高速动车组布线线槽电磁兼容设计＊

章国平，康洪军

（唐山轨道客车有限责任公司 产品技术研究中心，河北唐山063035）

高速动车组是集高压、变频、网络通信、计算机控制于一体的复杂设备［1］。其内部电子、电气设备布局非常紧密，导致高速动车组线槽内电缆敷设密度急剧增加，使得动车组内部电磁环境非常复杂，由此导致的电磁干扰问题频频出现。由于车载电缆是高效的电磁波接收和辐射天线，也是干扰传导的良好通道，绝大多数设备电磁兼容问题是电缆造成的。在高速动车运营过程中，大部分的故障均是由于传感器采集的信号在传输过程中被电磁干扰污染所致，京广线在近期统计的115次故障中，多数是因为传感器传输的信号因电磁干扰导致的。

高速动车在布线的时候，为提高通讯信号在传输过程中的抗干扰能力或者对外的电磁辐射，其电缆大部分在线槽内布线，不同用途和位置的线槽，其设计具有不同的结构和电磁兼容特性，布线槽良好的电磁兼容设计是降低车内电缆信号电磁干扰污染的关键环节。

1 线槽电磁兼容设计关键技术分析

1.1 线槽用不同材质的电磁特性和材质选择

高速动车组线槽有金属和非金属两类，常见的金属线槽材料为钢质和铝质，非金属线槽材料为塑料材质。金属线槽的EMC特性比非金属的好。塑料材质的线槽不具备电磁屏蔽的性能，起不到电磁防护的作用。铝质线槽的直流阻抗比相同尺寸的钢质线槽低，但是如果需要对低频磁场信号进行屏蔽的话，由于钢的导磁率μr比铝的要高，其传输阻抗Zt会相对较低，因此钢质线槽比铝质线槽的屏蔽效果要好。但是钢质线槽的质量比铝质线槽大得多，采用钢质线槽无疑增加了整车的质量，给整车设计造成不便。综合考虑电磁特性、价格、质量等因素，高速动车组线槽多选用铝材质。

1.2 线槽屏蔽和开孔设计

屏蔽是一项既昂贵又难以实现的设计决定。屏蔽的实质就是将关键电路用一个屏蔽体包围起来。使耦合到这个电路的电磁场通过反射和吸收被衰减。屏蔽设计的好坏由屏蔽效能来评价，屏蔽体的屏蔽效能可表示为［2］：

式中αR（dB）为反射损耗为吸收损耗，αA（dB）=8.686αt；αIR（dB）为材料内部的多次反射损耗，αIR（dB）=20log10

其中T为穿过屏蔽板的净传输系数；γ为入射阻抗与金属层阻抗之比；t为屏蔽体厚度；α为金属内沿垂直方向的衰减常数，为真空磁导率；μ为材料磁导率；σ为电荷面密度；f为频率。

从屏蔽效能的公式中可以得出屏蔽体的材料和厚度对屏蔽效能起着决定性的作用。选择屏蔽材料时，通常选择磁导率和电导率较大的材料，以保证屏蔽体具备良好的屏蔽衰减系数。其次要合理的选择屏蔽体的厚度，对近场屏蔽来说，屏蔽体的厚度在一定范围内越厚则屏蔽效能越高，高频时，由于趋肤效应，得到一定屏蔽效果所需屏蔽体的厚度减小。一般情况下，屏蔽体的厚度在0.2～0.5mm即可满足要求。屏蔽体的厚度在满足具备一定屏蔽效能的同时，还要满足一定的机械强度和耐腐蚀性。高速动车组线槽和隔板均采用铝合金板，厚度为1.2mm。

屏蔽体最好都是采用全封闭的盒子或机壳［3-4］，但是在工程中往往做不到。在线槽的屏蔽设计时要考虑为了满足线槽内电缆散热和走线的要求，对线槽进行开孔。这些开孔破坏了线槽的导电连续性，成为电磁屏蔽的一个薄弱环节。屏蔽降低程度决定于两相邻孔隙的间隔、干扰的波长以及空隙的总数。在垂直入射而且孔隙间隔s＜λ／2的情况下，屏蔽效能近似为［5］：

d为孔的直径；n为孔隙的总数。

不论哪种开口方向都破坏了线槽的表面电流分布，使得屏蔽体涡流反磁场的屏蔽作用减弱。合理开孔的方向设计是提高线槽电磁兼容性的良好办法。线槽内电缆敷设时都是沿电缆槽水平敷设的，那么线槽上的开孔方向要与电缆敷设方向相同。图1为不同开口方向和电流环路的关系图。

图1 不同开口方向和电流环路的关系

从图中可以看出图1（a）破坏电流分布或减弱涡流的情况比图1（b）好得多。

1.3 信号线缆分类和线槽分区

为了尽量减小线槽内线缆的内部串扰效应和电缆间的耦合，应对线槽进行分区设计。高速动车组车载电缆布线设计是遵循EN 50343：2003《铁路应用-机车车辆布线规则》进行设计的［6］，将动车上的电缆分为3类，见表1。

表1 电缆分类

按此，线槽可分为3个分区，中间用铝合金隔板隔开。按照电缆级别将不同类的电缆分在线槽的各个区内，隔断不同类电缆间辐射骚扰的传播途径。分区设计中要通过合理的结构设计，保证线槽隔板与线槽盖之间的密贴，尽量减小其间隙。

1.4 线槽接地设计

线槽接地的目的是为线槽表面感应电流提供电流流过的低阻抗路径，释放线槽壳上积攒的静电和高频干扰电流，减小接地区域之间流通电流的威胁和电位差。采用接地和搭接的措施保持相连接的所有线槽都具有相同的地电位。线槽所起的屏蔽效果并不是铝合金线槽本身对电场、磁场的吸收，而是在于线槽的接地，接地将线槽外侧的感应电荷引入大地，这样就不会有感应电场存在。高速动车组的相对零电位基准是列车车体。高速动车组的车载设备接地就是将设备的接地线合理的连接到列车的车体上。在每段线槽的两端和中间处线分别是采用直径为7mm的圆形铜管连接到车体上的。

2 采用电磁兼容设计的高速动车组布线线槽

高速动车组内电缆既包括电机电缆、变压器电缆等极易产生干扰的电缆，又包括信号线、数据传输总线、音频电缆和视频传输电缆等容易遭受干扰的电缆。这极大的增加了各种电缆间的电磁干扰。对线槽进行合理的电磁兼容设计，以达到减弱线缆间相互干扰的目的。图2～图4为采用上述技术进行的动车组车用典型线槽的设计。

（1）车内线槽（图2）

图2 横截面和纵截面示意图

（2）车下线槽（图3）

图3 横截面和纵截面示意图

（3）MVB和 WTB通讯线槽（图4）

图4 横截面和纵截面示意图

3 线槽截口处搭接技术分析和仿真研究

3.1 线槽截口处搭接技术分析

搭接是指两个金属物体之间通过机械、化学或物理方法实现结构连接，以建立一条稳定的低阻抗电气通路的工艺过程［7］。搭接质量的好坏会对线槽的电磁兼容性能有较大影响，良好的搭接能够减少设备间电位差引起的骚扰；能够降低线槽和系统壳体上的射频感应电势，防止静电电荷积累。

在实际应用中两段线槽的截口处由于结合表面不平会形成缝隙开口，并导致电的不连续。而线槽内电缆相互干扰会形成电磁波，当电磁波碰到线槽时，会在其表面感应出电流，屏蔽的一个作用是将干扰电流在最小扰动的情况下送到大地，线槽间的开口会破坏电的连续性，从而影响线槽的屏蔽效能。

通过搭接实现两个或多个线槽之间的电气连接，降低系统线槽壳体的射频感应电势，以达到平衡彼此电位的目的。高速动车组线槽为了方便卸载与维护，两线槽截口处通常采用间接搭接的方式，中间连接导体为铝合金板。

使用搭接的效果取决于搭接板的转移阻抗，转移阻抗表达式为：

其中I0为屏蔽体上流过的电流；dV／dz为屏蔽层内部每单位长度内的电压。

在实际应用中，Zt=V／（I×I0），I为导体的长度。

在低频时，转移阻抗以电阻的形式呈现，这与屏蔽体的电流扩散和接触电阻有关；在高频时，转移阻抗以互感的形式呈现。搭接板的转移阻抗越小，屏蔽效能越高。

3.2 线槽仿真建模和计算

3.2.1 模型建立

在此分析几种典型搭接方式对屏蔽效果的影响，如图5。方式A为在线槽两侧使用短导线搭接；方式B为对线槽两侧半封闭式搭接；方式C为对线槽两侧全封闭式搭接；方式D为U型槽搭接。搭接导体材料均为铝合金。

图5 几种典型搭接方式

在线槽内放置3根电机的三相电缆，作为本仿真的激励干扰源，如图6所示。三相电机工作电压为0～2 700V，电流为200A，3根电缆激励大小依次为：U1为方便直观的看出搭接的电磁场大小，在线槽截口缝隙处设置一条U型参考线。

图6 线槽内的三相电机电缆

3.2.2 仿真结果分析

（1）电场仿真分析

通过有限元仿真计算，得出各种搭接方式在截口处参考线上的电场大小如图7。

从图7和表2中可以看出高速动车组线槽截口缝隙处不同的搭接方式对电场屏蔽效能有明显影响。在相同条件下，截口缝隙处泄漏的电场值一定，搭接方式D在截口缝隙参考线处的电场值最小，从而其电场屏蔽效能高，电场屏蔽效果也好。

（2）磁场仿真分析

通过有限元仿真计算，得出各种搭接方式在截口处参考线上的磁场大小如图8。

从图8、表3中可以看出高速动车组线槽截口缝隙处不同的搭接方式对磁场屏蔽效能影响不大。

图7 电场强度

表2 不同搭接方式下参考线处各参考点的电场大小（V·m-1）

图8 磁场强度

由上述建模分析可知，动车组线槽搭接导体的形状对屏蔽效能的高低有明显的影响，尤其是对电场屏蔽效果影响较大。沿着整个截口缝隙长度完成良好的U型电气搭接，屏蔽效果最好，是最有助于电磁兼容性能的改善。但在工程中由于种种原因很难做到。往往采用在线槽两侧实施电气搭接，两侧全封闭式的电气搭接是最佳的工程选择。

表3 不同搭接方式下参考线处各参考点的磁场大小 T

4 结束语

对高速动车组用线槽进行系统的电磁兼容设计，包括线槽金属材质选择、线槽屏蔽和开孔设计、线槽分区设计、线槽接地设计和线槽段之间的搭接设计。这些设计措施有利于提高线槽的电磁兼容特性，保护线槽内各通信电缆的信号尽量免受电磁干扰的影响，提高线槽的电磁兼容性，确保高速动车组车载设备正常工作和车辆的安全运行。

［1］杨 君，苑丰彪.高速动车组电磁兼容性设计研究［J］.机车电传动.2009（2）13-16.

［2］S.A.Schelkunoff.Electromagnetic theory of coaxial lines and cylindrical shields［J］.Bell Systems Technical Journal，Vol.13，1934.

［3］M P Robinson et al.Shielding effectiveness of a rectangular enclosure with a rectangular aperture［A］.Electronices Letters，15th August，University of York，1996，32（17）：1 559-1 560.

［4］M P Robinson et al.Analytical Formulation for the shielding Effectiveness of Enclosures with Apertures［J］.IEEE Transactions on EMC，University of York，40（3）：240-248.

［5］EMI shielding design guide，Tecknit EMI Shielding products，USA.

［6］EN 50343.铁路应用-机车车辆布线规则［S］.2003.

［7］路宏敏.工程电磁兼容［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2003.