高速動車組布線線槽電磁兼容設計＊

章國平，康洪軍

（唐山軌道客車有限責任公司 產品技術研究中心，河北唐山063035）

高速動車組是集高壓、變頻、網絡通信、計算機控制于一體的復雜設備［1］。其內部電子、電氣設備布局非常緊密，導致高速動車組線槽內電纜敷設密度急劇增加，使得動車組內部電磁環境非常復雜，由此導致的電磁干擾問題頻頻出現。由于車載電纜是高效的電磁波接收和輻射天線，也是干擾傳導的良好通道，絕大多數設備電磁兼容問題是電纜造成的。在高速動車運營過程中，大部分的故障均是由于傳感器采集的信號在傳輸過程中被電磁干擾污染所致，京廣線在近期統計的115次故障中，多數是因為傳感器傳輸的信號因電磁干擾導致的。

高速動車在布線的時候，為提高通訊信號在傳輸過程中的抗干擾能力或者對外的電磁輻射，其電纜大部分在線槽內布線，不同用途和位置的線槽，其設計具有不同的結構和電磁兼容特性，布線槽良好的電磁兼容設計是降低車內電纜信號電磁干擾污染的關鍵環節。

1 線槽電磁兼容設計關鍵技術分析

1.1 線槽用不同材質的電磁特性和材質選擇

高速動車組線槽有金屬和非金屬兩類，常見的金屬線槽材料為鋼質和鋁質，非金屬線槽材料為塑料材質。金屬線槽的EMC特性比非金屬的好。塑料材質的線槽不具備電磁屏蔽的性能，起不到電磁防護的作用。鋁質線槽的直流阻抗比相同尺寸的鋼質線槽低，但是如果需要對低頻磁場信號進行屏蔽的話，由于鋼的導磁率μr比鋁的要高，其傳輸阻抗Zt會相對較低，因此鋼質線槽比鋁質線槽的屏蔽效果要好。但是鋼質線槽的質量比鋁質線槽大得多，采用鋼質線槽無疑增加了整車的質量，給整車設計造成不便。綜合考慮電磁特性、價格、質量等因素，高速動車組線槽多選用鋁材質。

1.2 線槽屏蔽和開孔設計

屏蔽是一項既昂貴又難以實現的設計決定。屏蔽的實質就是將關鍵電路用一個屏蔽體包圍起來。使耦合到這個電路的電磁場通過反射和吸收被衰減。屏蔽設計的好壞由屏蔽效能來評價，屏蔽體的屏蔽效能可表示為［2］：

式中αR（dB）為反射損耗為吸收損耗，αA（dB）=8.686αt；αIR（dB）為材料內部的多次反射損耗，αIR（dB）=20log10

其中T為穿過屏蔽板的凈傳輸系數；γ為入射阻抗與金屬層阻抗之比；t為屏蔽體厚度；α為金屬內沿垂直方向的衰減常數，為真空磁導率；μ為材料磁導率；σ為電荷面密度；f為頻率。

從屏蔽效能的公式中可以得出屏蔽體的材料和厚度對屏蔽效能起著決定性的作用。選擇屏蔽材料時，通常選擇磁導率和電導率較大的材料，以保證屏蔽體具備良好的屏蔽衰減系數。其次要合理的選擇屏蔽體的厚度，對近場屏蔽來說，屏蔽體的厚度在一定范圍內越厚則屏蔽效能越高，高頻時，由于趨膚效應，得到一定屏蔽效果所需屏蔽體的厚度減小。一般情況下，屏蔽體的厚度在0.2～0.5mm即可滿足要求。屏蔽體的厚度在滿足具備一定屏蔽效能的同時，還要滿足一定的機械強度和耐腐蝕性。高速動車組線槽和隔板均采用鋁合金板，厚度為1.2mm。

屏蔽體最好都是采用全封閉的盒子或機殼［3-4］，但是在工程中往往做不到。在線槽的屏蔽設計時要考慮為了滿足線槽內電纜散熱和走線的要求，對線槽進行開孔。這些開孔破壞了線槽的導電連續性，成為電磁屏蔽的一個薄弱環節。屏蔽降低程度決定于兩相鄰孔隙的間隔、干擾的波長以及空隙的總數。在垂直入射而且孔隙間隔s＜λ／2的情況下，屏蔽效能近似為［5］：

d為孔的直徑；n為孔隙的總數。

不論哪種開口方向都破壞了線槽的表面電流分布，使得屏蔽體渦流反磁場的屏蔽作用減弱。合理開孔的方向設計是提高線槽電磁兼容性的良好辦法。線槽內電纜敷設時都是沿電纜槽水平敷設的，那么線槽上的開孔方向要與電纜敷設方向相同。圖1為不同開口方向和電流環路的關系圖。

圖1 不同開口方向和電流環路的關系

從圖中可以看出圖1（a）破壞電流分布或減弱渦流的情況比圖1（b）好得多。

1.3 信號線纜分類和線槽分區

為了盡量減小線槽內線纜的內部串擾效應和電纜間的耦合，應對線槽進行分區設計。高速動車組車載電纜布線設計是遵循EN 50343：2003《鐵路應用-機車車輛布線規則》進行設計的［6］，將動車上的電纜分為3類，見表1。

表1 電纜分類

按此，線槽可分為3個分區，中間用鋁合金隔板隔開。按照電纜級別將不同類的電纜分在線槽的各個區內，隔斷不同類電纜間輻射騷擾的傳播途徑。分區設計中要通過合理的結構設計，保證線槽隔板與線槽蓋之間的密貼，盡量減小其間隙。

1.4 線槽接地設計

線槽接地的目的是為線槽表面感應電流提供電流流過的低阻抗路徑，釋放線槽殼上積攢的靜電和高頻干擾電流，減小接地區域之間流通電流的威脅和電位差。采用接地和搭接的措施保持相連接的所有線槽都具有相同的地電位。線槽所起的屏蔽效果并不是鋁合金線槽本身對電場、磁場的吸收，而是在于線槽的接地，接地將線槽外側的感應電荷引入大地，這樣就不會有感應電場存在。高速動車組的相對零電位基準是列車車體。高速動車組的車載設備接地就是將設備的接地線合理的連接到列車的車體上。在每段線槽的兩端和中間處線分別是采用直徑為7mm的圓形銅管連接到車體上的。

2 采用電磁兼容設計的高速動車組布線線槽

高速動車組內電纜既包括電機電纜、變壓器電纜等極易產生干擾的電纜，又包括信號線、數據傳輸總線、音頻電纜和視頻傳輸電纜等容易遭受干擾的電纜。這極大的增加了各種電纜間的電磁干擾。對線槽進行合理的電磁兼容設計，以達到減弱線纜間相互干擾的目的。圖2～圖4為采用上述技術進行的動車組車用典型線槽的設計。

（1）車內線槽（圖2）

圖2 橫截面和縱截面示意圖

（2）車下線槽（圖3）

圖3 橫截面和縱截面示意圖

（3）MVB和 WTB通訊線槽（圖4）

圖4 橫截面和縱截面示意圖

3 線槽截口處搭接技術分析和仿真研究

3.1 線槽截口處搭接技術分析

搭接是指兩個金屬物體之間通過機械、化學或物理方法實現結構連接，以建立一條穩定的低阻抗電氣通路的工藝過程［7］。搭接質量的好壞會對線槽的電磁兼容性能有較大影響，良好的搭接能夠減少設備間電位差引起的騷擾；能夠降低線槽和系統殼體上的射頻感應電勢，防止靜電電荷積累。

在實際應用中兩段線槽的截口處由于結合表面不平會形成縫隙開口，并導致電的不連續。而線槽內電纜相互干擾會形成電磁波，當電磁波碰到線槽時，會在其表面感應出電流，屏蔽的一個作用是將干擾電流在最小擾動的情況下送到大地，線槽間的開口會破壞電的連續性，從而影響線槽的屏蔽效能。

通過搭接實現兩個或多個線槽之間的電氣連接，降低系統線槽殼體的射頻感應電勢，以達到平衡彼此電位的目的。高速動車組線槽為了方便卸載與維護，兩線槽截口處通常采用間接搭接的方式，中間連接導體為鋁合金板。

使用搭接的效果取決于搭接板的轉移阻抗，轉移阻抗表達式為：

其中I0為屏蔽體上流過的電流；dV／dz為屏蔽層內部每單位長度內的電壓。

在實際應用中，Zt=V／（I×I0），I為導體的長度。

在低頻時，轉移阻抗以電阻的形式呈現，這與屏蔽體的電流擴散和接觸電阻有關；在高頻時，轉移阻抗以互感的形式呈現。搭接板的轉移阻抗越小，屏蔽效能越高。

3.2 線槽仿真建模和計算

3.2.1 模型建立

在此分析幾種典型搭接方式對屏蔽效果的影響，如圖5。方式A為在線槽兩側使用短導線搭接；方式B為對線槽兩側半封閉式搭接；方式C為對線槽兩側全封閉式搭接；方式D為U型槽搭接。搭接導體材料均為鋁合金。

圖5 幾種典型搭接方式

在線槽內放置3根電機的三相電纜，作為本仿真的激勵干擾源，如圖6所示。三相電機工作電壓為0～2 700V，電流為200A，3根電纜激勵大小依次為：U1為方便直觀的看出搭接的電磁場大小，在線槽截口縫隙處設置一條U型參考線。

圖6 線槽內的三相電機電纜

3.2.2 仿真結果分析

（1）電場仿真分析

通過有限元仿真計算，得出各種搭接方式在截口處參考線上的電場大小如圖7。

從圖7和表2中可以看出高速動車組線槽截口縫隙處不同的搭接方式對電場屏蔽效能有明顯影響。在相同條件下，截口縫隙處泄漏的電場值一定，搭接方式D在截口縫隙參考線處的電場值最小，從而其電場屏蔽效能高，電場屏蔽效果也好。

（2）磁場仿真分析

通過有限元仿真計算，得出各種搭接方式在截口處參考線上的磁場大小如圖8。

從圖8、表3中可以看出高速動車組線槽截口縫隙處不同的搭接方式對磁場屏蔽效能影響不大。

圖7 電場強度

表2 不同搭接方式下參考線處各參考點的電場大小（V·m-1）

圖8 磁場強度

由上述建模分析可知，動車組線槽搭接導體的形狀對屏蔽效能的高低有明顯的影響，尤其是對電場屏蔽效果影響較大。沿著整個截口縫隙長度完成良好的U型電氣搭接，屏蔽效果最好，是最有助于電磁兼容性能的改善。但在工程中由于種種原因很難做到。往往采用在線槽兩側實施電氣搭接，兩側全封閉式的電氣搭接是最佳的工程選擇。

表3 不同搭接方式下參考線處各參考點的磁場大小 T

4 結束語

對高速動車組用線槽進行系統的電磁兼容設計，包括線槽金屬材質選擇、線槽屏蔽和開孔設計、線槽分區設計、線槽接地設計和線槽段之間的搭接設計。這些設計措施有利于提高線槽的電磁兼容特性，保護線槽內各通信電纜的信號盡量免受電磁干擾的影響，提高線槽的電磁兼容性，確保高速動車組車載設備正常工作和車輛的安全運行。

［1］楊 君，苑豐彪.高速動車組電磁兼容性設計研究［J］.機車電傳動.2009（2）13-16.

［2］S.A.Schelkunoff.Electromagnetic theory of coaxial lines and cylindrical shields［J］.Bell Systems Technical Journal，Vol.13，1934.

［3］M P Robinson et al.Shielding effectiveness of a rectangular enclosure with a rectangular aperture［A］.Electronices Letters，15th August，University of York，1996，32（17）：1 559-1 560.

［4］M P Robinson et al.Analytical Formulation for the shielding Effectiveness of Enclosures with Apertures［J］.IEEE Transactions on EMC，University of York，40（3）：240-248.

［5］EMI shielding design guide，Tecknit EMI Shielding products，USA.

［6］EN 50343.鐵路應用-機車車輛布線規則［S］.2003.

［7］路宏敏.工程電磁兼容［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2003.