《复杂电磁环境下城市轨道交通的电磁兼容设计》
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摘 要：伴随着城市化进程和城市面积的扩张,城市轨道交通成为了人们出行的主要交通方式.而在现代城市中,电气网络、移动通信网络无处不在,产生了多种多样的电磁波和电信号,它们构成了复杂的电磁环境,会引起城市轨道交通的严重电磁兼容问题.为了解决这个问题,本文提出了复杂电磁环境下城市轨道交通的电磁兼容设计,并以上海地铁6号线项目为例,在实际测试中检验了该电磁兼容设计符合标准的有效性和可靠性.在该设计中,详尽分析了电磁干扰源、耦合路径和敏感设备,并严格设计了接地、屏蔽、滤波和布线等电磁耦合路径切断技术,从而满足了城市轨道交通的电磁兼容性要求.
关键词：城市轨道交通;电磁兼容设计;复杂城市电磁环境;电磁耦合路径
中图分类号：U284.93、U285.7 文献标识码：A
Abstract：With the development of urbanization,urban rail transport has become the main transportation method in a city.However,in a modern city,a variety of electrical networks and mobile communication networks are everywhere,and produce various electromagnetic wes and electrical signals,which form a complex electromagnetic environment and result in serious electromagnetic compatibility（EMC）problem in urban rail transport.To resolve such problem,this paper proposes an EMC design scheme for urban rail transport in a complex electromagnetic environment,and verifies its effectiveness and reliability in the actual test by taking Shanghai Metro Line 6 as an example.In this scheme,electromagnetic interference source,coupling path and sensitive devices are analyzed in detail,and the blocking techniques of electromagnetic coupling path,i.e.grounding,shielding,filtering and wiring,are strictly designed to meet the EMC requirements of urban rail transport.
Key words：urban rail transport;EMC design;complex urban electromagnetic environment;electromagnetic coupling path
1 緒论
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当前,城市轨道交通已经成为城市中人们出行的主要交通工具.带来出行方便的同时,它也成为城市的电磁干扰源.电磁兼容是指电子设备在所在电磁环境中能正常工作且不对该环境中的其他电子设备造成不利电磁干扰影响的能力.保障城市轨道交通电磁兼容性是保证城市轨道交通可靠性的必然要求.如果城市轨道车辆内的电磁干扰过大,会导致列车电子设备错误操作、通讯网络频繁出现故障、电子元器件受损等情况.因此,城市轨道交通的电磁兼容性成为人们关注的焦点.
在自然界中,早已存在了电磁现象.自从人类开始使用电能,随之而来的是,电气设备越来越广泛地应用在人们的日常生活中.同时,这些电子设备产生了越来越多的电磁干扰,干扰了电子设备的正常运行.1881年,希维赛德发表了“论干扰”的论文,开启了电磁兼容问题的研究[1].20世纪以来,随着通信、广播技术的迅速发展,电磁干扰也愈发强烈,人们开始投入大量的人力、财力去进行电磁兼容的研究.20世纪80年代,在计算机技术的协助下,实现了系统电磁兼容预测.因此,从20世纪90年始,电磁兼容的工作从事后检测处理发展到预先分析评估、预先设计.因此,电磁兼容设计已成为现代工业生产并行工程系统的实施项目组成部分[2].电磁兼容的研究对象覆盖很广泛,从微小的芯片到各类舰船,甚至是战斗机[3]、洲际导弹、航天飞机等等.
在城市轨道车辆中,拥有计算机控制技术的弱电元件,还有大功率、高电压、大电流动力设备等强电元件,复杂多元的电子元件设备在车辆中并存运用,致使车辆内外的电磁环境恶化.为了保障车辆的各种电气设备都能正常工作,互不干扰,提高车辆运行的安全性,同时给乘客带来舒适的乘坐体验,需要对车辆专门进行电磁兼容设计.针对该问题,文献[4]对地铁车辆电磁兼容设计进行了简单探讨.在文献[5]中,以广州地铁4号线为例,根据车辆的电磁兼容要求和系统设备的构成布置等信息,分析了城市轨道车辆的干扰源和敏感设备,提出了车辆电磁兼容的解决方案,并完成了试验验证.
本文以上海地铁6号线项目为例,详细分析了电磁干扰源、耦合路径和敏感设备,并设计了城市轨道车辆的接地、屏蔽、滤波、布线等电磁耦合路径切断技术.测试结果表明,该设计使城市轨道车辆符合标准,满足了复杂电磁环境下的电磁兼容要求.
本文其余部分的安排如下：第2部分主要介绍了电磁干扰建模分析;第3部分详细阐述了电磁兼容功能设计;第4部分给出了电磁兼容测试结果;第5部分总结了全文.
城市轨道车辆设计需要对高压电源箱、辅助逆变器、电机逆变器、电池充电器和制动电阻器等主要发射源的设备或部件进行屏蔽效能的充分考虑.为了满足高屏蔽效能的要求,选择了具有连接至车架的所有屏蔽层的屏蔽概念.即在尽可能多的位点处,将所有屏蔽用的导电部分进行导电连接.随后,将电缆屏蔽层的两端连接至车架.
城市轨道车辆的电场屏蔽设计如下：
（1）屏蔽板由良导体材料制成,要有足够的强度,对厚度无要求.
（2）屏蔽板需靠近受保护物,且必须良好接地.
（3）全封闭金属盒的屏蔽效能最好,但工程上很难做到,做到尽量封闭即可.
城市轨道车辆的磁场屏蔽设计如下：
（1）被屏蔽设备与屏蔽体内壁应留有足够的间隙,这样,既防止磁短路现象发生,又可以尽量减少通过被屏蔽设备的磁通.
（2）为了防止磁饱和,应选用高磁导率的铁磁性材料（如坡莫合金）作为磁屏蔽体.
（3）注意屏蔽体的接缝、通风孔等均能增加屏蔽体磁阻、降低屏蔽效果.应使列车上屏蔽体的接缝与孔洞的长边平行于磁场分布的方向,尽量开小圆孔,其排列方向需要使磁路增加量最小.
（4）为了减少屏蔽体的磁阻,可增加屏蔽体的壁厚.单层屏蔽体的壁厚原则上不宜超过1.5mm,可采用双层屏蔽、三层屏蔽增强屏蔽效果、防止磁饱和.
（5）从磁屏蔽机理的角度,屏蔽体不需接地,但是为了防止电场感应,一般还是要进行接地处理.
（6）屏蔽体加工成型后要进行退火处理.
3.3 滤波
滤波的主要功能是选择信号和抑制干扰.其工作原理是在电磁波的传输路径上形成极大的特性阻抗,将电磁波中的大部分能量反射回干扰源.城市軌道车辆上存在大量的非线性设备,如整流器、逆变器、开关电源等.同时内外部存在大量的非线性干扰,如断路器、继电器的吸合和断开、电弧、变压器和电抗器的电磁饱和、雷击和雾闪等.它们造成的车辆各系统中的电能和信号量都是基波和多个谐波的合成.这些谐波将会以辐射和传导的方式耦合进车辆的各系统中,从而影响电气电子设备的正常工作.因此,必须有效应用滤波器滤除噪声和分离各种不同信号,使电磁干扰不至于引起设备的性能降低或失灵.城市轨道车辆主要应用滤波电抗器、电源滤波器、信号滤波器.
城市轨道车辆的滤波设计原则如下：
（1）滤波器中的电容器和其他元件间应正交安装,减小相互耦合.其电容器引线应尽量短,以免在较低频率上谐振.
（2）滤波器需要良好接地.
（3）电源供电线的滤波器应安装在电子设备或屏蔽体的电源入口处,同时进行屏蔽.
（4）必须对同一插座上的每根焊接导线都进行滤波,否则会降低滤波器的有效性.
（5）滤波器的输入、输出引线之间需要进行屏蔽,更不得往返交叉;否则,它们之间的耦合将大大降低滤波器的抑制特性.
3.4 布线
在城市轨道车辆的布线中,不同电压的电缆将产生电场效应,从而可以成为干扰源.因此,为了提高整个机车布线的稳定性、抑制电磁干扰,在布线设计中需要考虑电磁兼容问题.在交流传动城市轨道车辆中,控制类电缆既可能受到电磁干扰、又可能成为电磁干扰源,变压器、电机、辅助设备等的电缆极容易产生电磁干扰,而与此同时,信号线、数据传输总线、ATP信号电缆、音频电缆和视频传输电缆、天线引线等容易受到电磁干扰.布线应根据不同电缆分类布防,并以相关标准规范要求为根据,且不同类别电缆之间要保证有最小距离.
按照导线长度与波长的关系,布线电磁干扰包括低频耦合和高频耦合.导线长度等于或小于1/16波长时的布线电磁干扰为低频耦合,导线长度大于1/16波长时的布线电磁干扰为高频耦合.
低频耦合可分为电场耦合和磁场耦合,电容耦合是电场耦合的物理模型,电感耦合是磁场耦合的物理模型.因此,在布线时应尽可能降低或阻断耦合量.低频耦合的布线设计需要注意：
（1）为了减小两个电路间的耦合量,可以追加滤波器.
（2）为了减小分布电容和线间互感,可以增大电路间隔,同时综合分离强电电缆与弱电电缆.
（3）允许范围内在输入端并接一个电容或阻值较低的电阻,以便降低输入阻抗.
（4）尽可能使敏感设备回路与干扰源回路平面正交、或接近正交,以便降低两电路的耦合量.
（5）为了有效抑制低频电场干扰,可以采用屏蔽电缆,并使其单点接地.
高频耦合中,电路中出现电压和电流的驻波,会增强耦合量,一般应该注意：
（1）为了保证滤波器良好的滤波效果、防止输入输出线间耦合,重新整理它的输入输出线.
（2）电缆屏蔽层需要采用多点接地.
（3）与外壳接地首选面接触的方式,尽可能缩短接地线.
（4）为了防止天线效应,可以把连接器的悬空插针连接到地电位.
4 城市轨道车辆的电磁兼容测试
4.1 传导发射试验
传导发射试验目的是为了检验轨道车辆与运营环境系统设备的兼容性.传导发射试验参考标准GB/T24338.3-2009[6],试验结果如表1所示.
试验场地为正线、车辆段内.被试车辆状态为：车辆负载AW3;开启所有可能影响干扰电流的车载设备,包括辅助变流器模块（ACM）、蓄电池充电器（BC）、空调机组（ACU）、轨道车辆及车厢内照明设备.试验车辆的运行工况为：持续高速、间歇高速、模拟运营、车辆降级以及段内工况.
由试验结果可以看出,通过对轨道车辆的接地和屏蔽设计,有效地实现了对运营环境的抗电磁传导干扰
4.2 辐射抗扰度试验
辐射抗扰度试验目的是检验轨道车辆与其外部环境的电磁兼容性.试验场地应远离移动通信基站,以保证试验用设备有足够的辐射发射强度.
被试车辆应处于正常操作状态,没有任何设备的增添或减少;不允许出现可能形成干扰耦合路径的设备;所有的设备都应按照既定的程序运行;维护所用设备应封存,以便为乘客提供正常的服务.测试过程应满足以下条件：所有列车通信和控制设备都处于打开状态;所有静态变流器都处于打开状态;电池充电器处于打开状态;驱动控制单元处于打开状态,牵引变流器处于通电状态,但无牵引力;制动控制单元处于打开状态,机械式制动器处于激活状态;列车自动控制系统处于打开状态;照明设备处于打开状态;闭路电视处于打开状态;乘客信息系统处于打开状态;烟雾检测系统处于打开状态;暖通空调处于打开状态;所有门处于关闭状态.
辐射抗扰度试验参考标准EN 50121-3-1：2015[7],试验结果如表2所示.
由试验结果可以看出,通过对轨道车辆的接地和屏蔽的设计,有效地实现了外部环境的辐射抗干扰.
4.3 车辆内部干扰试验
车辆内部干扰试验检验了轨道车辆内部电子设备及子系统间的电磁兼容性.试验场地是试车线或者正线.被试车辆不加载记录设备,关闭维修孔、维修罩及维修仓,启动在试验工况下允许的全部用电设备.
车辆内部干扰试验参考标准GB/T28806-2012[8],试验结果如表3所示.
由试验结果可以看出,通过对轨道车辆的接地、屏蔽、滤波和布线设计,有效实现了车辆系统内部的抗电磁干扰.
4.4 辐射发射试验
辐射发射试验主要进行整车的电磁辐射发射,考核整车辐射发射是否满足电磁兼容性要求.试验应选在晴天进行测量：温度大于等于5℃,风速小于10m/s,湿度足够低,防止供电电源导体上产生凝结.试验场地附近10m范围内不应有树木、围墙、桥梁、隧道、汽车等,也应避免在高架间断处、变电站、变压器、VUT区域、分段绝缘器等处试验,并且在同一供电段2km之内不应有其他行驶轨道车辆.
被试列车应达到交付要求,无临时布线.静止状态时,牵引车辆辅助变流器工作,牵引变流器上电但不工作;拖车辅助变流器、电池充电器工作;开启车辆上所有能够产生辐射发射的电气系统.慢行状态时,牵引变流器及辅助变流器上电工作,开启车辆上所有能够产生辐射发射的电气系统,经过天线时列车以1/3最大牵引力加速或减速.
辐射发射试验参考标准GB/T24338.2-2011[9],该试验结果验证了城市轨道车辆整车辐射发射满足电磁兼容性标准,不会对城市环境造成电磁污染,表明对轨道车辆的电磁兼容设计是有效的.
5 结语
针对目前城市轨道交通面临的复杂电磁环境下的电磁兼容问题,本文首先介绍了城市轨道车辆的电磁兼容定义,分析了电磁兼容的三要素：干扰源、耦合路径和敏感设备.在此基础上,提出了城市轨道车辆的电磁兼容设计方案,并严格设计了接地、屏蔽、滤波和布线等电磁耦合路径切断技术.最后,对城市轨道车辆进行了电磁兼容检验试验,试验结果表明,所提出的电磁兼容设计方案有效、可靠,被测试车辆符合城市轨道交通的电磁兼容标准.
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基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFB1200100）;轨道车辆电磁兼容仿真数据库开发项目（BUAA-ZCCC-FZDD-2019-1）
作者简介：郝宏海（1986-）,男,黑龙江哈尔滨人,2011年获得哈尔滨工业大学硕士学位,现为中车长春轨道客车股份有限公司工程师,电磁兼容实验室负责人,主要研究领域为轨道客车车载电子电气和电磁兼容.
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电磁兼容和城市轨道交通引用文献:
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