地鐵車輛電氣布線要點

王愛武 蘇 紅 胡文斌

（1.南京理工大學能源與動力工程學院，210094，南京；2.南車南京浦鎮車輛有限公司，210032，南京∥第一作者，高級工程師）

現代地鐵車輛功能越來越豐富，伴之而來的是越來越復雜的車輛電氣系統，并帶來電磁兼容、人身和設備安全、生產的難度和效率等諸多方面的問題。傳統、簡單的電氣布線方式已經不能滿足日益復雜的車輛電氣系統需要，這就需用更加系統、規范的方法和手段來適應車輛電氣布線的新要求。

1 電氣布線的模塊化思想

模塊化思想是將復雜龐大的系統分解成多個規模較小的、相互間耦合性很小的模塊來實現。模塊化思想貫穿了產品的整個生命周期，從設計到工藝到制造，甚至延伸到市場開拓和售后服務階段。其每一個環節都可以通過模塊化思想來避免重復勞動，同時便于每個功能的標準化，最終達到降低成本、提高效率、便于維護和升級的目的。

對于電氣布線，模塊化思想主要體現在功能區域劃分和線束化兩大工作內容。

功能區域的獨立性越強，區域間的裝配、測試、維護等工作的相互影響程度就越小。線束化避免了布線前期工作與車體制造、初期裝配等工作之間的影響，同時也避免了不同功能區域之間布線的相互影響。

電氣布線功能區域劃分要結合電氣機械設計開展，通常除了獨立的大型電器設備（如變流器、空調控制柜等），還劃分出高壓箱、中低壓箱、車端電器柜等功能區域。各區域內部的布線相對獨立，功能區域之間通過整車布線線槽中分等級的線束進行連接。這一工藝在電氣原理設計階段就要充分考慮。對于電氣原理圖中的電器元件，不僅要定義其所屬的系統（如牽引系統、制動系統、門控系統等），還要定義其所處的空間區域（如司機室隔墻電器柜、二位端電器柜、車下高壓箱等）。元器件空間位置定義的合理性直接影響到各功能區域的獨立程度，進而影響到電氣布線的模塊化效果。

線束設計需要兩項重要輸入：一是各元器件的連接器和接線端子的空間位置，二是連接清單（包含電纜線號、電纜線兩端的器件和針腳號等信息）。工藝人員根據這兩項信息，并考慮避開走線路徑上的干涉，同時要考慮走線的美觀和節約用料，這樣就可以設計出三維的電氣線束；再根據現場制作的需要，將三維的電氣線束展平成平面圖形，繪制成線束模板圖。線束制作工人只需根據線束模板圖就可以加工出合格的線束，不用依賴于現車，所加工出線束的一致性也較好。線束模板圖的樣例見圖1。

圖1 線束模板圖的樣例

2 電氣布線的電磁兼容性

隨著地鐵車輛電氣功能的增加，車輛電磁環境也變得愈為復雜。這就要求在做布線工藝設計時，需充分考慮電磁兼容性問題。

電磁干擾的三要素為干擾源、傳輸途徑和干擾對象。對于布線工藝設計來說，主要是通過掐斷或削弱電磁干擾的傳輸途徑來解決電磁兼容性問題，因為另外兩個要素在大多數情況下是由設備而不是由布線決定的。掐斷或削弱電磁干擾傳輸途徑的方法主要有電纜分級和屏蔽。

電纜分級是指將電纜根據干擾強度和敏感程度分為若干等級。不同等級的電纜線之間必須保持一定的距離或敷設于不同的線槽之中，以避免相互之間的干擾耦合。例如，可將電纜分為5個等級，級號越低就表示其干擾強度越低，一般其敏感程度也就越高。不同等級的電纜線間最小距離可根據類似于表1的矩陣表來確定。

表1 不同等級電纜間最小距離矩陣表示例

屏蔽可分為兩種情況：一種是避免外界對自身電纜的干擾，如低壓信號線；另一種是避免自身對外界的干擾，如牽引電機電源線。屏蔽的方式可采用金屬線槽、金屬軟護套管或電纜本身自帶屏蔽層來實現。

屏蔽體接地設計的質量直接影響到屏蔽的效果，也是工藝設計中的一大難點。一般來說，對共模干擾敏感的電纜宜采用單點接地，因為多個接地點間的電位差會在屏蔽體中形成電流。該電流會在電纜兩端產生感生電動勢，從而使電纜中的信號失真（如圖2所示）。對于波長很短而電纜很長的高頻信號（一般在電纜長度大于0.15倍波長時考慮），則宜采用多點接地，以減少屏蔽體的天線效應。對于高頻電子設備的屏蔽體（箱體），宜采用金屬編織帶進行接地。因為頻率越高，趨膚效應越明顯。金屬編織帶表面積大，故對于高頻信號的阻抗較小。安全，還要充分考慮操作、維護人員和乘客的人身安全。從乘客安全問題的角度思考電氣布線，主要應考慮火災和觸電這兩個方面的問題。

3 電氣布線的安全性

地鐵車輛為載人交通工具，除了要考慮設備的

圖2 兩點接地對信號影響示意圖

引起火災的原因包括電纜過載發熱和電氣短路。

電纜過載發熱時如果溫升太高，則會引起火災，即使不立即引發火災，也會加速電纜絕緣層的老化。要解決電纜過載發熱的問題，首先要弄清電纜中流過的工作電流I的大小、預期的環境溫度、敷設類型、預計壽命、持續工作時間等因素，并根據這些因素確定出等效的電纜電流Ic的大小。

式中：

k1——預期環境溫度的修正系數；

k2——敷設類型的修正系數；

k3——預計電纜壽命的修正系數；

k4——當不持續工作時，短時電流的修正系數（當持續工作時k4＝1.0）。

k1、k2、k3和k4的值都可以根據實際情況對照相關標準中的公式和表格，用計算和查表的方法得到。

Ic的值確定后，再對照相關標準進行查表、圓整，就可以確定電纜的截面積。只要電纜的截面積足夠，就可以避免電纜過載發熱的問題。

電氣短路多由連接松動或電纜絕緣層破損造成。連接松動在這里不多贅述。電纜絕緣層破損的原因有割傷、應力和老化等三種。

金屬銳邊、銳角與電纜絕緣層直接接觸，或線束固定不牢導致車輛運行時電纜絕緣層與硬物摩擦，就會導致電纜絕緣層割傷。這就要求在設計線束時要合理選擇路徑以避開與金屬邊、角的直接接觸，實在避不開的要考慮在金屬邊、角上增加橡膠墊等緩沖物；另外還要充分考慮線束的固定問題，確保線束穩固，不與硬物產生摩擦。

電纜絕緣層的應力主要是由電纜的彎曲或拉伸造成的。各型電纜都有各自的最小彎曲半徑。在線束拐彎的設計中，一定要兼顧到線束所包含的每一根電纜的最小彎曲半徑。線束的長度要留有一定的余量，以考慮安裝和熱脹冷縮等不定因素造成的影響。

電纜絕緣層從制造之日起，就處于不斷老化的過程之中。正常情況下絕緣層的老化速度非常緩慢，在電纜的壽命期限內絕緣層各項性能指標均能達到使用要求。如果遇到一些非正常的情況，如電纜與油脂或其它化學物質接觸、長時間過載發熱等，絕緣層老化的速度就會大大加快。絕緣層老化到一定程度，其柔韌性就會降低，變得易碎易開裂。所以，線束路徑應盡量避開油脂和其它化學物質，實在避不開的要做好防護設計。

避免乘客和工作人員觸電的措施主要有警示標志、保護接地和漏電保護。對于布線設計，重點要考慮的是保護接地。對地鐵車輛而言，保護接地實際上就是等電位連接，即把外露導電部分（如設備的金屬箱體）用導線連接到車體，以保持外露導電部分與車體的等電位。大多數情況下，保護接地會和EMC（電磁兼容性）的屏蔽接地一并綜合考慮，也有少數單獨考慮保護接地情況，如考慮避免高壓設備感應或放電致使外殼帶電會對人員造成傷害等。

4 結語

城市軌道交通方興未艾，但國內地鐵車輛制造產業起步較晚，國內同行們在地鐵車輛電氣方面的研究將有很大的開拓空間。本文介紹了一些地鐵車輛電氣布線方面的要點，以供同行參考。

［1］Association Francaise de Normalisation.NF F 61—010鐵道車輛布線和設備機械固定的一般規則［S］.Paris：AFNOR，1994.

［2］Association Francaise de Normalisation.NFF61—012鐵道車輛導線和電纜的選擇標準［S］.Paris：AFNOR，1998.

［3］EuropeanCommittee for Electrotechnical Standardization.EN 50153：2002Railway application－Rolling stock－Protective provisions relating to electrical hazards［S］. Brussels：CENELEC，2003.

［4］TB/T 3153—2007鐵路應用 機車車輛布線規則［S］.

［5］GJB 1210—91接地、搭接和屏蔽設計的實施［S］.

［6］川瀨太郎.接地技術與接地系統［M］.北京：科學出版社，2001.

［7］高攸綱.屏蔽與接地［M］.北京：北京郵電大學出版社，2004.