城軌車輛司機室電氣柜電磁兼容設計

孫宗先，張 坤，隋 燕

（南車青島四方機車車輛股份有限公司，山東青島 266111）

在城軌車輛中，司機室電氣柜是整車電氣柜中最復雜的，由于整車的邏輯控制基本在此實現，所以司機室電氣柜的性能將直接影響車輛的性能。而在電氣柜的性能中，電磁兼容又是其較為關鍵的環節。為保證電氣柜的電磁兼容性能，需先對電氣柜的電氣柜的電磁兼容狀態進行分析。

1 電氣柜內電磁兼容設計分析

司機室電氣柜內主要布置的器件為：開關、按鈕、繼電器、接觸器、網絡設備、PIDS系統主機等設備。受空間及人機界面要求的限制，電氣柜不可能僅依靠空間去解決自身的電磁兼容問題。電氣柜內各個電氣件自身的性能對整體性能有著直接的影響，所以在電氣柜內各個電氣件選型期間，必須要求每個器件均能達到標準要求。在這個前提下，合理的器件布置是對整體性能提升的必要手段。同時柜內過多的不同等級的電纜對電氣柜自身的電磁兼容性能也有著重大的影響。下面就電氣柜內布線設計和設備布置方面進行論述。

1.1 電氣柜內電纜布線設計

1.1.1 電氣柜電纜的分類

在電氣柜中，電纜既會遭受干擾，也會成為干擾源。布線設計需充分滿足EN 50121-3-1和EN 50121-3-2的設計標準，在EN50343中，將電纜大致分為三類，如表1所示。

表1 電纜等級分類

依據表1中的電纜分類，開關、繼電器、接觸器等的電纜均為B類，而網絡設備及PIDS系統主機的電纜主要為C類。

由于相鄰電纜會通過輻射、感應等方式耦合，互相成為干擾源，因此，在布線時不同種類的電纜應盡可能的分隔。分隔的距離與電流強度、帶寬、平行布置的長度、抗干擾度等有關。EN50343給出的不同種類的電纜在空氣中最小的分布距離為：A類電纜與B類電纜分隔距離為0.1米；A類電纜與C類電纜分隔距離為0.2米；B類電纜與C類電纜分隔距離為0.1米。

在布線設計中，不同種類電纜間的分隔距離達不到上述要求時，電纜間需要用金屬管、金屬隔板、金屬傳輸管、全體屏蔽等措施來滿足EMC需要。

1.1.2 電纜布線原則

相關試驗證明，合理的電纜布線對提高整個電氣柜的電磁兼容性非常有利。電磁屏蔽的電纜布線原則如下。

（1）在布線設計時應考慮使布線易于施工、維護和更換。布線設計要盡可能地降低耦合，使敏感線和干擾線遠離。電纜布線應利用現有的空間獲得最佳的距離。

（2）可以將有近似相同的干擾電平及相似干擾類型的電纜成束，干擾大的線束與干擾小的線束要相互隔離開來，可利用空間分離來隔離不同類型的電纜。當不同類型的電纜不得不敷設在一起時，應盡量將其隔離開。

（3）應把電源線和信號線分開。當敏感線、隔離線不得不靠近電源線時、應盡量將電纜敷設成垂直相交，避免平行走向。不同類型的電纜盡可能從不同方向進入設備。

（4）屏蔽線應使用有屏蔽的電連接器，不同空間之間的信號傳遞通過屏蔽良好的插座來完成。

（5）電氣柜內交流線與其他線分開布置，因受空間限制無法單獨布置，可在用金屬屏蔽網屏蔽后（金屬屏蔽網需做接地處理）與單芯電纜同束布置，但與通訊用多芯電纜分開布置[1]。

1.1.3 電氣柜內電纜的選擇

電氣柜內開關按鈕，繼電器等為干擾源，且電氣柜內此類部件極多，基于同類電纜可以成束布置且考慮到成本問題，此類器件的電纜選用單芯電纜。而網絡設備、PIDS系統主機等為易受干擾的敏感設備，其通訊線需采用多芯屏蔽電纜方能保證通信信號不受干擾。

由于屏蔽電纜的屏蔽效能主要是由屏蔽層接地所產生的，也就是說屏蔽電纜的屏蔽層必須接地以后才能起到屏蔽作用。所以電氣柜內網絡設備及PIDS主機所用通訊電纜（均采用屏蔽電纜）需做屏蔽處理方能達到屏蔽效果，其屏蔽接地采用電纜在設備端的連接器（即插座）來完成。

1.1.4 電氣柜布線方案

依據表1的電纜分類，電氣柜內的電纜為B類和C類。其中B類電纜包括網絡設備通訊線、PIDS主機的通訊線。而各個開關、按鈕、繼電器及接觸器的電纜可歸為C類。

根據電纜布線原則及電氣柜的現有空間，在電氣柜設置4條走線路徑。網絡設備通訊線、PIDS主機的通訊線從車上及車下進入電氣柜時均從司機室側的右側進入設備，自車上進入電氣柜的交流線可敷設在客室側右側，保證交流線與通信線分開布置，且距離最遠。其余電纜可敷設在剩余的兩個扎線位置。最終的走線路徑如圖1所示。

圖1 電氣柜內走線路徑圖

1.2 電氣柜內設備布置設計

抑制干擾源和受干擾設備之間的電磁干擾的一種有效的方法就是增加兩者之間的距離，根據軌道車輛設備的電氣特性，將電氣柜內設備分為干擾源和敏感設備，其開關按鈕，繼電器等應當定義為干擾源，網絡設備、PIDS系統主機等應當定義為易受干擾的敏感設備。

結合電氣柜的實際空間情況，在電氣柜內合理劃分不同的區域，使相同等級的易受干擾的敏感設備盡量集中布置，同時保證干擾源設備和敏感設備之間的距離盡可能大。

為有效利用空間，司機室電氣柜采用雙層結構設計。考慮到司機室電氣柜內部分器件有司機操作的需求，在保證人機要求的前提下，同時考慮現有的走線路徑的設計，形成的電氣柜內電氣元件如下：各個開關按鈕等器件需布置在司機室側的上部，以保證司機方便操作；繼電器、接觸器等干擾源均布置在客室側，使其遠離敏感設備；而網絡設備及PIDS系統主機等易受干擾的敏感設備應布置在司機室側下部，盡量遠離干擾源。具體的器件布置見圖2。

圖2 電氣柜內器件區域布置圖

2 電氣柜電磁兼容性能測定

在電氣柜生產完成后，為驗證電氣柜的性能，依據EN50121-3-2對電氣柜電磁兼容性能進行測定，具體實驗結果如圖3和圖4所示。

圖3 輻射騷擾（水平極化）

通過圖3和圖4可見，水平極化和垂直極化的輻射騷擾均在標準的范圍之內，電氣柜的電磁兼容性能符合標準。

圖4 輻射騷擾（垂直極化）

3 結論

通過對城軌車輛電氣柜內各設備電纜的分類及布線規則的明確，從而確定了電氣柜內部的走線路徑，再將電氣柜內設備的歸類，將其按照開關類，線圈類及電子類進行布置，不僅符合電磁兼容的要求，還兼顧了人機工程的因素。進行了深入的分析，不僅在理論上滿足電磁兼容的要求，更以電磁兼容的試驗數據說明了本文所述的城軌車輛電氣柜內的元件布置能夠有效的保證電氣柜的電磁兼容性能。

［1］沙斐.機電一體化系統的電磁兼容技術［M］.北京：中國電力出版社，1999.