地鐵車輛電磁兼容性研究

尹洪旭

中車大連機(jī)車車輛有限公司 遼寧 大連 116100

1 前言

地鐵車輛電磁兼容性即在電磁環(huán)境中,地鐵列車不影響其他軌道交通系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行,也不能因這些系統(tǒng)和設(shè)備的干擾而降低甚至影響列車運(yùn)行的安全性。電磁干擾存在于地鐵沿線及車輛內(nèi)部電氣設(shè)備之間、車輛電氣設(shè)備與乘客之間、車輛電氣設(shè)備與乘客攜帶的移動電子設(shè)備之間,因此電磁兼容設(shè)計(jì)工作貫穿于地鐵沿線電氣設(shè)計(jì)、車輛設(shè)計(jì)及車輛電氣子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

地鐵車輛的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮電磁兼容性,采取有效地措施確保地鐵沿線的外部因素(如供電設(shè)備、信號、無線通信、PIDS系統(tǒng))不會對車輛設(shè)備的正常工作造成干擾,也要確保因車輛設(shè)備工作造成的各種干擾(輻射干擾、發(fā)射干擾、傳導(dǎo)干擾)對人體、乘客攜帶的移動電子設(shè)備及地鐵沿線電氣設(shè)備的影響滿足電磁兼容性EN50121等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2 電磁兼容設(shè)計(jì)要素

電磁兼容設(shè)計(jì)要素如下:

(1)降低干擾源對外的干擾;

(2)切斷或是降低干擾路徑耦合過來的干擾能量;

(3)提高敏感系統(tǒng)的抗干擾能力。

針對上述設(shè)計(jì)要素提出的具體措施見表1。

表1 電磁干擾設(shè)計(jì)要素及對應(yīng)的抗干擾措施

3 車輛電磁兼容設(shè)計(jì)主要措施

3.1 布線設(shè)計(jì) 車輛中不同電壓等級的電纜產(chǎn)生的電場效應(yīng)會成為整個(gè)系統(tǒng)電磁干擾的干擾源。為了抑制電磁干擾,提高列車整體布線的穩(wěn)定性,同種類的線纜應(yīng)分門別類單獨(dú)鋪設(shè)以提高電磁兼容能力。車輛線纜分為6類,詳見表2。

表2 車輛所用線纜分類

以上6類電纜,其對外干擾的幅度由小到大為1-6,而易受干擾的程度由小到大為6-1。如有可能,不同的線纜應(yīng)盡可能獨(dú)立布線。如若在實(shí)際安裝中難以實(shí)現(xiàn),則其干擾的能量,抗干擾能力以及線纜相互間平行走線的長短將決定線纜間的最小間距。上述6類電纜布線的最小間距要求見表3。

表3 車輛布線間距要求

如果上述最小間距難以保證,則應(yīng)遵循以下原則:

1)不同類型線纜盡量交叉垂直走線。

2)不同類型電纜盡量使用良好接地的金屬材質(zhì)的線管或線槽。

3)線纜的輸出線以及回路線應(yīng)盡可能相鄰走線以減小干擾/干擾耦合的環(huán)路。

4)線纜應(yīng)通過專用連接器與接口連接。

另外,在屏蔽線的選擇上,除牽引逆變器,輔助逆變器等高壓大電流設(shè)備經(jīng)過EMI濾波接地等處理措施使其滿足要求而無需使用屏蔽線纜外,其他諸如數(shù)據(jù)總線、ATC、通信、控制、PIDS、各傳感器等線纜將盡可能使用屏蔽雙絞線、同軸電纜等。

3.2 屏蔽設(shè)計(jì) 屏蔽分為電場屏蔽和磁場屏蔽。其中電場屏蔽主要使用銅或鋁合金等材質(zhì),同時(shí)需要良好接地,否則達(dá)不到屏蔽效果。另外考慮到高頻電場干擾的

波長等因素,屏蔽的柜體應(yīng)注意縫和開槽的設(shè)計(jì)以盡可能提高其屏蔽效能。理論上磁場屏蔽需要考慮材質(zhì)的磁導(dǎo)率等因素,實(shí)際運(yùn)用中鋁板等低磁導(dǎo)率

的材質(zhì)在大的厚度下對來自于牽引/輔助逆變器,牽引電機(jī)等的低頻磁場干擾同樣有一定的衰減能力而使其滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。故需要注意的點(diǎn)集中于:

1)線纜屏蔽需進(jìn)行良好接地。

2)屏蔽線與端口需360度端接,不能使用引線/插針法端接。

3)柜體的屏蔽應(yīng)考慮門,縫,槽,孔等處電氣搭接的連續(xù)性,必要時(shí)需使用導(dǎo)電襯墊,簧片等措施。

4)對低頻磁場屏蔽的鋁板等應(yīng)充分考量實(shí)際效果。

3.3 接地設(shè)計(jì) 接地分為以下幾種類型:

1)保護(hù)地(安全接地)

此類接地主要功能為人身安全的保護(hù),防止直接或間接的觸電事故,涉及到各類結(jié)構(gòu)器件,此時(shí)應(yīng)盡可能地以大的面積接地以達(dá)到低阻抗的目的。此阻抗的合理設(shè)計(jì)會抑制噪聲電流等流過此處會產(chǎn)生的電壓,從而保證人的安全以及因?yàn)榇穗妷憾斐傻墓材８蓴_。

2)功能地(工作地)

此類接地是整個(gè)車輛系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件,一方面為正常電路提供回路,同時(shí)作為參考的基準(zhǔn)電路。接地的好壞,干擾/抗干擾環(huán)路的大小將決定電路系統(tǒng)是否能穩(wěn)定地工作并且是否能減小對外干擾以及提高自身抗干擾能力

3)電磁兼容相關(guān)的地(屏蔽體接地,器件濾波接地等)

此類接地主要針對做了屏蔽的部分,比如線纜屏蔽層,屏蔽電氣柜等。此屏蔽體是否接地以及接地措施的好壞將直接決定屏蔽效果的好壞。屏蔽體的接地應(yīng)遵循大面積低接地阻抗的原則。不同的接地點(diǎn)如果電位一致則按照雙點(diǎn)或多點(diǎn)接地的原則,如果不一致則按照單點(diǎn)接地以防止此電位差引起共模干擾。屏蔽電纜接口應(yīng)使用專用連接器或夾緊螺母,以確保其屏蔽層按照360度環(huán)接方式接地。屏蔽柜的蓋子門板等應(yīng)考慮漆等絕緣物質(zhì)對屏蔽接地連續(xù)性的影響。

3.4 濾波 濾波是最直接有效抑制電磁干擾的方法,在子系統(tǒng)的輸入輸出加入濾波電容,電感,鐵氧體磁環(huán)等將從源頭抑制其對外的干擾,同時(shí)提高自身的抗干擾能力。

4 信號兼容性

信號兼容性是行車安全要求中最重要的因素,信號采集后傳送所涉及的有線和無線傳送只有做到與其他系統(tǒng)兼容,才能使信號系統(tǒng)信號正常傳送,以確保軌道交通系統(tǒng)的行車安全。

信號系統(tǒng)的組成由信號采集傳感器、信號傳遞通道及信號處理單元構(gòu)成。對于不同的信號設(shè)備,其電氣性能尤其是電磁特性以及工作安裝環(huán)境是不同的,因此與車輛的各種接口也是完全不同的。

信號兼容性要求就是信號與車輛之間的接口要求。

4.1 適用于各子系統(tǒng)的干擾源和干擾種類 在本次廣州地鐵十三號線中,信號系統(tǒng)使用計(jì)軸器方案,因計(jì)軸器發(fā)射單元通過一定的頻率(工作頻率)發(fā)射信號,接收單元通過磁場感應(yīng)正常接收,有車輪經(jīng)過時(shí),其磁力線的傳遞被阻斷或改變,從而被有效記錄。因而其工作頻段的電磁環(huán)境兼容性是其關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)計(jì)軸器正常工作的使用頻率特點(diǎn),靠近計(jì)軸器的車底機(jī)電設(shè)施,尤其是牽引系統(tǒng),輔助電源系統(tǒng)成其為主要干擾源。根據(jù)計(jì)軸器兼容性標(biāo)準(zhǔn)(EN 50238-3:2010)所給出的計(jì)軸器各工作頻率對應(yīng)的外界干擾限值以及牽引系統(tǒng),輔助逆變系統(tǒng)供應(yīng)商所給出的技術(shù)文件中對應(yīng)的頻段干擾幅度,可計(jì)算出此頻段的安全裕量。

根據(jù)EN50121-3-2的要求為所有車載信號設(shè)備編寫電磁兼容技術(shù)文檔,來保證各設(shè)備能滿足電磁兼容要求。例如,靜電放電干擾會導(dǎo)致信號設(shè)備失效或性能降低,良好的接地措施是非常必要的;由車輛供電系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾會通過傳導(dǎo)耦合方式影響信號傳輸,輔助電源端可以采用隔離屏蔽,合理的布線來解決此問題。

5 結(jié)束語

通過采取有效的抗干擾措施在廣州地鐵十三號線車輛上進(jìn)行了測試,測試結(jié)果表明,車輛完全符合軌道列車的電磁兼容要求,所采取的方案可以最大程度降低電磁干擾的風(fēng)險(xiǎn),為城市軌道列車運(yùn)行的安全性和可靠性提供了有利保障。