抗串擾設計在地鐵車輛布線中的應用

周麗梅　何強

摘 要：如何解決串擾問題是地鐵車輛布線中的關鍵。簡要分析了地鐵列車內部的電磁環境，從原理上介紹了串擾的基本概念，然后結合南京1號線延長線自主4列車項目，介紹了抗串擾設計在地鐵布線中的實際應用情況，詳細敘述了列車傳輸電纜線的分類、隔離，以及電纜的屏蔽設計等抗串擾的方法。

關鍵詞：電磁兼容；抗串擾；列車布線；屏蔽

中圖分類號：U270.38+1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.004

電磁兼容性是電子設備或系統的主要性能之一，電磁兼容設計是實現設備或系統規定功能、使系統效能得以充分發揮的重要保證。因此，在設計設備或系統功能時，必須進行電磁兼容設計。

地鐵列車內部包含各種類型的干擾源，有變流器產生的諧波干擾，有快速脈沖群干擾，有數字高頻信號對低頻信號的干擾等。為了盡量減小列車內部電磁干擾引起的不穩定，在設計過程中，就需要考慮到抗串擾的問題。如何減小導線間的干擾成為了列車電磁兼容設計的一個要點。

1 地鐵布線中的串擾問題

1.1 地鐵列車內部的電磁環境分析

1.1.1 變流器產生的諧波干擾

牽引變流器和輔助變流器是強電磁干擾源。變流器的大功率器件（IGBT）工作在開關狀態，電壓脈沖的上升沿和下降沿很陡，dv/dt、di/dt很高，產生諧波的頻譜很寬。

諧波電壓、電流通過電纜線之間的分布電容耦合，產生差模干擾電流；諧波電壓、電流通過變流器的輸入、輸出電纜，以電磁場的形式向空間輻射，產生輻射干擾；諧波電流通過電路間的互感耦合產生感應干擾電壓。

1.1.2 快速脈沖群

感性負載（空壓機、空調、繼電器、電磁閥等）分斷時，會產生很高的感應電動勢，形成快速瞬變脈沖群。

在開關分斷的過程中，感應電動勢使開關觸頭間介質擊穿，產生電弧；電弧又使電弧觸頭間電位差變小，擊穿消失；擊穿消失后，兩觸頭間電位差重新增大，再次發生擊穿現象。開關觸頭間的介質周而復始發生擊穿和擊穿消失，直至分斷時距離足夠大，不足以引起擊穿為止，從而在線路上形成快速瞬變脈沖群。

電感線圈與電感線圈的分布電容組成震蕩電路，感應電動勢對分布電容的充電和放電引起高頻振蕩，從而在線路上形成快速瞬變脈沖群。

瞬態脈沖群沿著電纜傳導，產生傳導干擾；通過電纜線之間的分布電容耦合，產生差模干擾電流；通過電纜線與車體（大地）之間的分布電容耦合，產生共模干擾電流。

瞬態脈沖群通過線圈和電纜以電磁場的形式向空間輻射，產生輻射干擾。

1.1.3 高頻信號干擾

地鐵車輛中的TCMS網絡系統、PIS系統、ATC系統、音頻視頻通訊系統等，既是干擾源，又是敏感設備。它們輸出的網絡信號、音頻視頻信號、以太網信號運行頻率很高，容易對別的弱信號形成干擾。

1.2 串擾

1.2.1 串擾的基本概念

串擾是通過相鄰的兩回路之間的互感和分布電容耦合引起的電磁干擾。容性耦合引發耦合電流，感性耦合引發耦合電壓。

導線間的距離，驅動端和接收端的電氣特性、端接方式、傳輸電纜的特性和屏蔽方式對串擾有一定的影響。

1.2.2 串擾的2種耦合方式

1.2.2.1 電容耦合

任何2根導線之間都存在著分布電容，當2根導線靠近時，其中一根導線上的電位發生變化時，另一導線所在的回路中即有感應電流產生，感應電流流經輸入阻抗，形成干擾電壓。電容耦合模型如圖1所示。

如圖2所示，回路1與回路2靠近，回路1中通有交變的電流I1，回路1的磁力線穿過回路2，磁通量為Φ12，當電流I1變化時，Φ12隨之變化，從而在回路2中感應出交變的電動勢ε12。

互感電動勢的計算公式為：

ε12=-M12×dI1/dt.（4）

1.3 抑制2種耦合的方法

1.3.1 抑制電容耦合

抑制電容耦合的方法有以下幾種：①盡可能減小導線間的耦合電容，即加大傳輸線間距離（空間隔離），縮短傳輸線長度，避免平行走線（最好是正交）；②盡可能增大導線對地的電容，即減小傳輸線與地板面的距離，使電纜線緊貼鋁合金地板間布線；③盡可能減小電路的輸入阻抗R；④盡可能降低電路的工作頻率ω；⑤敏感傳輸線采用屏蔽線，并將屏蔽層接地，切斷傳輸線之間的電容性耦合。

1.3.2 抑制電感耦合

抑制電感耦合的方法有以下幾種：①盡可能減小環路面積（環路包括信號線環路、電源線環路和地環路 ）。②盡可能減小回路間的交聯，即增大回路間的距離（空間隔離），增大環路的交角（最好是正交）。③減小源回路電流的變化率。④采用屏蔽線，將屏蔽層兩端接地。屏蔽層與地構成環路，該環路電流產生的磁場會削弱干擾源磁場。

2 抗串擾在地鐵布線中的實際應用

根據理論分析可知，避免導線相互串擾最有效的方法有2種：①使潛在的干擾電纜線與被干擾源電纜線拉開一定的距離；②采用屏蔽線。

2.1 列車傳輸電纜線的分類

根據電纜傳輸電壓的不同，自主4列車的傳輸電纜線被劃分為8級，降序排列如表1所示。

劃分的原則基本與阿爾斯通設計的項目相同，只是在個別的信號電纜的分級上有區別。例如，南延線和南二線將24 V線路與110 V控制線路統一為4等級，在線束上沒有加以區分，而自主車項目將24 V線路單獨劃分了一個等級。車上的24 V電源是由110 V經DC-DC變換得到的，輸出紋波含量比較大，這樣的設計有效避免了含有紋波的24 V電源對別的信號造成的干擾。雖然在原理上是這樣考慮的，但是，布線設計中卻沒有給24 V單獨留出走線的空間，還是將4A和4B混在一個線束里面。

2.2 列車傳輸電纜線的隔離

不同等級的電纜之間應保持一定的距離，隔離的距離取決于等級的類型。不同電纜的隔離距離不得小于表2中規定的下限值。

在實際布線工作中，大部分線束都是走在線槽里的，線槽設置有格擋，不同等級的電纜線束固定在不同的格擋內。底架布線線槽如圖3所示。

底架線槽包括底板、與底板左右兩端固定連接的金屬折彎。底板固定在車輛底架上方的線槽安裝支架上，以便進行布線操作，減少對線纜的破壞，提高電纜散熱度。在實際工作中，采用格柵式的布線結構，將不同電壓等級的電纜布置在不同的格柵內，可以減少電力電纜對外界的電磁干擾。

2.3 電纜的屏蔽設計

電纜之間保持一定的距離是減小串擾的有效方法，但是，受空間的限制，必須采用相應的屏蔽措施。所謂“屏蔽”，就是對2個空間區域進行金屬隔離，以抑制電場、磁場和電磁場由一個區域對另一個區域的感應和輻射。

通常情況下，屏蔽有2個目的：①用屏蔽體將干擾源（部件、電路、組合件、電纜或整個系統）包圍起來，讓屏蔽體接地，阻止干擾電磁場向外輻射。例如，自主4列車的電機電纜、制動電阻電纜采用的都是帶有屏蔽層的電纜，并將屏蔽層雙端接地。這樣做的目的是防止動力電纜干擾其他電纜線路。阿爾斯通的項目沒有這樣的設計，這從一個側面反映出ABB的設計與阿爾斯通的不同。②用屏蔽體將敏感體（部件、電路、組合件、電纜或整個系統）包圍起來，讓屏蔽體接地，阻止外界電磁場進入屏蔽體。例如，1A等級（音頻和視頻模擬電路）、2A（Can網絡+列車以太網）、2B（傳感器+RS485+其他數據線）必須采用屏蔽措施隔離。

3 結束語

在地鐵車輛的抗串擾設計中，根據電壓和信號等級的不同，為列車傳輸電纜分類，在布線時，按照電纜等級分開鋪設，使受干擾源與干擾源盡可能遠離，高電壓電纜與低電壓電纜分別鋪設，數字信號電纜與模擬信號電纜分離，高頻信號電纜與低頻信號電纜分離。在優化線路布局時，采用格柵式的布線結構。這樣做，能減少電力電纜對外界的電磁干擾，提高信號電纜的抗干擾能力，必要時，再采取適當的屏蔽等措施，就可以很好地解決現階段地鐵列車中存在的串擾問題。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕