广州地铁13号线首期工程车辆电磁兼容设计

何红 尹智勇 赵春燕

摘 要：本文基于广州地铁13号线首期工程车辆的电磁兼容设计经验，介绍城市轨道交通车辆的电磁兼容设计原则，列出了在车辆设计过程中常用的抗电磁干扰措施，并详细描述了电磁兼容接地设计的方法。

关键词：城轨车辆;电磁兼容;屏蔽;接地

一、前言

电磁干扰存在于地铁沿线及车辆内部电气设备之间、车辆电气设备与乘客之间、车辆电气设备与乘客携带的移动电子设备之间，因此城市轨道交通车辆的设计应充分考虑电磁兼容性，采取有效地措施确保地铁沿线的外部因素（如供电设备、信号、无线通信、PIDS系统）不会对车辆设备的正常工作造成干扰，也要确保因车辆设备工作造成的各种干扰（辐射干扰、发射干扰、传导干扰）对人体、乘客携带的移动电子设备及地铁沿线电气设备的影响满足电磁兼容性EN50121等相关标准。

二、电磁兼容设计要素

电磁干扰设计要素主要有降低干扰、切断或衰减耦合路径的能量和提高系统抗干扰能力。具体从屏蔽、接地、滤波技术、元器件或子系统选型、系统、线缆等合理布局等方面进行优化。

三、车辆电磁兼容设计主要措施

（一）布线设计

电磁兼容中，线缆在电磁干扰的发射和接收中具有很大的影响，实际车辆设计中，因为线缆数量多、种类复杂，同时可能以较大的长度穿过电磁干扰复杂的区域，所以不同种类的线缆应分门别类单独铺设以提高电磁兼容能力。

广州地铁13号线首期工程车辆所用线缆分为6类，包括系电池参考电缆、敏感的信号线缆、高压动力线缆、辅助交流线缆等。不同的线缆应尽可能独立布线。如若在实际安装中难以实现，则其干扰的能量、抗干扰能力以及线缆相互间平行走线的长短将决定线缆间的最小间距（最小间距不小于0.2m）。

如果上述最小间距难以保证，则应遵循以下原则：

1）不同类型线缆尽量交叉垂直走线。

2）不同类型电缆尽量使用良好接地的金属材质的线管或线槽。

3）线缆的输出线以及回路线应尽可能相邻走线以减小干扰/干扰耦合的环路。

4）线缆应通过专用连接器与接口连接。

（二）屏蔽设计

屏蔽分为电场屏蔽和磁场屏蔽。其中电场屏蔽主要使用铜或铝合金等材质，同时需要良好接地，否则达不到屏蔽效果。另外考虑到高频电场干扰的波长等因素，屏蔽的柜体应注意缝和开槽的设计以期尽可能提高其屏蔽效能。理论上磁场屏蔽需要考虑材质的磁导率等因素，实际运用中铝板等低磁导率的材质在大的厚度下对来自于牵引/辅助逆变器，牵引电机等的低频磁场干扰同样有一定的衰减能力而使其满足标准要求。故需要注意的点集中于：

-线缆屏蔽需进行良好接地。

-屏蔽线与端口需360度端接，不能使用引线/插针法端接。

-柜体的屏蔽应考虑门，缝，槽，孔等处电气搭接的连续性，必要时需使用。导电衬垫，簧片等措施。

-对低频磁场屏蔽的铝板等应充分考量实际效果。

（三）接地设计

接地分为以下几种类型：

1）保护地（安全接地）

此类接地主要功能为人身安全的保护，防止直接或间接的触电事故，涉及到各类结构器件，此时应尽可能地以大的面积接地以达到低阻抗的目的。设计中此阻抗的大小会决定噪声等电流流过此处不会产生大的电压，从而保证人的安全以及因为此电压而造成的共模干扰。

2）功能地（工作地）

此类接地是整个车辆系统正常稳定运行的必要条件，一方面为正常电路提供回路，同时作为参考的基准电路。接地的好坏，干扰/抗干扰环路的大小将决定电路系统是否能稳定地工作并且是否能减小对外干扰以及提高自身抗干扰能力

3）电磁兼容相关的地（屏蔽体接地，器件滤波接地等）

此类接地主要针对做了屏蔽的部分，比如线缆屏蔽层，屏蔽电气柜等。此屏蔽体是否接地以及接地措施的好坏将直接决定屏蔽效果的好坏。屏蔽体的接地应遵循大面积低接地阻抗的原则。不同的接地点如果电位一致则按照双点或多点接地的原则，如果不一致则按照单点接地以防止此电位差引起共模干扰。屏蔽电缆接口应使用专用连接器或夹紧螺母，以确保其屏蔽層按照360度环接方式接地。屏蔽柜的盖子门板等应考虑漆等绝缘物质对屏蔽接地连续性的影响。

（四） 滤波

滤波是最直接有效抑制电磁干扰的方法，在子系统的输入输出加入滤波电容，电感，铁氧体磁环等将从源头抑制其对外的干扰，同时提高自身的抗干扰能力。

四、电磁兼容性接地

地铁车辆上有很多电磁骚扰源，比如牵引逆变器、辅助逆变器，如果不加抑制的话，它将会对其周围环境中的敏感原件产生影响。假设某一时刻设备箱体内出现一个等效的带正电的导体，如果不采取接地措施，箱体（屏蔽体）的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧则会出现带电体等量的正电荷，此时外侧将有电场产生，成为外界设备的电磁骚扰源。如果将金属屏蔽体接地，外侧的正电荷将流入大地，此时外部的感生电场消失，即带正电导体的电场被隔离在金属屏蔽体内，具体如图1所示。

图1 静电屏蔽原理

屏蔽电缆是将被保护线外包裹一层屏蔽金属网，其中小部分电磁能通过屏蔽体内部涡流损耗转变为热能，而大部分则通过屏蔽体的接地点将其感生电流引入大地，所以电缆屏蔽层必须接地才能起到屏蔽的作用。根据信号频率的不同，屏蔽层的接地方式有所不同。

频率较低时，电缆屏蔽层只需单端接地。频率较高时（f>1MHz），屏蔽电缆的阻抗不能忽略，如果只在一端接地，将迫使噪声电流在屏蔽层上产生压降使各点电位不同，从而影响屏蔽效果。所以屏蔽电缆需要两端接地，如车内MVB及以太网总线屏蔽层两端接地保证良好的屏蔽效果。

五、结束语

广州地铁13号线首期工程车辆在动态调试阶段完成了电磁兼容试验，试验项目包括整车辐射发射试验、车内磁场试验、屏蔽效能试验、静电放电试验、辐射抗挠度试验等等，各项试验根据相关标准的试验方法及判断准则进行试验，试验结果均符合标准要求，该线路车辆及车载设备可在其线路电磁环境中正常工作。

参考文献：

[1]EN 20121-1-2006 轨道交通 电磁兼容 第1部分：总则[S]

[2]EN 50121-3-1：2006 轨道交通 电磁兼容 第3-1部分：机车车辆 列车和整车[S]