淺析城軌車輛電磁兼容設計要點

摘 要：隨著科學技術的發展，電子和電氣設備在城軌車輛上的應用越來越廣泛，這些電子和電氣設備本身即是對外界電子設備的干擾源，也是容易受到外界干擾的受擾源。文章介紹了城軌車輛中造成電磁干擾的原因、對電磁于擾的處理辦法、電磁兼容設計要點以及注意事項。

關鍵詞：電磁兼容；干擾；接地；屏蔽；濾波

1 引言

城軌車輛的電磁兼容設計就是將這些電子設備對外界的干擾控制在標準之內，并保證車輛上的電子設備在電磁環境中能夠正常工作，對于城軌車輛特定的環境來說，干擾源一般有電源變換裝置、牽引電機、濾波電抗器、斬波電阻以及通訊設備及計算機等。容易受到外界電磁干擾的設備有數據線、通訊線、計算機、控制器以及顯示器等。如果車輛的電磁兼容設計不到位，可能會引起系統的通訊網絡故障、設備誤動作或者是電子元器件受到損壞等情況，因此車輛的電磁兼容設計也就越來越重要。

城軌車輛的電磁兼容設計采用的方法主要有接地技術、屏蔽技術、濾波技術，盡量減少電磁干擾對車輛設備的影響，下文分別就這三種方法進行詳細介紹。

2 接地技術

接地就是一個系統內電器與電子元件至地參考點之間的電傳導路徑。接地的目的一是防止電擊，二是去除干擾。因此接地主要分為兩大類：

2.1 安全接地

安全接地是指接大地，就是將電氣設備的外殼用導線與大地相連，防止意外觸及時不會遭受電擊。

2.2 信號接地

信號接地主要有兩個目的，一是提供零電勢參考點，二是消除雜質的干擾。由于雜質本身不同的特性，又有不同的處理方法：

2.2.1 單點接地：每一個子系統都接至互相隔開的接地面（建筑地、信號地、屏蔽地、交流初級及次級電源地）。這些子系統的單獨接地面最終將以最短的途徑統一連至參考電位的系統接地點，如圖1所示。

2.2.2 多點接地：每一設備都嚴格地搭接至牢固的接地導電面，然后將該面接大地以保證安全，如圖2所示。

2.2.3 復合式接地：在復合式接地配置方式中，地在低頻時是單點地，高頻時時多點地，如圖3所示，這種接地方式的圖示電路，其中激勵電路與傳感電路的底殼一定要接地，而同軸電纜的屏蔽體應在兩端連至底殼接地，此處一個對地的電容可免除低頻地電流回路。在高頻時電容產生低阻抗而電纜屏蔽體則被接地。因此這一電路可同時實現低頻時的單點接地及高頻時的多點接地。

2.2.4 浮動接地：一個浮動信號接地系統要與設備室、建筑物、大地以及其他導電體在電氣上進行隔斷，以免除接地系統中存在的噪聲電流耦合環，不讓它們在信號電路中流動，如圖4所示。

2.3 接地技術的設計要點

在城軌車輛的電磁兼容設計中，合理的接地設計是最常用也是最經濟的一種方法，如果在設計之初就統籌考慮各系統的接地，可以在一定程度上解決電磁干擾問題，在車輛的接地設計中，一般應遵循以下設計要點：

2.3.1 接地線愈短愈好，降低阻抗并降低輻射雜質。

2.3.2 接地面應具有高傳導性。

2.3.3 低能量信號接地應與其它接地分開。

2.3.4 低頻宜采用單點接地系統，高頻應采用多點接地系統。

2.3.5 切忌雙股電纜分開安裝。

2.3.6 不同低頻回路，如信號、屏蔽、電源、機殼或組架，應規劃不同的接地系統，并將這些回路匯接一點，然后單點接地。

2.3.7 經常產生急變電流的線路應采用單獨的接地系統、至少采用單獨的接地回路，以避免影響其他設備或線路。

3 屏蔽技術

屏蔽技術是指對兩個區域之間采用屏蔽體進行隔離，以控制電場、磁場和電磁場在兩個區域的感應和輻射。按照原理，屏蔽又分為電場屏蔽、磁場屏蔽和電磁場屏蔽。

3.1 電場屏蔽：其機理是將電場的感應理解成分布電容間的耦合，電場屏蔽的設計要點：

3.1.1 屏蔽板應盡量靠近受保護物且屏蔽板的接地良好。

3.1.2 屏蔽板以封閉的金屬盒對屏蔽效能最好。

3.1.3 屏蔽板材料應為良導體，厚度無要求，滿足強度即可。

3.2 磁場屏蔽：磁場屏蔽通常是指對低頻磁場或直流的屏蔽，其機理主要是依靠高導磁材料對磁通起著分路的作用，使得屏蔽體內部的磁場減弱。磁場屏蔽的設計要點：

3.2.1 選用高導磁材料，如坡莫合金，低碳鋼等。

3.2.2 適當增加屏蔽體的厚度。

3.2.3 盡量減少屏蔽體的接縫、開孔等，以防止增加屏蔽體的磁阻，從而降低屏蔽效果。

3.2.4 強磁場的屏蔽可采用雙層磁屏蔽體的結構。

3.2.5 屏蔽外部強磁場的，則屏蔽體的外層選用不易飽和的材料，內部選用容易達到飽和的高導磁材料。如果屏蔽內部強磁場時，則材料的排列次序要反之。

3.2.6 安裝內外兩層屏蔽體時，要注意彼此間的絕緣。如果沒有接地要求時，可用絕緣材料做支撐件。如果有接地要求時，選用非鐵磁材料（如鋁、銅等）做支撐。

3.3 電磁場屏蔽：電磁場屏蔽是利用屏蔽體阻止電磁場在空間傳播。其機理是電磁波的反射和電磁波的吸收。電磁場屏蔽的設計要點：

3.3.1 材料及厚度的不同對于電磁波的吸收效果也不同。

3.3.2 對于平面波，波阻抗為一常數，而與輻射源到屏蔽體的距離無關。

3.3.3 對電場的屏蔽需要良導體材料，如銅、鋁等，其屏蔽機理是反射信號而不是吸收。

3.3.4 對磁場的屏蔽需要鐵磁材料，如高導磁率合金和鐵，其屏蔽機理是吸收而不是反射。

3.3.5 對于金屬電纜通道，決定阻抗特性是敷設結構的形狀（平的、U形、管形等）而不是截面積，封閉型優于開啟型，因為它能減少共模耦和。電纜通道常開些縫隙用于電纜的固定夾板，縫隙應越小越好。如圖5。

3.3.6 如果在電磁（EM）環境低的場所，使用屏蔽電纜或光導纖維，按不同的電纜類型（電力；數據處理用電纜等）敷設于分隔的電纜通道內，則對預防電磁干擾來說為不良的電纜通道也是可以使用的。

3.3.7 不同的電纜類型（電力的和低電平的）不應當敷設在同一束或同一電纜通道中。電纜通道敷設的電纜量決不應多于滿量的一半。

3.3.8 推薦用屏蔽或敷設電纜于不同的電纜通道中相互間按電磁性能分組分隔。根據要求達到的屏蔽質量水平確定各組間的分隔距離。假如沒有屏蔽，應當保持足夠的分隔距離。

3.3.9 相同尺寸鋁制電纜通道的直流電阻比鋼制結構低，但鋼的轉移阻抗（Zt）在較低的頻率時降低、特別是在高相對導磁率μr的情況下。當采用不同的金屬時必須謹慎，因為為避免腐蝕在某些情況下直接進行電氣連接是不被認可的。這對電磁兼容是不利的因素。

3.3.10 當采用屏蔽電纜時，也就必需要確定如何進行屏蔽連接（接地型式、連接線、電纜入口等），否則其效果會大大降低。為了有效，屏蔽應當在360°范圍內進行連接。

4 濾波技術

濾波技術就是指從混有噪聲或干擾的原信號中，提取有用信號的一門技術，在城軌車輛中濾波技術的最典型的應用有濾波電抗器、逆變器和整流裝置濾波電路。

濾波電抗器主要防止IGBT開關時產生的高頻電流反饋給電網，避免對電網造成不必要的影響。逆變器和整流裝置濾波電路是過濾電流經過開關元器件產生的高頻諧波來改善電源品質。

濾波器安裝。對濾波器正確的安裝才能獲得預期的衰減特性，濾波器的安裝應遵循以下設計原則：輸入電源線的濾波器應該安裝在設備或屏蔽殼體的電源人口處，并進行屏蔽處理。引線應盡量短，避免感抗與容抗在較低頻率上諧振。電容器和其他元器件間應采用正交安裝方式，以減小相互藕合。濾波器必須有良好的接地。濾波器輸入和輸出線應加以屏蔽并不得往返交叉，避免輸人和輸出線之間的耦合而導致濾波器抑制特性下降。

5 結束語

在城軌車輛的電磁兼容設計中，進行合理的布線和接地；干擾源遠離受干擾源遠離；輸入與輸出分開；高壓電纜與低壓電纜分開敷設；逆變器輸入及輸出電源線與其他傳輸線分開布置；對干擾源和受干擾源進行屏蔽處理；對濾波電抗器等磁場干擾源采用安裝防磁板等處理方式；同時高頻連接線盡量短；接地線阻值盡量小；必要時再加上適當濾波等措施。基本可以解決列車中存在的電磁干擾問題。

參考文獻

[1]王慶斌，劉萍，尤利文等電磁干擾與電磁兼容技術[M].北京：機械工業出版社，1999.

[2]路宏敏.工程電磁兼容[M].西安：西安電子科技大學出版社，2003.