复杂电磁环境下轨道列车的抗电磁干扰设计及测试

毕素楠 穆晓彤 夏天童

（1.北京地铁车辆装备有限公司 北京市 100079 2.深圳市北航检测有限公司 广东省深圳市 518052）

1 引言

随着轨道交通系统智能程度的不断提高，轨道列车内电气、电子设备数量越来越多，安装密度越来越大。由此带来的设备间电磁干扰问题日渐突出。各种设备产生的干扰信号相互叠加，使轨道列车受环境因素中的电磁影响巨大，列车设备在这种环境中容易出现误动作情况，严重时甚至会出现列车通讯网络系统出现故障或者网络降级运行情况，此时轨道交通系统电子元器件也会受到不同程度的影响。为了使整个列车系统能够稳定工作，必须以列车系统的电磁环境为依据，在列车选材和组装时进行抗电磁干扰设计，提升整个列车系统的抗电磁干扰能力。

为了提升整个列车系统的抗电磁干扰能力，本文首先分析了电磁干扰产生的机制，并针对其机制提出了抗电磁干扰的基本方法，然后根据相应国家标准、结合工程实践提出了一整套抗电磁干扰设计方案。

2 轨道列车抗电磁干扰原理分析

在干扰源、耦合途径、受干扰对象三大因素全部具备的情况下，才会出现电磁干扰情况。其中干扰源因素可以通过传导耦合（直接传导耦合、公共阻抗耦合、转移阻抗耦合）、辐射耦合（场对天线的耦合、场对电缆耦合、电缆对电缆的耦合）方式将电磁能量传递给受干扰对象。

当干扰源和受干扰对象之间存在完整电路时，干扰信号才能通过电路连接将信号传递给敏感设备，在传导耦合方式下信号传输过程中会出现电磁干扰情况。若干扰信号直接通过介质传播辐射电磁波，则采用的是辐射耦合途径，此时电磁能量以电磁波形式发射出去并不会受到电磁干扰，干扰源和受干扰对象不存在完整电路连接时可以采用辐射耦合途径传播信号。三种常见抗电磁干扰技术如表1 所示。

表1 ：抗电磁干扰技术

由表1 可以看出，抗电磁干扰的技术主要有4 种：合理接地、电磁屏蔽、电磁滤波、合理布线。下面将分别介绍这4 种技术。

2.1 合理接地

轨道列车与地面存在相对运动，因此轨道列车系统必须做好各项接地措施，保障轨道列车安全运行。正常情况下，轨道列车内部和车体可以采用保护接地、工作接地、屏蔽接地等方法，保障电流回路正常，具体接地措施如下。

保护接地的目的是保障轨道列车运行人员和乘客的人身安全，主要通过设备外露可导电部分接地预防直接或间接触电事故发生。

工作接地的目的是使轨道列车电气系统运行环境符合要求，轨道列车电气系统需要为泄放电荷或建立基准电平提供通道，并且在电磁兼容设计中通过工作接地方法将噪声电压引入大地，减少噪声对电气系统信号传输的干扰，该接地措施在抑制电磁噪声中比较常见，而且在抑制电磁干扰方面可以发挥重要作用。

屏蔽接地是指电缆屏蔽层接地。电缆屏蔽层是指被保护线外包裹的一层屏蔽金属网。电磁干扰信号发生时，只有通过接地措施将大部分通过屏蔽层的电磁能引入大地才能减少电磁能的影响，通过屏蔽层的电磁能远超在屏蔽层内部转变为热能的部分，可见屏蔽接地在轨道列车电气系统中非常重要。

针对列车中各电气、电子设备的特点设计合适的接地方式，可以提高列车系统抗电磁干扰能力。

2.2 电磁屏蔽

电磁屏蔽主要通过屏蔽体对2 个空间区域内导线、电缆、元部件、电路产生的电磁波进行吸收、反射、抵消，进而实现控制一个区域电场、磁场和电磁波感应和辐射的目的。其中屏蔽体可以吸收涡流损耗，发射干扰电磁波和内部电磁波，抵消反向电磁场和部分干扰电磁波，总而言之电磁屏蔽主要通过屏蔽体减弱电磁波信号的干扰。

轨道列车系统主要由计算机设备、网络通信设备、高压设备、变频设备构成，可以通过变频变压逆变器调节列车速度，或通过异步电动机驱动交流传动系统，也可以通过半导体静止逆变电源、附带丰富谐波的大功率设备、大量微处理器对轨道列车牵引、制动系统故障进行诊断，并且在故障过程中对该系统进行控制，确保计算机设备、网络通信设备、高压设备、变频设备可以正常工作。为了减少轨道列车系统信号传输影响，还需要在轨道列车系统中安装信号通讯系统，让车载人员、乘客可以自由通信，但是信号传输过程中容易产生电磁干扰，因此采用相关屏蔽措施减少设备受到的影响是非常必要的，用屏蔽体将敏感源包封起来是常见的干扰源屏蔽方式，该电磁屏蔽措施是保障电气设备正常工作的常用手段。

针对列车中各电气、电子设备的特点设计合适的屏蔽方式，可以提高列车系统抗电磁干扰能力。

2.3 电路滤波

电路滤波技术的主要目的是减少电磁干扰，电气设备、电子设备均会产生电磁干扰，甚至是传导干扰，因此直接对以上设备开展电磁干扰屏蔽是抑制电磁干扰的有效手段。为了减少轨道列车系统整体受电磁干扰的影响，可以采用整体或局部电磁屏蔽措施，电路滤波技术在电磁干扰屏蔽和接地防护中的表现良好，虽然无法完全避免电磁骚扰进入相关设备，但是大部分电磁干扰均可以通过滤波器等设备将相关的骚扰滤除。滤波器的作用是对非工作信号（即电磁干扰）有很大的衰减作用。

滤波器的种类很多，根据不同的角度有不同的分类，具体如下所述：

（1）滤波器根据滤波原理可分为：吸收式滤波器和反射式滤波器；

（2）滤波器根据工作条件可分为：有源滤波器（单套容量不超过100kVA，基本不提供无功功率补偿，最高适用电压不超过450V）和无源滤波器；

（3）滤波器根据频率特性可分为：低通滤波器（平滑滤波器）、高通滤波器（锐化蒙版滤波器）、带通滤波器、带阻滤波器；

（5）滤波器根据用途可分为：信号选频滤波器和电磁干扰滤波器。

针对列车中各电气、电子设备的特点设计合适的滤波方式，可以提高列车系统抗电磁干扰能力。

2.4 合理布线

轨道列车与正常列车差异较大，轨道列车常用电压电缆类型主要包括直流和交流两类，其中直流电压主要以1500V/ 750V/110V 电缆为主，交流电压主要以380V/220V电缆为主。由于轨道列车电压电缆类型不同，导致不同电路之间有较大可能存在电容耦合和电感耦合。其中平行敷设的电缆主要存在电容耦合情况，电缆平行敷设长度、距离、高度等参数异常直接影响耦合度；而环形敷设的电缆导线主要存在电感耦合情况，环形导线面积参数直接影响耦合干扰强度。

轨道列车布线耦合机制主要采用电场、磁场、电场与磁场混合等非传导耦合方式，电场、磁场非传导耦合方式既可以单独使用也可以联合使用。从轨道列车实际情况来看最有效的列车布线方式是降低导线间的分布电容、使用屏蔽层，二者均可以有效抑制电场耦合。其中，拉大导线间的距离、缩短导线的长度、在导体下增加一块接地平面三种方式均可以达到降低导线间分布电容的目的；在使用屏蔽层的同时减小回路间互感、拉大导线间距，缩短导线长度、使导线尽可能接近地平面、使磁场方向相互垂直等方法可以充分抑制磁场耦合。以上电场、磁场方法共同使用即可显著提高屏蔽和接地效果，电场与磁场混合抑制模式比单用电场、磁场抑制模式更加有效。

针对不同电缆的特性对电缆进行合理布线，也是提高列车系统抗电磁干扰能力的重要措施。

3 轨道列车抗电磁干扰设计实现

本方案从接地、屏蔽、滤波、布线等方面阐述电磁干扰实验设计思路，主要根据车辆运营环境和车辆系统设备的电磁兼容特性，查看不同抗电磁干扰措施下轨道列车的抗电磁干扰性能，最终应用抗电磁干扰效果最佳的措施。

3.1 接地

对于轨道列车而言，车载电子控制单元的所有箱体、支架、装配骨架都需要接地。针对它们的特点，提出了如下接地设计：

经历了家道中落的鲁迅厌恶了周围熟悉的人群,为摆脱这种旧有的人事关系和改变自己的命运，1898年，鲁迅前往南京寻求别样的人生,并先后进入江南水师学堂、江南陆师学堂附设的矿路学堂学习。在此期间，学习的鲁迅接触到维新变法的宣传刊物《时务报》，作为热血青年的鲁迅，救国救民的壮志开始生根，受惠于维新变法派留学生的变法举措留学日本。就这样，鲁迅抱着寻求新知、拯救过敏的热情来到了东京。鲁迅进的第一所预备学校是东京弘文学院,并加入了革命团体浙学会，成为一个激进的革命者，且颇为勇敢。从剪辫子事件就可看出，在剪辫之后不仅毫无畏惧，还特地“断发照相”，以资纪念，并题了一首诗——自题小像，赠给友人许寿裳。诗云：

（1）电子控制单元的支架将通过尽可能大的表面积对装配骨架进行良好的接地，以确保低阻抗。若有必要，应使用齿形弹垫；

（2）装配骨架应通过尽可能大的表面积和尽可能多的点与车辆车架进行连接。如果不能通过螺栓或焊接实现接地，则将使用额外的搭接带连接装配骨架和车体；

（3）门、地板、屏柜、接插件等也应组成一个高度互连、大面积的接地设计，确保其导电的连续性；

（4）经喷塑、油漆或阳极极化处理的表面，应使用齿形弹垫，使之可靠接触；

（5）对于一个在故障时可能带电的电气设备，它的任何导电部分都应通过内部连接至等电位的接地上，对于任何不属于电气设备的导电部件也应通过内部连接至等电位接地上。

此外，对所有电子控制单元而言，所有电子控制单元应用配有电位隔离的DC/DC 变换器。蓄电池的参考电位应连接到机壳接地点，而电子控制单元的参考电位（DC/DC 变换器次边接地点）应同装配骨架低阻抗、低感连接，且这些连接应尽可能短而宽。

3.2 屏蔽

轨道列车中需要进行屏蔽设计的主要有4 个部分，即轨道列车车体、电子控制单元、信号与数据线、电机等功率单元。

3.2.1 轨道列车车体屏蔽设计

（1）应选择铜、铝、钢等导电性能较好的材料，采用金属镀层和导电涂层作为导电材料的屏蔽材料；

（2）通过电气结构连续性的完善，减少电气系统泄漏出来的辐射；

（3）采用穿孔金属板通风方式，通过减少孔径的方式提高屏蔽效能。若必须采用蜂窝板提高通风量，则无法保障屏蔽效能；

（4）调整缝隙深度和长度，使用电磁密封衬垫，在接缝处涂导电涂料，提高缝隙屏蔽效能；

（5）在铆接搭接时缩短螺钉间距，在压力下提高螺钉紧固效果，提高螺钉在变形应力、冲击、振动下的固定效果；

（6）在箱体进出线孔处采用屏蔽管接头，与金属管网配套使用提高屏蔽效能。

3.2.2 电子控制单元屏蔽设计

（1）装配骨架外壳部件必须采用低阻抗、低感、大面积导电材料连接到一起提高导电连续性，提高屏蔽效果；

（2）干扰辐射强烈的设备必须设置利用金属板设置屏蔽措施，这些板子和装配区域/支架进行多点低阻抗连接；

（3）滤波器与机壳或装配骨架连接需要参考接地平面，确保滤波器位置在电路入口处；

（4）门、盖板等应与框架/侧面在多点进行导电性连接。连接铰链处用拉带、紧固件进行连接；

（5）信号电缆在未屏蔽区进入到屏蔽区域时需要在入口处进行滤波。

3.2.3 信号与数据线屏蔽设计

（1）信号与数据线屏蔽措施两端接地，因为只有两端都接地的屏蔽才能提供对干扰场的有效屏蔽，信号与数据线上不适合采用滤波技术；

（2）屏蔽层接触表面积越大越宽越好，并采用低阻抗、低感抗材料连接；

（3）电缆屏蔽层直接与外壳入口连接，减少屏蔽层内的干扰电流；

（4）大干扰的导线间距较大或无法保持平行时，必须将其放入金属导管内，这样与车辆地连接后可以提高屏蔽效果。

3.2.4 电机等功率单元屏蔽设计

（1）电子功率器件放置于封闭金属箱内实现屏蔽，通风孔应采用冲孔板、金属栅格等，盖子、盖板、通风孔都要同电机外壳一起进行密封；

（2）电机外壳的所有出线要进行屏蔽、滤波或电位隔离。

3.3 滤波

轨道列车上一般采用低通滤波器、带通滤波器等设备对电源、信号设备进行滤波。为使滤波发挥最大功效，提出了以下滤波设计：

（1）滤波器安装在屏蔽体入口附近最佳，滤波器外壳应该采用低阻抗和低感抗材料连接；

（2）输入和输出导线旁路电容或滤波器需要采用螺栓固定，并应分开布置；

（3）滤波器漏电流必须采用低阻抗和低感材料连接使其流向屏蔽设施，防止流向内部参考电位；

（4）位于屏蔽体外的滤波器与电子器件的连线必须做好屏蔽区域，例如装配区域；

（5）位于屏蔽体内的滤波器与屏蔽体的连线均应采取对应屏蔽措施，其中电源滤波器必须与蓄电池供电电子控制单元适配。

3.4 布线

轨道列车的各类导线容易产生干扰信号，布线方式不当会导致信号线、数据传输线、天线引线等导线的场感应耦合增加。

轨道列车布线应执行TB/T 3153—2007《铁路应用机车车辆布线规则》中的电磁兼容规定，确保轨道车辆电缆敷设达到标准要求，该规定主要将电缆分成3 种类别，如表2所示。

表2 ：电缆种类表

不同类别的电缆要分开走线，为了保证足够的去耦，最小间距应符合表3。

表3 ：不同种类电缆间的最小间距（m）

为了实现电磁兼容性、提高系统抗电磁干扰能力，提出了如下布线设计：

（1）分开布置不同类别的电缆，尽量保持表3 中建议的间距；

（2）在不同电缆最小间距无法控制时，可以采用金属导管、金属线槽对不同类别电缆进行分隔；

（3）若不同类别电缆存在垂直交叉情况，则无需控制最小间距；

（4）为了充分利用电缆衰减效应，应该分别在靠近车辆地位置布置金属电缆管、导管等电缆，并将其与车辆地导电连接。

4 轨道列车抗电磁干扰测试

在北京地铁16 号线上进行抗电磁干扰测试，以验证本文所提出的轨道列车抗电磁干扰设计的有效性和可靠性。

4.1 车辆内部干扰测试

为了检验列车内部电子设备和各个子系统之间的电磁兼容性，进行车辆内部干扰试验，参考标准是GB/T 28806-2012《轨道交通机车车辆制成投入使用前的试验》。本测试由3 个子试验组成，即主辅变流器对控制电路的干扰试验、主辅变流器之间的干扰试验以及开关、继电器、接触器开启及闭合时产生的瞬时脉冲干扰试验。

4.1.1 主辅变流器对控制电路的干扰试验

全部车载用电器上电，然后让列车依次处于静止、全加速、最大制动力减速3 种运行状态。观察3 种状态下列车电子控制电路制动控制单元、牵引/辅助/蓄电池单元、门控单元、暖通系统、乘客信息系统、列车中央控制单元的工况，并从事件记录器中读取信息。

4.1.2 主辅变流器之间的干扰试验

全部车载用电器上电，然后让列车依次处于静止、全加速、最大制动力减速3 种运行状态。观察3 种状态下主逆变器电子控制电路、辅助逆变器电子控制电路的工况，并从事件记录器中读取信息。

4.1.3 开关、继电器、接触器开启及闭合时产生的瞬时脉冲干扰试验

全部车载用电器上电，然后让列车依次处于静止、全加速、最大制动力减速3 种运行状态。在3 种状态下开启、关闭主辅电路里的开关、继电器和接触器，观察这些设备的工况，从事件记录器中读取信息。

4.1.4 测试结果

测试结果如表4 所示。在三个子试验中，所有受观察对象在列车3 种运行状态下均未出现过压、欠压、欠流问题，各对象对应的控制电路均工作正常。同时，事件记录器均未报错。由此可以得出，列车内部电子设备和各个子系统之间的电磁兼容性良好，具有很好的抗电磁干扰能力。

表4 ：车辆内部干扰测试结果

4.2 辐射抗扰度测试

若测试中轨道列车与移动通信设备天线间距不足1 米，则移动通信设备天线产生的辐射发射强度过大， 容易干扰车载电子设备，导致其无法正常工作，最终车载设备降级运行导致部分重要功能无法正常使用。因此，本测试需要对轨道列车对便携式无线电设备等辐射干扰源的抗扰度性能进行验证。

辐射抗扰度测试干扰源如下：

（1）轨道交通内部存在的一切公共通讯设备；

（2）轨道交通内部员工使用的对讲机等无线通讯系统设备。

根据标准要求及日常运营情况，被测试设备的选择依据移动通信设备容易靠近的位点。因此，本次试验的被测试设备为：客室监控显示屏、司机控制台、司机室门控、司机室机控、客室显示器、客室动态地图、客室门控、客室摄像头的周边。

被测试设备所在车辆应处于正常操作状态（车辆静止），不增加或减少任何设备，预防任何干扰耦合路径设备出现，减少干扰耦合路径对车辆电磁易损性的影响。所有的设备都应按照既定的程序运行。使用多种频段的干扰源测试对被测设备的影响。

辐射抗扰度测试的具体步骤为：

（1）检查被测设备是否安装正确；

（2）校准干扰源（相应频段手机/对讲机）的干扰强度，确定距离被测设备的距离；

（3）将选定的手机/步话机置于需要测试的车载设备旁，保持电话当前位置（响铃，不接听电话），观察被试设备工作状态或通过列车控制与通信单元来检查每个被测设备的受扰情况，并如实记录；

（4）若出现敏感现象，且性能等级不符合要求，则调整手机和被试设备之间的距离，并记录受扰距离，作为后续分析的依据。

辐射抗扰度测试的结果如表5 所示。由表中可以看出，所有被测设备在各种干扰源下均工作正常，具有很高的辐射抗扰度。

表5 ：辐射抗扰度测试结果

5 结论

本文提出了一套轨道列车抗电磁干扰设计方案。该方案从接地、屏蔽、滤波、布线4 个角度，针对列车各部分的特点进行了抗电磁干扰设计，并通过在北京地铁16 号线上进行组装测试，验证了该设计方案的有效性和可靠性。本设计方案对轨道列车抗电磁干扰设计工作具有重要价值，该工作可以提高列车各系统运行可靠性、保证列车运行安全、旅客的人身安全以及降低列车运营维护成本。