抗串?dāng)_設(shè)計(jì)在地鐵車輛布線中的應(yīng)用

周麗梅　何強(qiáng)

摘 要：如何解決串?dāng)_問(wèn)題是地鐵車輛布線中的關(guān)鍵。簡(jiǎn)要分析了地鐵列車內(nèi)部的電磁環(huán)境，從原理上介紹了串?dāng)_的基本概念，然后結(jié)合南京1號(hào)線延長(zhǎng)線自主4列車項(xiàng)目，介紹了抗串?dāng)_設(shè)計(jì)在地鐵布線中的實(shí)際應(yīng)用情況，詳細(xì)敘述了列車傳輸電纜線的分類、隔離，以及電纜的屏蔽設(shè)計(jì)等抗串?dāng)_的方法。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；抗串?dāng)_；列車布線；屏蔽

中圖分類號(hào)：U270.38+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.004

電磁兼容性是電子設(shè)備或系統(tǒng)的主要性能之一，電磁兼容設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備或系統(tǒng)規(guī)定功能、使系統(tǒng)效能得以充分發(fā)揮的重要保證。因此，在設(shè)計(jì)設(shè)備或系統(tǒng)功能時(shí)，必須進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)。

地鐵列車內(nèi)部包含各種類型的干擾源，有變流器產(chǎn)生的諧波干擾，有快速脈沖群干擾，有數(shù)字高頻信號(hào)對(duì)低頻信號(hào)的干擾等。為了盡量減小列車內(nèi)部電磁干擾引起的不穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，就需要考慮到抗串?dāng)_的問(wèn)題。如何減小導(dǎo)線間的干擾成為了列車電磁兼容設(shè)計(jì)的一個(gè)要點(diǎn)。

1 地鐵布線中的串?dāng)_問(wèn)題

1.1 地鐵列車內(nèi)部的電磁環(huán)境分析

1.1.1 變流器產(chǎn)生的諧波干擾

牽引變流器和輔助變流器是強(qiáng)電磁干擾源。變流器的大功率器件（IGBT）工作在開關(guān)狀態(tài)，電壓脈沖的上升沿和下降沿很陡，dv/dt、di/dt很高，產(chǎn)生諧波的頻譜很寬。

諧波電壓、電流通過(guò)電纜線之間的分布電容耦合，產(chǎn)生差模干擾電流；諧波電壓、電流通過(guò)變流器的輸入、輸出電纜，以電磁場(chǎng)的形式向空間輻射，產(chǎn)生輻射干擾；諧波電流通過(guò)電路間的互感耦合產(chǎn)生感應(yīng)干擾電壓。

1.1.2 快速脈沖群

感性負(fù)載（空壓機(jī)、空調(diào)、繼電器、電磁閥等）分?jǐn)鄷r(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，形成快速瞬變脈沖群。

在開關(guān)分?jǐn)嗟倪^(guò)程中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使開關(guān)觸頭間介質(zhì)擊穿，產(chǎn)生電??；電弧又使電弧觸頭間電位差變小，擊穿消失；擊穿消失后，兩觸頭間電位差重新增大，再次發(fā)生擊穿現(xiàn)象。開關(guān)觸頭間的介質(zhì)周而復(fù)始發(fā)生擊穿和擊穿消失，直至分?jǐn)鄷r(shí)距離足夠大，不足以引起擊穿為止，從而在線路上形成快速瞬變脈沖群。

電感線圈與電感線圈的分布電容組成震蕩電路，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)分布電容的充電和放電引起高頻振蕩，從而在線路上形成快速瞬變脈沖群。

瞬態(tài)脈沖群沿著電纜傳導(dǎo)，產(chǎn)生傳導(dǎo)干擾；通過(guò)電纜線之間的分布電容耦合，產(chǎn)生差模干擾電流；通過(guò)電纜線與車體（大地）之間的分布電容耦合，產(chǎn)生共模干擾電流。

瞬態(tài)脈沖群通過(guò)線圈和電纜以電磁場(chǎng)的形式向空間輻射，產(chǎn)生輻射干擾。

1.1.3 高頻信號(hào)干擾

地鐵車輛中的TCMS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)、ATC系統(tǒng)、音頻視頻通訊系統(tǒng)等，既是干擾源，又是敏感設(shè)備。它們輸出的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)、音頻視頻信號(hào)、以太網(wǎng)信號(hào)運(yùn)行頻率很高，容易對(duì)別的弱信號(hào)形成干擾。

1.2 串?dāng)_

1.2.1 串?dāng)_的基本概念

串?dāng)_是通過(guò)相鄰的兩回路之間的互感和分布電容耦合引起的電磁干擾。容性耦合引發(fā)耦合電流，感性耦合引發(fā)耦合電壓。

導(dǎo)線間的距離，驅(qū)動(dòng)端和接收端的電氣特性、端接方式、傳輸電纜的特性和屏蔽方式對(duì)串?dāng)_有一定的影響。

1.2.2 串?dāng)_的2種耦合方式

1.2.2.1 電容耦合

任何2根導(dǎo)線之間都存在著分布電容，當(dāng)2根導(dǎo)線靠近時(shí)，其中一根導(dǎo)線上的電位發(fā)生變化時(shí)，另一導(dǎo)線所在的回路中即有感應(yīng)電流產(chǎn)生，感應(yīng)電流流經(jīng)輸入阻抗，形成干擾電壓。電容耦合模型如圖1所示。

如圖2所示，回路1與回路2靠近，回路1中通有交變的電流I1，回路1的磁力線穿過(guò)回路2，磁通量為Φ12，當(dāng)電流I1變化時(shí)，Φ12隨之變化，從而在回路2中感應(yīng)出交變的電動(dòng)勢(shì)ε12。

互感電動(dòng)勢(shì)的計(jì)算公式為：

ε12=-M12×dI1/dt.（4）

1.3 抑制2種耦合的方法

1.3.1 抑制電容耦合

抑制電容耦合的方法有以下幾種：①盡可能減小導(dǎo)線間的耦合電容，即加大傳輸線間距離（空間隔離），縮短傳輸線長(zhǎng)度，避免平行走線（最好是正交）；②盡可能增大導(dǎo)線對(duì)地的電容，即減小傳輸線與地板面的距離，使電纜線緊貼鋁合金地板間布線；③盡可能減小電路的輸入阻抗R；④盡可能降低電路的工作頻率ω；⑤敏感傳輸線采用屏蔽線，并將屏蔽層接地，切斷傳輸線之間的電容性耦合。

1.3.2 抑制電感耦合

抑制電感耦合的方法有以下幾種：①盡可能減小環(huán)路面積（環(huán)路包括信號(hào)線環(huán)路、電源線環(huán)路和地環(huán)路 ）。②盡可能減小回路間的交聯(lián)，即增大回路間的距離（空間隔離），增大環(huán)路的交角（最好是正交）。③減小源回路電流的變化率。④采用屏蔽線，將屏蔽層兩端接地。屏蔽層與地構(gòu)成環(huán)路，該環(huán)路電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)削弱干擾源磁場(chǎng)。

2 抗串?dāng)_在地鐵布線中的實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)理論分析可知，避免導(dǎo)線相互串?dāng)_最有效的方法有2種：①使?jié)撛诘母蓴_電纜線與被干擾源電纜線拉開一定的距離；②采用屏蔽線。

2.1 列車傳輸電纜線的分類

根據(jù)電纜傳輸電壓的不同，自主4列車的傳輸電纜線被劃分為8級(jí)，降序排列如表1所示。

劃分的原則基本與阿爾斯通設(shè)計(jì)的項(xiàng)目相同，只是在個(gè)別的信號(hào)電纜的分級(jí)上有區(qū)別。例如，南延線和南二線將24 V線路與110 V控制線路統(tǒng)一為4等級(jí)，在線束上沒(méi)有加以區(qū)分，而自主車項(xiàng)目將24 V線路單獨(dú)劃分了一個(gè)等級(jí)。車上的24 V電源是由110 V經(jīng)DC-DC變換得到的，輸出紋波含量比較大，這樣的設(shè)計(jì)有效避免了含有紋波的24 V電源對(duì)別的信號(hào)造成的干擾。雖然在原理上是這樣考慮的，但是，布線設(shè)計(jì)中卻沒(méi)有給24 V單獨(dú)留出走線的空間，還是將4A和4B混在一個(gè)線束里面。

2.2 列車傳輸電纜線的隔離

不同等級(jí)的電纜之間應(yīng)保持一定的距離，隔離的距離取決于等級(jí)的類型。不同電纜的隔離距離不得小于表2中規(guī)定的下限值。

在實(shí)際布線工作中，大部分線束都是走在線槽里的，線槽設(shè)置有格擋，不同等級(jí)的電纜線束固定在不同的格擋內(nèi)。底架布線線槽如圖3所示。

底架線槽包括底板、與底板左右兩端固定連接的金屬折彎。底板固定在車輛底架上方的線槽安裝支架上，以便進(jìn)行布線操作，減少對(duì)線纜的破壞，提高電纜散熱度。在實(shí)際工作中，采用格柵式的布線結(jié)構(gòu)，將不同電壓等級(jí)的電纜布置在不同的格柵內(nèi)，可以減少電力電纜對(duì)外界的電磁干擾。

2.3 電纜的屏蔽設(shè)計(jì)

電纜之間保持一定的距離是減小串?dāng)_的有效方法，但是，受空間的限制，必須采用相應(yīng)的屏蔽措施。所謂“屏蔽”，就是對(duì)2個(gè)空間區(qū)域進(jìn)行金屬隔離，以抑制電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)由一個(gè)區(qū)域?qū)α硪粋€(gè)區(qū)域的感應(yīng)和輻射。

通常情況下，屏蔽有2個(gè)目的：①用屏蔽體將干擾源（部件、電路、組合件、電纜或整個(gè)系統(tǒng)）包圍起來(lái)，讓屏蔽體接地，阻止干擾電磁場(chǎng)向外輻射。例如，自主4列車的電機(jī)電纜、制動(dòng)電阻電纜采用的都是帶有屏蔽層的電纜，并將屏蔽層雙端接地。這樣做的目的是防止動(dòng)力電纜干擾其他電纜線路。阿爾斯通的項(xiàng)目沒(méi)有這樣的設(shè)計(jì)，這從一個(gè)側(cè)面反映出ABB的設(shè)計(jì)與阿爾斯通的不同。②用屏蔽體將敏感體（部件、電路、組合件、電纜或整個(gè)系統(tǒng)）包圍起來(lái)，讓屏蔽體接地，阻止外界電磁場(chǎng)進(jìn)入屏蔽體。例如，1A等級(jí)（音頻和視頻模擬電路）、2A（Can網(wǎng)絡(luò)+列車以太網(wǎng)）、2B（傳感器+RS485+其他數(shù)據(jù)線）必須采用屏蔽措施隔離。

3 結(jié)束語(yǔ)

在地鐵車輛的抗串?dāng)_設(shè)計(jì)中，根據(jù)電壓和信號(hào)等級(jí)的不同，為列車傳輸電纜分類，在布線時(shí)，按照電纜等級(jí)分開鋪設(shè)，使受干擾源與干擾源盡可能遠(yuǎn)離，高電壓電纜與低電壓電纜分別鋪設(shè)，數(shù)字信號(hào)電纜與模擬信號(hào)電纜分離，高頻信號(hào)電纜與低頻信號(hào)電纜分離。在優(yōu)化線路布局時(shí)，采用格柵式的布線結(jié)構(gòu)。這樣做，能減少電力電纜對(duì)外界的電磁干擾，提高信號(hào)電纜的抗干擾能力，必要時(shí)，再采取適當(dāng)?shù)钠帘蔚却胧?，就可以很好地解決現(xiàn)階段地鐵列車中存在的串?dāng)_問(wèn)題。

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〔編輯：白潔〕