地鐵車輛電氣布線要點(diǎn)

王愛(ài)武 蘇 紅 胡文斌

（1.南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，210094，南京；2.南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，210032，南京∥第一作者，高級(jí)工程師）

現(xiàn)代地鐵車輛功能越來(lái)越豐富，伴之而來(lái)的是越來(lái)越復(fù)雜的車輛電氣系統(tǒng)，并帶來(lái)電磁兼容、人身和設(shè)備安全、生產(chǎn)的難度和效率等諸多方面的問(wèn)題。傳統(tǒng)、簡(jiǎn)單的電氣布線方式已經(jīng)不能滿足日益復(fù)雜的車輛電氣系統(tǒng)需要，這就需用更加系統(tǒng)、規(guī)范的方法和手段來(lái)適應(yīng)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(fù)雜龐大的系統(tǒng)分解成多個(gè)規(guī)模較小的、相互間耦合性很小的模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。模塊化思想貫穿了產(chǎn)品的整個(gè)生命周期，從設(shè)計(jì)到工藝到制造，甚至延伸到市場(chǎng)開(kāi)拓和售后服務(wù)階段。其每一個(gè)環(huán)節(jié)都可以通過(guò)模塊化思想來(lái)避免重復(fù)勞動(dòng)，同時(shí)便于每個(gè)功能的標(biāo)準(zhǔn)化，最終達(dá)到降低成本、提高效率、便于維護(hù)和升級(jí)的目的。

對(duì)于電氣布線，模塊化思想主要體現(xiàn)在功能區(qū)域劃分和線束化兩大工作內(nèi)容。

功能區(qū)域的獨(dú)立性越強(qiáng)，區(qū)域間的裝配、測(cè)試、維護(hù)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(shí)也避免了不同功能區(qū)域之間布線的相互影響。

電氣布線功能區(qū)域劃分要結(jié)合電氣機(jī)械設(shè)計(jì)開(kāi)展，通常除了獨(dú)立的大型電器設(shè)備（如變流器、空調(diào)控制柜等），還劃分出高壓箱、中低壓箱、車端電器柜等功能區(qū)域。各區(qū)域內(nèi)部的布線相對(duì)獨(dú)立，功能區(qū)域之間通過(guò)整車布線線槽中分等級(jí)的線束進(jìn)行連接。這一工藝在電氣原理設(shè)計(jì)階段就要充分考慮。對(duì)于電氣原理圖中的電器元件，不僅要定義其所屬的系統(tǒng)（如牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、門控系統(tǒng)等），還要定義其所處的空間區(qū)域（如司機(jī)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(qū)域的獨(dú)立程度，進(jìn)而影響到電氣布線的模塊化效果。

線束設(shè)計(jì)需要兩項(xiàng)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(hào)、電纜線兩端的器件和針腳號(hào)等信息）。工藝人員根據(jù)這兩項(xiàng)信息，并考慮避開(kāi)走線路徑上的干涉，同時(shí)要考慮走線的美觀和節(jié)約用料，這樣就可以設(shè)計(jì)出三維的電氣線束；再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(jù)線束模板圖就可以加工出合格的線束，不用依賴于現(xiàn)車，所加工出線束的一致性也較好。線束模板圖的樣例見(jiàn)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(huán)境也變得愈為復(fù)雜。這就要求在做布線工藝設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮電磁兼容性問(wèn)題。

電磁干擾的三要素為干擾源、傳輸途徑和干擾對(duì)象。對(duì)于布線工藝設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，主要是通過(guò)掐斷或削弱電磁干擾的傳輸途徑來(lái)解決電磁兼容性問(wèn)題，因?yàn)榱硗鈨蓚€(gè)要素在大多數(shù)情況下是由設(shè)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(jí)和屏蔽。

電纜分級(jí)是指將電纜根據(jù)干擾強(qiáng)度和敏感程度分為若干等級(jí)。不同等級(jí)的電纜線之間必須保持一定的距離或敷設(shè)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(gè)等級(jí)，級(jí)號(hào)越低就表示其干擾強(qiáng)度越低，一般其敏感程度也就越高。不同等級(jí)的電纜線間最小距離可根據(jù)類似于表1的矩陣表來(lái)確定。

表1 不同等級(jí)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(duì)自身電纜的干擾，如低壓信號(hào)線；另一種是避免自身對(duì)外界的干擾，如牽引電機(jī)電源線。屏蔽的方式可采用金屬線槽、金屬軟護(hù)套管或電纜本身自帶屏蔽層來(lái)實(shí)現(xiàn)。

屏蔽體接地設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接影響到屏蔽的效果，也是工藝設(shè)計(jì)中的一大難點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)共模干擾敏感的電纜宜采用單點(diǎn)接地，因?yàn)槎鄠€(gè)接地點(diǎn)間的電位差會(huì)在屏蔽體中形成電流。該電流會(huì)在電纜兩端產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)，從而使電纜中的信號(hào)失真（如圖2所示）。對(duì)于波長(zhǎng)很短而電纜很長(zhǎng)的高頻信號(hào)（一般在電纜長(zhǎng)度大于0.15倍波長(zhǎng)時(shí)考慮），則宜采用多點(diǎn)接地，以減少屏蔽體的天線效應(yīng)。對(duì)于高頻電子設(shè)備的屏蔽體（箱體），宜采用金屬編織帶進(jìn)行接地。因?yàn)轭l率越高，趨膚效應(yīng)越明顯。金屬編織帶表面積大，故對(duì)于高頻信號(hào)的阻抗較小。安全，還要充分考慮操作、維護(hù)人員和乘客的人身安全。從乘客安全問(wèn)題的角度思考電氣布線，主要應(yīng)考慮火災(zāi)和觸電這兩個(gè)方面的問(wèn)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(shè)備的

圖2 兩點(diǎn)接地對(duì)信號(hào)影響示意圖

引起火災(zāi)的原因包括電纜過(guò)載發(fā)熱和電氣短路。

電纜過(guò)載發(fā)熱時(shí)如果溫升太高，則會(huì)引起火災(zāi)，即使不立即引發(fā)火災(zāi)，也會(huì)加速電纜絕緣層的老化。要解決電纜過(guò)載發(fā)熱的問(wèn)題，首先要弄清電纜中流過(guò)的工作電流I的大小、預(yù)期的環(huán)境溫度、敷設(shè)類型、預(yù)計(jì)壽命、持續(xù)工作時(shí)間等因素，并根據(jù)這些因素確定出等效的電纜電流Ic的大小。

式中：

k1——預(yù)期環(huán)境溫度的修正系數(shù)；

k2——敷設(shè)類型的修正系數(shù)；

k3——預(yù)計(jì)電纜壽命的修正系數(shù)；

k4——當(dāng)不持續(xù)工作時(shí)，短時(shí)電流的修正系數(shù)（當(dāng)持續(xù)工作時(shí)k4＝1.0）。

k1、k2、k3和k4的值都可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的公式和表格，用計(jì)算和查表的方法得到。

Ic的值確定后，再對(duì)照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(guò)載發(fā)熱的問(wèn)題。

電氣短路多由連接松動(dòng)或電纜絕緣層破損造成。連接松動(dòng)在這里不多贅述。電纜絕緣層破損的原因有割傷、應(yīng)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(dǎo)致車輛運(yùn)行時(shí)電纜絕緣層與硬物摩擦，就會(huì)導(dǎo)致電纜絕緣層割傷。這就要求在設(shè)計(jì)線束時(shí)要合理選擇路徑以避開(kāi)與金屬邊、角的直接接觸，實(shí)在避不開(kāi)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(wèn)題，確保線束穩(wěn)固，不與硬物產(chǎn)生摩擦。

電纜絕緣層的應(yīng)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(shè)計(jì)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(zhǎng)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(guò)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(nèi)絕緣層各項(xiàng)性能指標(biāo)均能達(dá)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(xué)物質(zhì)接觸、長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載發(fā)熱等，絕緣層老化的速度就會(huì)大大加快。絕緣層老化到一定程度，其柔韌性就會(huì)降低，變得易碎易開(kāi)裂。所以，線束路徑應(yīng)盡量避開(kāi)油脂和其它化學(xué)物質(zhì)，實(shí)在避不開(kāi)的要做好防護(hù)設(shè)計(jì)。

避免乘客和工作人員觸電的措施主要有警示標(biāo)志、保護(hù)接地和漏電保護(hù)。對(duì)于布線設(shè)計(jì)，重點(diǎn)要考慮的是保護(hù)接地。對(duì)地鐵車輛而言，保護(hù)接地實(shí)際上就是等電位連接，即把外露導(dǎo)電部分（如設(shè)備的金屬箱體）用導(dǎo)線連接到車體，以保持外露導(dǎo)電部分與車體的等電位。大多數(shù)情況下，保護(hù)接地會(huì)和EMC（電磁兼容性）的屏蔽接地一并綜合考慮，也有少數(shù)單獨(dú)考慮保護(hù)接地情況，如考慮避免高壓設(shè)備感應(yīng)或放電致使外殼帶電會(huì)對(duì)人員造成傷害等。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通方興未艾，但國(guó)內(nèi)地鐵車輛制造產(chǎn)業(yè)起步較晚，國(guó)內(nèi)同行們?cè)诘罔F車輛電氣方面的研究將有很大的開(kāi)拓空間。本文介紹了一些地鐵車輛電氣布線方面的要點(diǎn)，以供同行參考。

［1］Association Francaise de Normalisation.NF F 61—010鐵道車輛布線和設(shè)備機(jī)械固定的一般規(guī)則［S］.Paris：AFNOR，1994.

［2］Association Francaise de Normalisation.NFF61—012鐵道車輛導(dǎo)線和電纜的選擇標(biāo)準(zhǔn)［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(yīng)用 機(jī)車車輛布線規(guī)則［S］.

［5］GJB 1210—91接地、搭接和屏蔽設(shè)計(jì)的實(shí)施［S］.

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