复杂电磁环境下轨道交通车辆整车抗电磁干扰设计

齐万明，陈小琳，穆晓彤*

（1.浙江幸福轨道交通运营管理有限公司，浙江 温州 325000；2.北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 100191）

轨道交通已经成为人们出行的主要方式之一。根据2020 年12 月国新办发布的《中国交通的可持续发展》[1]白皮书表明，到2020 年末，全国铁路营运里程将达到14.6 万 km，其中高速铁路3.8 万 km，有40 个城市开通运营城市轨道交通线路，里程总计达到6 172.2 km。轨道交通中，小到一个车载设备或乘客携带的电子设备，大到一个复杂的子系统（如车辆、供电和信号系统），对内对外都存在EMC(电磁兼容)问题。为了保证轨道交通的安全，处理好轨道交通的EMC 问题，保证车上的各种电气设备都能正常工作、互不干扰显得尤为重要。

EMC 是指在电磁环境中某种设备或系统都能正常运行，并且不对其他设备产生无法容忍的电磁干扰的能力。它包括两方面的要求：1）该设备或系统在正常运行过程中产生的电磁干扰不能超过一定的限值，即电磁干扰度；2）该设备或系统对电磁环境中存在的电磁干扰具有一定的抵抗能力，即电磁抗扰度。

在轨道交通车辆运行环境中，列车的各种电气设备、无线发射站等多种无线电磁干扰源以及显示器、开关电源等各种车载机电设备产生的电磁干扰会恶化轨道交通车辆内的电磁环境，进而导致列车的误动作、通讯网络频繁出现故障、网络降级运行、电子元器件损坏等问题。为了使轨道交通车辆的电磁兼容设计符合要求，需要每个车载机电设备的电磁干扰度符合要求，即其产生的电磁干扰在一定限度内，同时又具有一定的抗电磁干扰能力。只有从这两方面同时对车载机电设备进行约束，才能使轨道交通车辆的电磁兼容设计满足标准要求。

针对上述问题，文献[2]针对城轨车辆不同的干扰因素、干扰源传播途径对EMC 设计中的电磁屏蔽及接地进行了研究，并给出了电路分析模型和应用实例。文献[3]对列车中可能存在的干扰、列车电磁兼容性设计（包括电磁干扰度和电磁抗扰度）进行了分析，提出了列车电磁兼容设计措施，并通过试验验证了有效性。文献[4]通过分析影响城市轨道交通司机室电气柜电磁兼容性能的因素，给出了相应的对应策略，为司机室电气柜设置了4 条走线路径并将其内区域进行划分，采用双层结构，使同等级敏感度的敏感设备尽量集中分布，最后通过试验验证其合理性和有效性。文献[5]从技术发展模式和核心技术特点出发，探讨了我国高铁的电磁兼容和电磁安全问题，并结合我国高铁电磁环境特点，对高铁抗电磁干扰、强电磁场电磁防护和整个大系统辐射发射测试方法的研究提出了建议，包括选择符合车辆辐射排放计量标准的开放式试验场等。文献[6]将城市轨道交通车辆天线以车体地板为分界线分为两组，提出了覆盖天线端口的车载天线电磁兼容性的评价方法，弥补了基于EN 50121 标准[7]的测试方法在不覆盖天线端口情况下直接评价车辆电磁兼容性的不足。文献[8]提出了基于子系统特性的轨道交通车辆电磁兼容仿真建模方法。根据车身、电子设备和电缆的电、电磁特性，建立了表面网格模型、等效电路模型和传输线模型，并使用CAD 对轨道交通车辆的电磁兼容进行多级仿真，包括车身屏蔽效应、车内磁场分布、电磁干扰发射等，从而实现了高精度的轨道交通EMC 仿真，为其EMC 设计和改进提供了指导。文献[9]以某型牵引变流器为例，分析总结了牵引变流器的潜在干扰源、敏感信号和干扰耦合路径等EMC 要素，在此基础上介绍了基于EN50121标准[7]的所有必要EMC 测试项目的测试方案，包括辐射发射试验、传导发射试验、射频共模传导抗扰试验、快速瞬变传导抗扰试验、浪涌抗扰试验、射频辐射抗扰试验以及静电放电试验等8 个方面的试验方案。

本文首先分析了轨道交通车辆的电磁干扰问题，然后就轨道交通车辆EMC 的电磁抗扰度（即抗电磁干扰能力），从导体的接地、滤波、屏蔽、布线、电子元器件选择等5 个方面分析了其抗电磁干扰设计方法，并从系统级和整车两个维度出发，针对具体设备、组件以及整车提出了具体抗电磁干扰设计方法。

1 轨道交通车辆的电磁干扰问题分析

如图1 所示，为了解决轨道交通车辆的电磁兼容问题，轨道交通车辆需要满足以下两种特性：1）轨道交通车辆正常运行过程中对外辐射不能超标，即电磁干扰度；2）轨道交通车辆在正常运行过程中，要对所处环境中的电磁干扰具有一定的抗干扰能力，即电磁抗扰度。也就是说，轨道交通的电磁干扰问题包括电磁干扰（由电磁干扰源产生）和抗电磁干扰（通过耦合途径对敏感设备呈现干扰特性）两个方面。其中，对于本文所探究的抗电磁干扰问题有两个解决途径，一是切断电磁干扰传播途径，二是提高受影响设备的抗干扰能力。

图1 轨道交通车辆的EMC 问题及解决思路

完全不受电磁干扰是不可能的，但是可以从设备设计、生产、安装、调试全过程入手，在设备的接地、滤波、屏蔽、布线、电子元器件选择等5 个方面进行抗电磁干扰设计，使得轨道交通车辆具有满足EMC 要求的电磁抗扰度。

同时，解决轨道交通车辆的EMC 问题，还可以从系统级和整车级两个维度出发，由小及大，在不削弱车辆运行性能的情况下，对系统和整车级两个维度同时进行EMC 设计，确保电磁干扰得到控制，且全部车载电气和电子设备符合任何EMC 标准。

2 轨道交通车辆的抗电磁干扰设计方法

轨道交通车辆的抗电磁干扰设计环节应考虑到车辆的内部环境和铁路的外部环境，不仅要解决单个电子设备的抗电磁干扰问题，还应充分考虑电子设备间的抗电磁干扰问题。根据图1 所示的抗电磁干扰问题分析，应从接地、屏蔽、电路滤波、电缆布线及电子元器件选择5 个角度进行综合设计。针对车辆运营环境及不同车辆系统设备的电磁兼容特性，采取不同抗电磁干扰设计方法来提高整车的电磁抗扰度。

2.1 接地设计

轨道车辆作为一个与地面有相对运动的系统，为了更好地实现电流回路，在正常运营环境下，牵引系统应以合适的方式接地。车体可同时用于安全接地、等电位接地和屏蔽接地，但回流接地不同于车辆上的安全接地。因此，需要将车体看作一个单元，其独立的梁、墙等导电部件以低阻抗、低感抗方式进行导电连接，以保证尽可能大的表面面积和尽可能多的点连接。

如图2 所示，接地设计方法可以进一步细化为保护接地、工作接地和屏蔽接地。其中，工作接地是指为了电路或设备达到运行要求的接地，如变压器低压中性点的接地。

图2 接地设计方法

对于保护接地，其设计方法包括：使用铜或不锈钢材质的接地固件；确保保护接地线和接地点连接牢固，且通过面接触导电；同时，若接触面为钢材质，应保证使用导电保护层，并做防锈、防腐处理；保护接地回路无开关或类似设备。

对于工作接地，工作接地线和保护接地线应专线专用、独立连接；工作接地线应汇聚一点，避免共地干扰。

对于屏蔽接地，应尽量增大屏蔽区域面积，避免使用一根电线通过连接器针脚将屏蔽层接至接地点的方式。电子设备的外壳屏蔽接地线应不长于0.35 m，特殊情况下不长于0.5 m。为了保证整体接地良好，不同屏蔽接地线的接地方式如表1所示。

表1 不同屏蔽接地线的接地方式

2.2 屏蔽设计

屏蔽就是对两个空间区域进行金属隔离，以控制一个区域的电场、磁场和电磁波对另一个区域的感应和辐射。屏蔽作为确保系统EMC 的一项重要措施，适用于各种车辆不同电子控制功能单元。屏蔽措施和技术解决方案对所有器件基本相同，但并不是所有器件都要求屏蔽。

在轨道交通车辆设计中，屏蔽总体设计方法要求轨道车辆把所有屏蔽层连接到车体上，用于屏蔽的所有导电部件尽量多点连接在一起。电缆屏蔽将电缆两端的屏蔽连接到车辆的车体上，以此削弱高、低频率的磁场、电场和电磁场的强度，从而达到良好的屏蔽效果。具体设计方法如下。

1）选择铜、铝、钢等高导电性的材料或金属镀层、导电涂层作为屏蔽材料。

2）为了控制经外壳、箱体进出的泄漏辐射，应尽可能保证结构的电气连续性。

3）为了提高缝隙屏蔽效能，可以减少缝隙长度，增加缝隙深度等。

4）在箱体进线孔、出线孔的地方采用屏蔽管接头，并配套连接金属管或金属编织网套。

5）对于通风口，为了达到所要求的屏蔽效能，应使用直径足够小的穿孔金属板。为了兼顾屏蔽和通风量的要求，可使用蜂窝板。

6）插针应在连接器的屏蔽环接地后接通，在连接器外壳脱开前断开。使用阴性或凹形插针与负载线路连接，以免与连接器外壳的其他部分接触。

7）对于容易产生干扰或易被干扰的电缆，可将其设计成屏蔽电缆。

如图3 所示，在轨道车辆屏蔽设计过程中，对于电子控制单元和信号与数据线的屏蔽设计，需要遵循各自的屏蔽设计方法。

图3 屏蔽总体设计原则

对于电子控制单元，其屏蔽设计方法如下。

1）采用孔阵保证通风，为确保屏蔽效果，必须保持接触良好。

2）装在机箱中的插件应带有金属面板，插件面板与机箱接触良好。

3）缝隙应小于0.5 mm。

4）电缆屏蔽层应以低阻抗、低感抗连到装配骨架或机壳的入口处。

5）电源滤波器和信号滤波器要有参考接地平面，并连接到机壳或装配骨架上，滤波器应设于电路的入口处。

6）如果使用装配区域或支架作屏蔽，它们也应由导电材料组成，所有外壳部件连接在一起的接触面应尽可能大，且连接处阻抗和电感值应尽可能低。

7）门、盖板等应与框架/侧面在多点进行导电性连接。该连接可在门的铰链处用拉带，在盖板处通过紧固件进行连接，在门边缘处还应有其他的接触面。

8）若在机柜内有产生强烈干扰辐射的设备，在这些设备和敏感设备之间应设置屏蔽。例如，使用金属板设置屏蔽，设置时应注意金属板与装配区域的车体或者支架间是多点低阻抗连接。

9）未屏蔽的信号电缆在进入屏蔽区域时需对其进行屏蔽或在进入屏蔽区域入口处进行滤波。

对于信号与数据线，其屏蔽设计方法具体如下。

1）信号与数据线的屏蔽必须两端都接地。

2）屏蔽层应以尽可能宽的表面积接触，并且应保证低阻抗、低感抗连接。

3）尽可能避免在屏蔽终端使用单端接地。

4）电缆屏蔽层应与外壳入口直接相连，以防止干扰电流经屏蔽层流入机箱内部。

5）如果不可能使产生相当大干扰的导线之间保持最小的间距，且导线走向在长距离内保持平行，则像数据总线之类的特别敏感的导线必须另外放在一个金属导管内，并与车辆地连接。与车辆地的连接尽可能低阻抗、低感抗相连，且至少两端都需这样连接。

2.3 滤波设计

滤波是用来降低电子器件传导干扰和提高电磁抗扰度的基本方式。轨道交通车辆上一般采用低通滤波器对电源进行滤波，并采用带通滤波器对信号设备进行滤波。轨道车辆滤波系统设计方法具体如下。

1）滤波器直接安装在屏蔽体入口处或其附近。

2）滤波器外壳或滤波器参考接地同支架、屏蔽护套或箱体以低阻抗和低感抗连接。

2）输入和输出导线应分开布置。

4）如果使用旁路电容或旁路滤波器，要用螺栓固定到屏蔽地上。

5）滤波器漏电流不能流向内部参考电位，而是应通过低阻抗和低感抗连接流向屏蔽或车辆地。

6）如果装配区域不是屏蔽区或滤波器位于屏蔽体外，则从滤波器到电子器件的连线要进行屏蔽；反之，如果滤波器位于屏蔽区域内，应屏蔽从屏蔽体到滤波器的连线。

7）所有由蓄电池供电的电子控制单元要配有合适的电源滤波器。

同时，对于一些特殊情况下的电子控制单元和信号发送器的电源线是无需滤波的，包括由其他电子控制单元通过它们的滤波电源供电的电源线以及已经进行了屏蔽处理的两个单元之间的电源线。

此外，所有带继电器、接触器之类感性负载的机械连接应配有合适的暂态抑制装置，而带控制和信号元件的机械接触器应配有合适的变阻器。

2.4 布线设计

由于轨道交通车辆的特殊性，分别有不同等级电压的电缆，如DC 1500V、DC 750V、DC 110V 和AC 380V/220V。这些不同电路和功能单元中的电缆之间可能存在容性和感性耦合，关注电缆敷设也是轨道车辆提高电磁抗扰度实现EMC 的一大重要措施。

电缆之间的电容耦合在电缆平行敷设时出现，耦合度取决于电缆平行敷设的长度、电缆之间的距离及电缆距地面的高度。电感耦合发生在环形导线内，感应干扰的强度主要取决于环形导线的面积。

轨道交通车辆的电动机导线、逆变器导线及辅助设备导线特别容易产生干扰，而信号线，数据传输线，天线引线及音、视频导线对场感应耦合特别敏感。鉴于以上原因，轨道交通车辆的布线设计方法如下。

1）电源线应使用多芯电缆。

2）导线尽量布置得靠近车辆构架或其他与车辆构架导电连接的金属部件。

2）敏感信号的信号线采用屏蔽绞接电缆。

3）电机、变频器的导线采用屏蔽电力电缆。

5）载有不同类型信号的导线不能布置在同一屏蔽层内。

6）依照整体紧凑布置电路电缆的原则，并以标准建议的间隔分开布置不同类别的电缆。

7）如果不同类别电缆直角交叉，则不需要考虑最小间距。

2.5 电子元器件的选择

在轨道交通车辆的设计中，电子元器件的选型应符合EN 50155 标准[10]。具体方法如下。

1）控制元器件来源。考查生产厂家的工艺水平、质量控制能力和产品信誉，选用器件制造技术成熟（即长期稳定、大批量、成品率高）的厂家，尽量单一化元器件的品种、规格及生产厂家。

2）制定元器件优选方案。尽量选用标准和通用器件，选用具有完善的可靠性应用规范的器件。避免选用存在某种缺陷导致早期失效的元器件，进而提高元器件的使用寿命和可靠性。

3 轨道交通车辆抗电磁干扰的具体设计方法

如图4 所示，本部分将根据上述轨道交通车辆抗电磁干扰设计方法，分别从轨道交通车辆系统级和整车两个维度阐述抗电磁干扰的具体设计方法。其中，对于系统级设计方法，分别从供电系统、功率单元、控制单元及信号与通信单元4 个方面进行分析。

图4 轨道交通车辆抗电磁干扰的具体设计方法

3.1 系统级抗电磁干扰设计方法

轨道交通车辆各系统的抗电磁干扰设计也遵从接地、屏蔽、滤波及布线设计原则，在实施上述方法过程中考虑不同单元的分析结果和特殊要求，根据不同项目、不同要求为项目设计实施具有针对性的EMC 设计方法。

如图4 所示，从供电系统、功率单元、控制单元及信号与通信单元介绍轨道交通车辆系统级电磁抗干扰设计方法。

3.1.1 供电系统

对传感器、仪表仪器而言，供电时出现的尖峰脉冲干扰会对其造成严重的危害。在轨道交通车辆中，主要由弓网电弧造成，可采用软、硬件结合的方法抑制。具体的抗电磁干扰方法如下。

1）应尽量选用强抗干扰性能的电源组成轨道交通车辆的供电系统，从根本上提高传感器、仪器仪表的抗电磁干扰能力。

2）对设备间干扰，可将功率单元的驱动单元和控制电源分开进行电源分组供电。

3）对于尖峰干扰，使用硬件线路抑制。比如，在仪器交流电源输入端加入超级隔离变压器，可以利用铁磁共振原理抑制尖峰脉冲干扰。

4）对于周期性干扰，可以采用软件方式，通过编程进行时间滤波。

3.1.2 功率单元

轨道交通车辆中的功率单元在抗电磁干扰设计中采取以下设计方法。

1）电压源型逆变器、制动斩波器和电源滤波器安装在一个金属箱内形成电磁屏蔽。电机电缆应屏蔽，并且屏蔽层两端要接地。

2）制动电阻装在带冲孔板的金属箱内，敷设导线时将输入线与回流线紧靠在一起，并应敷设在金属管内。金属管应与车辆地在多个点上连接，且采用低阻抗、低感抗连接。

3）使用合适的电源滤波器降低牵引设备和辅助电源的传导发射。

3.1.3 控制单元

轨道交通车辆控制单元的抗电磁干扰设计方法如下。

1）控制单元的外壳/装配骨架应以低阻抗方式多处和车辆地连接。

2）控制单元的电源须经过电源滤波器和电位隔离的DC/DC 变换器供给。

3）如果DC/DC 次边负极等内部参考电位要以低阻抗方式和外壳/装配骨架连接，应避免用电缆连接，首选螺栓接头连接。

4）其他电子控制单元的所有接口以电位隔离的方式进行。

5）所有蓄电池供电的I/O 连线配有合适的信号滤波器和过压保护装置。

3.1.4 信号与通信单元

信号和通信单元的抗电磁干扰设计原则上同控制单元一样。同时，也要对接收器天线和发送器天线的位置采取以下措施。

1）接收器天线位置应尽量远离可能的EMC 干扰源。

2）产生强电磁场的发送器天线位置应尽量远离易受电磁干扰的敏感设备，天线电缆要和其他信号和功率电缆隔离。

3）在信号接收时，采用软件滤波的方式进行抗干扰。

3.2 整车抗电磁干扰设计方法

轨道交通车辆整个车辆在抗电磁干扰设计上需要达到以下要求。

1）为了实现车辆接地，整个金属车体表面对于所有电子设备外壳是等电位表面。

2）为达到高屏蔽效能，依据要求将屏蔽的信号线、控制电缆、数据传输总线等电缆屏蔽与车辆接地连接。

基于上述要求，对于不同的部件轨道车辆整车抗电磁干扰设计方法如下。

1）对于车辆与金属设备柜、支架、箱体和容器的连接，其抗电磁干扰方法包括：①屏蔽电缆应尽量靠近设备柜、支架、箱体和容器的金属部分，同时所有的金属设备柜、支架、箱体和容器与车辆接地线连接；②在频率范围达到300 MHz 时，要保证连接的阻值小于几毫欧姆。

2）对于金属设备柜、支架、箱体和容器内的电子元件，为了防止由于电位差所引起的电子设备与金属壳之间的电容性耦合，所有的电子设备要与金属外壳相连。

3）对于车辆电缆槽内的布线，要选择合适的材料及厚度，合理设计线槽结构，合理布置槽内电缆的分隔结构，并且合理布置出线方式。

4 轨道交通车辆的电磁抗扰度测试

为了确保所设计的轨道交通车辆的电磁抗扰度符合相应电磁兼容标准，除了对车载电气设备进行系统级电磁抗扰度测试之外，还需对列车进行整车级电磁抗扰度测试。轨道交通车辆整车按照EN50121-3-1 标准[7]测试抗电磁干扰能力，包括传导抗扰度试验、辐射抗扰度试验和静电放电抗扰度试验。

为了验证本文提出的整车抗电磁干扰设计方法的合理性及有效性，以温州市域S1 线项目为例，通过辐射抗扰度和静电抗扰度两个试验，对使用上述电磁抗干扰设计方法的列车进行抗电磁干扰能力测试。如表2 所示，在电磁兼容试验中，包括3 个等级的试验性能判据。

表2 电磁兼容试验性能判据

4.1 辐射抗扰度试验

鉴于移动通信设备的天线与列车上敏感设备的距离小于1 m 时，前者产生的辐射发射强度足以达到可能干扰车载电子设备正常工作的强度，进而可能导致车载设备的降级甚至某些重要功能的丧失，因而设置本试验，以验证列车对便携式无线电设备等辐射干扰源的抗扰度性能。本试验为调查试验，包括乘客或地铁员工使用公共通讯手机的影响以及地铁员工使用手持式对讲机或无线通讯系统的影响。

为了保证被试手机辐射发射强度满足试验要求，试验场地设在远离移动通讯基站的地点。被试设备所在车辆处于静止状态，且车载设备要处于正常状态，不添加或减少任何设备。不允许出现可能形成干扰耦合路径的设备出现，因为这些干扰耦合路径可能会影响到车辆的电磁易损性。试验中，各种设备状态的具体要求如表3 所示。

表3 辐射抗扰度试验的设备状态要求

该试验的参考标准为EN 50121-1、EN 50121-3-1[7]。试验结果如表4 所示，所有被试设备符合性能判据A，功能或性能未发生任何丧失或降低。即轨道交通车辆对便携式无线电设备等辐射干扰源的抗扰度性能满足EMC 标准，表明提出的轨道交通车辆的抗电磁干扰设计方法是有效的。

表4 辐射抗扰度测试结果

4.2 静电抗扰度试验

由于受到环境和安装条件的影响，例如湿度、电导率低的地毯或者化纤服装等，轨道交通车辆上的电气、电子设备及外部接口可能会受到静电影响。本试验目的为“评估正常操作中司机及乘客可能摸到的工作元件对于静电放电的抗扰能力”。本试验对于被试车辆各种设备状态的要求与辐射抗扰度试验要求一致，详见表3。

根据EN 50121-3-2 标准[7]，静电放电试验采用接触放电±6 kV、空气放电±8 kV 的试验等级，测试结果应满足试验性能判据B 以上。本试验的试验要求如表5 所示，试验需在上述每个被试设备，根据EN 50121-3-2 标准[7]规定，接触放电±6 kV、空气放电±8 kV 的试验等级重复进行10 次试验。

表5 静电抗扰度试验要求

依据EN 50215 标准[11]，试验结果如表6 所示。所有试验部位在两种试验等级下，均符合性能判据A 级，功能或性能未发生任何丧失或降低。即轨道交通车辆上正常操作中司机及乘客可能摸到的工作元件的抗静电性能满足电磁兼容标准，表明提出的轨道交通车辆的抗电磁干扰设计方法是有效的。

表6 静电放电测试结果

5 结束语

本文从轨道交通车辆EMC 的电磁干扰和抗电磁干扰要求，以及电磁干扰源、耦合途径、敏感设备这3 个要素出发，首先分析了EMC 的电磁干扰度和电磁抗扰度，以及轨道交通车辆满足电磁抗扰度的两种解决途径。其次，针对轨道交通车辆的EMC 电磁抗扰度（即抗干扰能力），从接地、滤波、屏蔽、布线设计及电子元器件选择5 个方面，分析了其抗电磁干扰设计方法，进而根据这些设计方法从整车和系统级两个维度出发，提出了轨道交通车辆抗电磁干扰的具体设计方法。其中，针对系统级维度，从供电系统、功率单元、控制单元及信号与通信单元4 个方面进行了抗电磁干扰设计。最后，通过辐射抗扰度和静电抗扰度试验，验证了所提抗电磁干扰设计方法的有效性和合理性，可满足轨道交通车辆EMC 标准要求的电磁抗扰度。相关测试结果作为温州市域S1 线项目交付时的验收依据。