地铁列车布局布线EMC技术研究

陈娟，潘倍强

（1.中车株洲电力机车有限公司，株洲 412001；2.重载快捷大功率电力机车全国重点实验室，株洲 412001）

引言

随着城市化水平不断提高，作为承载旅客运输任务的城市地铁是一个能够实现众多功能的庞大系统，大量精密设备和线缆被集中安置在地铁内，保证其电磁兼容安全性和可靠性就十分必要。

国内城市轨道行业发展势头强盛，智能、自动控制的城市轨道车辆成为现代地铁的标准配置，新兴技术与新式设备越来越多得出现在新型地铁上，用以满足更安全、更快速、更便捷、更人性化的需求。由不同厂家提供的各种系统、电子设备和多种多样的供电以及信号传输线缆安装、敷设在地铁列车如此狭小的空间内，使得地铁列车电磁环境更为复杂，其电磁恶劣程度不容乐观。若是没有采取适当、合理的电磁兼容处理措施，极易产生相互干扰，进而会引起极为严重的EMC问题。

当忽视电磁兼容方面的考虑或是处理措施不当时会产生电磁干扰，电压或是电流产生的电磁场会通过各种途径传到受干扰对象，造成受干扰对象性能下降或是受干扰对象损坏等不良后果，电磁干扰主要有以下危害：

1）对电子系统的影响

电子系统为容易受到干扰的系统，但是大多数电子系统却充当产品的核心控制部分。电子系统的控制电路为弱电电路，一旦受到电磁干扰，将导致整个系统的故障甚至崩溃，进而使得整个产品的故障或是损害，产生无法预计的后果。地铁信号系统为整个地铁列车的极其关键的系统，容易受到各种有线或是无线信号的干扰，若是受到过强的电磁干扰，会使得地铁列车出现如故障制动、非正常启动等不正常情况。

2）对电子类设备损害

电子设备特别是灵敏的电子设备受到过强的电磁干扰极容易出现过大的感应电压导致设备发生故障、失效甚至损害的后果。电磁干扰也会使得电子设备出现功率损耗增加，发热严重，电子设备寿命降低等问题。例如，地铁列车上若是有过高的电磁干扰，可能会导致乘客心脏起搏器的损害，影响乘客的安全。

1 国内外电磁兼容的发展

1.1 国际电磁兼容发展

十九世纪初期，人类开始研究电磁干扰现象。在1881年，科学家Heaviside发表了“论干扰”一文，电磁学开始被科学家重视、研究。电磁兼容也就是以此时电磁干扰为基础开始发展，开始被科学界正式研究[1]。

在十九世纪末期，科学家通过进行电磁实验使电磁波具象化，证明了电磁场是客观存在的物质。英国开始把EMI问题的研究转向生产过程。截止到二十世纪三十年代，EMI的研究才普遍被国际重视，国际电工技术委员会正式提出电磁兼容问题。到四十年代，由一起电磁兼容问题引起的恶劣事故，国际无线电工干扰特别委员会召开电磁干扰及预防控制会议，使得全世界开始详细研究电磁兼容，德国更是抢先一步，制定了第一个电磁兼容性标准VDE-0878[2]。

随后包括计算机、通信、运输等众多行业得到迅速的发展，电磁环境越发复杂，各行各业对于自己的电磁兼容要求更为具体和详细。这使得电磁兼容开始急剧扩张，由专门的组织和机构根据各行业的电磁兼容需求，制定一系列专用于本行业设备和产品的EMC的标准和规范。2000年，EU制定了针对机车车辆的EN50121-2000[3]。以此规范轨道产品的电磁兼容性，为轨道产品提供在实际电磁环境中能够正常工作，且不会对外界造成过分干扰的最低限度要求。减少轨道产品的生产周期型和不必要的电磁问题的产生，保护产品的使用寿命和旅客的人身安全。更在二十世纪八十年代后，国际上开始对电磁兼容进行强制执行和认证，将电磁兼容发展推向又一个新高。

在未来发展中，科技的进步会使得设备和系统精密程度、安装密集程度不断提高，进而导致电磁要求更为严苛，电磁兼容技术会发展的越发迅猛，会向着更为专业和深入发展，成为不可或缺的技术。

1.2 国内电磁兼容发展

与国外相比，中国在电磁兼容方面开始研究较晚且发展速度缓慢，在二十世纪六十年代才开始正式研究电磁兼容，国内电磁兼容理论开始发展[4]。直到八十年代，国内才出现专门的机构根据IEC和CISPR的电磁兼容标准，制定适合国内发展的电磁兼容标准和规范。而在之后的时间，才有各种关于电磁兼容问题的学术活动开始开展，各种针对电磁兼容的组织开始出现。

对于地铁列车的布局布线的研究较少且多处于初步阶段，单纯以理论为主未结合实际进行分析研究。文献[5]阐述了城轨列车线缆布线和屏蔽的理论，提出来宏观上的布线设计和一些必要EMC措施。文献[6]简述了高速动车组的布局设计和对于不同线缆采取的电磁兼容措施。文献[7]结合HXD1B交流传动机车介绍了中央线槽内四类线的布线，并且结合EMC对其车上的电压柜进行了设计和对内部线缆进行了选型分析。文献[8]介绍通过增加车辆上干扰源与敏感源距离保证设备间的电磁兼容性，同时也对列车车辆上的线缆分类和选型做了分析。文献[9]从线槽选材和开孔两个关键屏蔽技术，对高速动车组的布线线槽进行了一定的设计，并从根据线缆电磁兼容特性对槽内线缆进行了分类敷设设计。

国内的EMC标准和规范也在把国际标准作为标杆开始深入发展，轨道交通EMC成为轨道交通行业极为重视的一个方面，它实施的好坏关系着轨道车辆的安全和人员的安全与否，也决定周边的环境的健康与否。而在国家关注生态文明建设的大环境下，轨道交通对于EMC问题有着更为严格要求，之后电磁兼容将会向着更为完善的预测、评估进行大跨步的前进。

2 地铁布局布线设计

改善地铁电磁环境、保证地铁设备电磁兼容安全性的一个重要措施就是对于地铁的设备布局和布线技术。基于相关电磁兼容知识，结合相关列车电磁兼容布局布线经验和布局布线标准，将整个地铁地铁的设备按照不同电磁干扰特性等级排布，使同级别的干扰源设备尽量集中布置，使同一级别的易受干扰的设备布置在一区域，同时将两者尽量远离，以达到敏感设备和干扰源保持一定距离的目的。同时，用于实现各个系统或是设备相互通信及进行供电的线缆，通常电压、频率各有差异，需要根据线缆的干扰特性对线缆进行分析，采取适当的布线措施，降低电磁干扰或是被干扰可能性。还需要采取必要的屏蔽、滤波措施，对设备和线缆进行更一步的防护。

2.1 高危分区划分

功能多样、系统复杂的地铁列车有着大量的车载设备，既有极强电磁干扰性的牵引变流、受电弓等设备，也有以太网线缆、CAN总线、温度传感器等敏感设备。将这些设备安装在地铁车上、车内、车下等位置，在整车布局设计时，按照位置和电磁敏感特性进行分区，并将该区域进行危险评定有着十分重要的意义。

根据地铁设备的电磁干扰特性不同，并对于区域的划分不同，可以分为五个区域，高干扰区、主要干扰区、中性区、主要敏感区、高敏感区，不同等级分区靠近会出现EMC风险，应尽量将相同等级分区集中放置，而不同分区进行远离。

由图1可以看出，不同等级区域之间靠近会出现不同的EMC风险。相同等级的区域不会出现电磁干扰，而敏感度高与干扰性强的区域会出现极高的电磁干扰，危险程度最高。

图1 相邻分区产生的EMC风险评级

2.2 车下布局

考虑到电磁兼容问题，将新一代B型地铁牵引逆变器、牵引电机、高压箱、空气压缩机等主要的大功率高压设备布置在车下，车下干扰区如图2所示。而将网络通信、列车控制以及直流、低压交流设备布置在车上，以达到敏感设备和干扰设备隔离的目的。

图2 车下设备布局及其电磁兼容性

2.3 线槽布局

地铁需要使用线缆进行供电和通信，数量众多、类型多样的线缆也极易产生电磁兼容问题。为减少不同等级的电缆串扰，需要使用线槽对其进行敷设，对于线槽的设计以及布局极为重要。

车上的单节线槽需要设计成如图3所示，可以根据需要确定是否添加盖板。

图3 线槽结构设计

1）厚度设计关系着屏蔽效果

金属线槽壁越厚越能增强线槽的近场屏蔽能力，而线缆内有高频干扰时，会由于趋肤效会使得线槽厚度不需要过厚。通过仿真、实验，一般线槽厚度在（0.2～0.5）mm即可以实现屏蔽。

虽然不需要过厚的线槽，但是还是需要使用满足一定的物理状态，以保证线槽的刚性强度和使用寿命。结合之前地铁线槽设计，设计使用2.5 mm的厚度能够起到必要的屏蔽作用，又能保证线槽的使用寿命。

2）需要注意接地设计

对于线槽使用接地编对其两端进行近距离的接地，同时由于其线槽较长，需要对其进行多次接地。线槽接地如图4。

图4 线槽接地方式

图5 线槽内线缆布局

线槽在按照一、二位侧对称敷设，线槽开口处对着地铁车侧壁，地铁车壁能够起到盖板的作用，但是若是想要提高屏蔽效果，可以单独设计盖板，将此线槽设计完成后，也需要对线槽内线缆进行合理的布局，合理的线缆布局能够加强线槽的屏蔽能力。

①根据地铁线缆分类，车顶线槽可以将其分为三个线槽，为了使强噪扰线缆和敏感度高的线缆出现电磁兼容问题的可能性最小，可以将A类和B类线缆，放在相隔最远的两个槽内，即线槽对应的三个槽分别放置A类（380 V交流）、B类（110 V等）、C类（信号线等）三类线缆。

②线缆应该尽量靠近线槽敷设，使线槽起PEC的作用，减小线缆的干扰。

③电线、电缆和分支接头的敷设量总截面积应该不超过线槽截面积的75 %。

3 线槽仿真及分析

将选取的典型线缆按照布线规范在线槽中进行布线，压缩机线缆在A槽靠近线槽壁，将信号线缆敷在C线槽远离远离A线槽的地方，保证压缩机线缆和信号线缆保持最远距离，将控制线缆敷设在B线槽内线缆线槽三维模型如图6所示。

图6 线缆线槽组合图

3.1 仿真结果

查看磁场结果，并且选取m1（-41，-5,3880）和m2（-2.49，-25,3930）看各自点的磁感应强度。

1）无线槽磁感应强度分布如图7。

图7 无线槽布线仿真结果

求解域内的线缆之间的涡流极强，可以看出A类线和B类线对于C类线存在着潜在的安全隐患，当A、B类线缆在线槽内数量达到一定的程度，会影响C类线缆的信号传输，甚至会损伤C类线所连接的设备。

2）铝制线槽布线磁感应强度如图8。

图8 铝制线槽布线仿真结果

可以看出铝材质对于涡流场的屏蔽有一定的屏蔽能力，但是其屏蔽能力较差。由于铝材质为弱磁性材料，所起到的磁场屏蔽效果有限。其屏蔽能力可以满足线槽的使用要求，同时为了满足刚性需求等要求，会选择铝合金的线槽。

3）硅钢材料线槽布线如图9。

可以对比得出，其屏蔽效能最高，效果最好，AC380V线缆产生的涡流场几乎完全被封闭在A槽内，保证了B线槽内110 V线缆的电磁兼容安全性，更加保证了C线槽的线缆的安全，但是需要根据实际情况进行选择。

3.2 结果分析

铝制线槽的m1和m2处的磁感应强度和无线槽时对比，其磁感应干扰强度得到明显的降低，能够满足使用。而使用硅钢材料设计制作的线槽对比于铝制线槽实验起到磁场屏蔽作用更为明显，在m1和m2处，磁感应强度均为0 T。将A、B、C线槽的线缆恰当地隔离开，能够保证A、B、C三类线缆的电磁兼容性。使C类线缆信号不受到A、B类线缆传输电流的干扰，保证了信号的纯净性，对于整个列车的运行起着极为关键的作用。

4 结论

布局布线技术是地铁电磁兼容设计中的有效设计方法之一，关系着地铁列车整体电磁兼容安全，更是影响着地铁列车运行的正常与否。本文结合电磁兼容研究，针对地铁实际情况和标准规范，做的分析和设计切实可行，部分设计已经被应用到了该地铁车的制造和生产中。

对地铁车辆上的干扰源设备、敏感设备和布局布线技术做了分析，为电磁兼容工程师对于检查和解决两系统EMC问题提供了切入点，结合相应的电磁兼容标准和以往地铁布局布线，对地铁列车做了EMC分区和线缆进行EMC分类，制定了地铁关键位置的布局和布线两大设计，以及参与了线槽相关设计，采用电磁场仿真软件对所设计的线槽进行有无线槽和改变线槽材质进行涡流场的对比仿真实验，确定了线槽有着磁场屏蔽能力，同时合理的选材能够将其电磁屏蔽能力大大提高。

本文的EMC布局布线技术不仅限于对地铁的设计和分析，还有许多可以改进和拓展的分析设计。

1）需要将列车上的关键电气位置进行细化并对于各个位置线缆进行更为具体的分析和规划，以达到更高的电磁兼容安全性。

2）除了线槽之外，地铁列车上还有许多EMC风险较高的地方，如：机柜、司控台、线管、整车等地方，将其布置电气设备和电缆之后使用电磁仿真软件对其进行适当的电磁场的仿真，判断其周围电磁环境的好坏。