容發展

與國外相比，中國在電磁兼容方面開始研究較晚且發展速度緩慢，在二十世紀六十年代才開始正式研究電磁兼容，國內電磁兼容理論開始發展[4]。直到八十年代，國內才出現專門的機構根據IEC和CISPR的電磁兼容標準，制定適合國內發展的電磁兼容標準和規范。而在之后的時間，才有各種關于電磁兼容問題的學術活動開始開展，各種針對電磁兼容的組織開始出現。

對于地鐵列車的布局布線的研究較少且多處于初步階段，單純以理論為主未結合實際進行分析研究。文獻[5]闡述了城軌列車線纜布線和屏蔽的理論，提出來宏觀上的布線設計和一些必要EMC措施。文獻[6]簡述了高速動車組的布局設計和對于不同線纜采取的電磁兼容措施。文獻[7]結合HXD1B交流傳動機車介紹了中央線槽內四類線的布線，并且結合EMC對其車上的電壓柜進行了設計和對內部線纜進行了選型分析。文獻[8]介紹通過增加車輛上干擾源與敏感源距離保證設備間的電磁兼容性，同時也對列車車輛上的線纜分類和選型做了分析。文獻[9]從線槽選材和開孔兩個關鍵屏蔽技術，對高速動車組的布線線槽進行了一定的設計，并從根據線纜電磁兼容特性對槽內線纜進行了分類敷設設計。

國內的EMC標準和規范也在把國際標準作為標桿開始深入發展，軌道交通EMC成為軌道交通行業極為重視的一個方面，它實施的好壞關系著軌道車輛的安全和人員的安全與否，也決定周邊的環境的健康與否。而在國家關注生態文明建設的大環境下，軌道交通對于EMC問題有著更為嚴格要求，之后電磁兼容將會向著更為完善的預測、評估進行大跨步的前進。

2 地鐵布局布線設計

改善地鐵電磁環境、保證地鐵設備電磁兼容安全性的一個重要措施就是對于地鐵的設備布局和布線技術。基于相關電磁兼容知識，結合相關列車電磁兼容布局布線經驗和布局布線標準，將整個地鐵地鐵的設備按照不同電磁干擾特性等級排布，使同級別的干擾源設備盡量集中布置，使同一級別的易受干擾的設備布置在一區域，同時將兩者盡量遠離，以達到敏感設備和干擾源保持一定距離的目的。同時，用于實現各個系統或是設備相互通信及進行供電的線纜，通常電壓、頻率各有差異，需要根據線纜的干擾特性對線纜進行分析，采取適當的布線措施，降低電磁干擾或是被干擾可能性。還需要采取必要的屏蔽、濾波措施，對設備和線纜進行更一步的防護。

2.1 高危分區劃分

功能多樣、系統復雜的地鐵列車有著大量的車載設備，既有極強電磁干擾性的牽引變流、受電弓等設備，也有以太網線纜、CAN總線、溫度傳感器等敏感設備。將這些設備安裝在地鐵車上、車內、車下等位置，在整車布局設計時，按照位置和電磁敏感特性進行分區，并將該區域進行危險評定有著十分重要的意義。

根據地鐵設備的電磁干擾特性不同，并對于區域的劃分不同，可以分為五個區域，高干擾區、主要干擾區、中性區、主要敏感區、高敏感區，不同等級分區靠近會出現EMC風險，應盡量將相同等級分區集中放置，而不同分區進行遠離。

由圖1可以看出，不同等級區域之間靠近會出現不同的EMC風險。相同等級的區域不會出現電磁干擾，而敏感度高與干擾性強的區域會出現極高的電磁干擾，危險程度最高。

圖1 相鄰分區產生的EMC風險評級

2.2 車下布局

考慮到電磁兼容問題，將新一代B型地鐵牽引逆變器、牽引電機、高壓箱、空氣壓縮機等主要的大功率高壓設備布置在車下，車下干擾區如圖2所示。而將網絡通信、列車控制以及直流、低壓交流設備布置在車上，以達到敏感設備和干擾設備隔離的目的。

圖2 車下設備布局及其電磁兼容性

2.3 線槽布局

地鐵需要使用線纜進行供電和通信，數量眾多、類型多樣的線纜也極易產生電磁兼容問題。為減少不同等級的電纜串擾，需要使用線槽對其進行敷設，對于線槽的設計以及布局極為重要。

車上的單節線槽需要設計成如圖3所示，可以根據需要確定是否添加蓋板。

圖3 線槽結構設計

1）厚度設計關系著屏蔽效果

金屬線槽壁越厚越能增強線槽的近場屏蔽能力，而線纜內有高頻干擾時，會由于趨膚效會使得線槽厚度不需要過厚。通過仿真、實驗，一般線槽厚度在（0.2～0.5）mm即可以實現屏蔽。

雖然不需要過厚的線槽，但是還是需要使用滿足一定的物理狀態，以保證線槽的剛性強度和使用壽命。結合之前地鐵線槽設計，設計使用2.5 mm的厚度能夠起到必要的屏蔽作用，又能保證線槽的使用壽命。

2）需要注意接地設計

對于線槽使用接地編對其兩端進行近距離的接地，同時由于其線槽較長，需要對其進行多次接地。線槽接地如圖4。

圖4 線槽接地方式

圖5 線槽內線纜布局

線槽在按照一、二位側對稱敷設，線槽開口處對著地鐵車側壁，地鐵車壁能夠起到蓋板的作用，但是若是想要提高屏蔽效果，可以單獨設計蓋板，將此線槽設計完成后，也需要對線槽內線纜進行合理的布局，合理的線纜布局能夠加強線槽的屏蔽能力。

①根據地鐵線纜分類，車頂線槽可以將其分為三個線槽，為了使強噪擾線纜和敏感度高的線纜出現電磁兼容問題的可能性最小，可以將A類和B類線纜，放在相隔最遠的兩個槽內，即線槽對應的三個槽分別放置A類（380 V交流）、B類（110 V等）、C類（信號線等）三類線纜。

②線纜應該盡量靠近線槽敷設，使線槽起PEC的作用，減小線纜的干擾。

③電線、電纜和分支接頭的敷設量總截面積應該不超過線槽截面積的75 %。

3 線槽仿真及分析

將選取的典型線纜按照布線規范在線槽中進行布線，壓縮機線纜在A槽靠近線槽壁，將信號線纜敷在C線槽遠離遠離A線槽的地方，保證壓縮機線纜和信號線纜保持最遠距離，將控制線纜敷設在B線槽內線纜線槽三維模型如圖6所示。

圖6 線纜線槽組合圖

3.1 仿真結果

查看磁場結果，并且選取m1（-41，-5,3880）和m2（-2.49，-25,3930）看各自點的磁感應強度。

1）無線槽磁感應強度分布如圖7。

圖7 無線槽布線仿真結果

求解域內的線纜之間的渦流極強，可以看出A類線和B類線對于C類線存在著潛在的安全隱患，當A、B類線纜在線槽內數量達到一定的程度，會影響C類線纜的信號傳輸，甚至會損傷C類線所連接的設備。

2）鋁制線槽布線磁感應強度如圖8。

圖8 鋁制線槽布線仿真結果

可以看出鋁材質對于渦流場的屏蔽有一定的屏蔽能力，但是其屏蔽能力較差。由于鋁材質為弱磁性材料，所起到的磁場屏蔽效果有限。其屏蔽能力可以滿足線槽的使用要求，同時為了滿足剛性需求等要求，會選擇鋁合金的線槽。

3）硅鋼材料線槽布線如圖9。

可以對比得出，其屏蔽效能最高，效果最好，AC380V線纜產生的渦流場幾乎完全被封閉在A槽內，保證了B線槽內110 V線纜的電磁兼容安全性，更加保證了C線槽的線纜的安全，但是需要根據實際情況進行選擇。

3.2 結果分析

鋁制線槽的m1和m2處的磁感應強度和無線槽時對比，其磁感應干擾強度得到明顯的降低，能夠滿足使用。而使用硅鋼材料設計制作的線槽對比于鋁制線槽實驗起到磁場屏蔽作用更為明顯，在m1和m2處，磁感應強度均為0 T。將A、B、C線槽的線纜恰當地隔離開，能夠保證A、B、C三類線纜的電磁兼容性。使C類線纜信號不受到A、B類線纜傳輸電流的干擾，保證了信號的純凈性，對于整個列車的運行起著極為關鍵的作用。

4 結論

布局布線技術是地鐵電磁兼容設計中的有效設計方法之一，關系著地鐵列車整體電磁兼容安全，更是影響著地鐵列車運行的正常與否。本文結合電磁兼容研究，針對地鐵實際情況和標準規范，做的分析和設計切實可行，部分設計已經被應用到了該地鐵車的制造和生產中。

對地鐵車輛上的干擾源設備、敏感設備和布局布線技術做了分析，為電磁兼容工程師對于檢查和解決兩系統EMC問題提供了切入點，結合相應的電磁兼容標準和以往地鐵布局布線，對地鐵列車做了EMC分區和線纜進行EMC分類，制定了地鐵關鍵位置的布局和布線兩大設計，以及參與了線槽相關設計，采用電磁場仿真軟件對所設計的線槽進行有無線槽和改變線槽材質進行渦流場的對比仿真實驗，確定了線槽有著磁場屏蔽能力，同時合理的選材能夠將其電磁屏蔽能力大大提高。

本文的EMC布局布線技術不僅限于對地鐵的設計和分析，還有許多可以改進和拓展的分析設計。

1）需要將列車上的關鍵電氣位置進行細化并對于各個位置線纜進行更為具體的分析和規劃，以達到更高的電磁兼容安全性。

2）除了線槽之外，地鐵列車上還有許多EMC風險較高的地方，如：機柜、司控臺、線管、整車等地方，將其布置電氣設備和電纜之后使用電磁仿真軟件對其進行適當的電磁場的仿真，判斷其周圍電磁環境的好壞。