地铁车辆电气布线要点

王爱武 苏 红 胡文斌

（1.南京理工大学能源与动力工程学院，210094，南京；2.南车南京浦镇车辆有限公司，210032，南京∥第一作者，高级工程师）

现代地铁车辆功能越来越丰富，伴之而来的是越来越复杂的车辆电气系统，并带来电磁兼容、人身和设备安全、生产的难度和效率等诸多方面的问题。传统、简单的电气布线方式已经不能满足日益复杂的车辆电气系统需要，这就需用更加系统、规范的方法和手段来适应车辆电气布线的新要求。

1 电气布线的模块化思想

模块化思想是将复杂庞大的系统分解成多个规模较小的、相互间耦合性很小的模块来实现。模块化思想贯穿了产品的整个生命周期，从设计到工艺到制造，甚至延伸到市场开拓和售后服务阶段。其每一个环节都可以通过模块化思想来避免重复劳动，同时便于每个功能的标准化，最终达到降低成本、提高效率、便于维护和升级的目的。

对于电气布线，模块化思想主要体现在功能区域划分和线束化两大工作内容。

功能区域的独立性越强，区域间的装配、测试、维护等工作的相互影响程度就越小。线束化避免了布线前期工作与车体制造、初期装配等工作之间的影响，同时也避免了不同功能区域之间布线的相互影响。

电气布线功能区域划分要结合电气机械设计开展，通常除了独立的大型电器设备（如变流器、空调控制柜等），还划分出高压箱、中低压箱、车端电器柜等功能区域。各区域内部的布线相对独立，功能区域之间通过整车布线线槽中分等级的线束进行连接。这一工艺在电气原理设计阶段就要充分考虑。对于电气原理图中的电器元件，不仅要定义其所属的系统（如牵引系统、制动系统、门控系统等），还要定义其所处的空间区域（如司机室隔墙电器柜、二位端电器柜、车下高压箱等）。元器件空间位置定义的合理性直接影响到各功能区域的独立程度，进而影响到电气布线的模块化效果。

线束设计需要两项重要输入：一是各元器件的连接器和接线端子的空间位置，二是连接清单（包含电缆线号、电缆线两端的器件和针脚号等信息）。工艺人员根据这两项信息，并考虑避开走线路径上的干涉，同时要考虑走线的美观和节约用料，这样就可以设计出三维的电气线束；再根据现场制作的需要，将三维的电气线束展平成平面图形，绘制成线束模板图。线束制作工人只需根据线束模板图就可以加工出合格的线束，不用依赖于现车，所加工出线束的一致性也较好。线束模板图的样例见图1。

图1 线束模板图的样例

2 电气布线的电磁兼容性

随着地铁车辆电气功能的增加，车辆电磁环境也变得愈为复杂。这就要求在做布线工艺设计时，需充分考虑电磁兼容性问题。

电磁干扰的三要素为干扰源、传输途径和干扰对象。对于布线工艺设计来说，主要是通过掐断或削弱电磁干扰的传输途径来解决电磁兼容性问题，因为另外两个要素在大多数情况下是由设备而不是由布线决定的。掐断或削弱电磁干扰传输途径的方法主要有电缆分级和屏蔽。

电缆分级是指将电缆根据干扰强度和敏感程度分为若干等级。不同等级的电缆线之间必须保持一定的距离或敷设于不同的线槽之中，以避免相互之间的干扰耦合。例如，可将电缆分为5个等级，级号越低就表示其干扰强度越低，一般其敏感程度也就越高。不同等级的电缆线间最小距离可根据类似于表1的矩阵表来确定。

表1 不同等级电缆间最小距离矩阵表示例

屏蔽可分为两种情况：一种是避免外界对自身电缆的干扰，如低压信号线；另一种是避免自身对外界的干扰，如牵引电机电源线。屏蔽的方式可采用金属线槽、金属软护套管或电缆本身自带屏蔽层来实现。

屏蔽体接地设计的质量直接影响到屏蔽的效果，也是工艺设计中的一大难点。一般来说，对共模干扰敏感的电缆宜采用单点接地，因为多个接地点间的电位差会在屏蔽体中形成电流。该电流会在电缆两端产生感生电动势，从而使电缆中的信号失真（如图2所示）。对于波长很短而电缆很长的高频信号（一般在电缆长度大于0.15倍波长时考虑），则宜采用多点接地，以减少屏蔽体的天线效应。对于高频电子设备的屏蔽体（箱体），宜采用金属编织带进行接地。因为频率越高，趋肤效应越明显。金属编织带表面积大，故对于高频信号的阻抗较小。安全，还要充分考虑操作、维护人员和乘客的人身安全。从乘客安全问题的角度思考电气布线，主要应考虑火灾和触电这两个方面的问题。

3 电气布线的安全性

地铁车辆为载人交通工具，除了要考虑设备的

图2 两点接地对信号影响示意图

引起火灾的原因包括电缆过载发热和电气短路。

电缆过载发热时如果温升太高，则会引起火灾，即使不立即引发火灾，也会加速电缆绝缘层的老化。要解决电缆过载发热的问题，首先要弄清电缆中流过的工作电流I的大小、预期的环境温度、敷设类型、预计寿命、持续工作时间等因素，并根据这些因素确定出等效的电缆电流Ic的大小。

式中：

k1——预期环境温度的修正系数；

k2——敷设类型的修正系数；

k3——预计电缆寿命的修正系数；

k4——当不持续工作时，短时电流的修正系数（当持续工作时k4＝1.0）。

k1、k2、k3和k4的值都可以根据实际情况对照相关标准中的公式和表格，用计算和查表的方法得到。

Ic的值确定后，再对照相关标准进行查表、圆整，就可以确定电缆的截面积。只要电缆的截面积足够，就可以避免电缆过载发热的问题。

电气短路多由连接松动或电缆绝缘层破损造成。连接松动在这里不多赘述。电缆绝缘层破损的原因有割伤、应力和老化等三种。

金属锐边、锐角与电缆绝缘层直接接触，或线束固定不牢导致车辆运行时电缆绝缘层与硬物摩擦，就会导致电缆绝缘层割伤。这就要求在设计线束时要合理选择路径以避开与金属边、角的直接接触，实在避不开的要考虑在金属边、角上增加橡胶垫等缓冲物；另外还要充分考虑线束的固定问题，确保线束稳固，不与硬物产生摩擦。

电缆绝缘层的应力主要是由电缆的弯曲或拉伸造成的。各型电缆都有各自的最小弯曲半径。在线束拐弯的设计中，一定要兼顾到线束所包含的每一根电缆的最小弯曲半径。线束的长度要留有一定的余量，以考虑安装和热胀冷缩等不定因素造成的影响。

电缆绝缘层从制造之日起，就处于不断老化的过程之中。正常情况下绝缘层的老化速度非常缓慢，在电缆的寿命期限内绝缘层各项性能指标均能达到使用要求。如果遇到一些非正常的情况，如电缆与油脂或其它化学物质接触、长时间过载发热等，绝缘层老化的速度就会大大加快。绝缘层老化到一定程度，其柔韧性就会降低，变得易碎易开裂。所以，线束路径应尽量避开油脂和其它化学物质，实在避不开的要做好防护设计。

避免乘客和工作人员触电的措施主要有警示标志、保护接地和漏电保护。对于布线设计，重点要考虑的是保护接地。对地铁车辆而言，保护接地实际上就是等电位连接，即把外露导电部分（如设备的金属箱体）用导线连接到车体，以保持外露导电部分与车体的等电位。大多数情况下，保护接地会和EMC（电磁兼容性）的屏蔽接地一并综合考虑，也有少数单独考虑保护接地情况，如考虑避免高压设备感应或放电致使外壳带电会对人员造成伤害等。

4 结语

城市轨道交通方兴未艾，但国内地铁车辆制造产业起步较晚，国内同行们在地铁车辆电气方面的研究将有很大的开拓空间。本文介绍了一些地铁车辆电气布线方面的要点，以供同行参考。

［1］Association Francaise de Normalisation.NF F 61—010铁道车辆布线和设备机械固定的一般规则［S］.Paris：AFNOR，1994.

［2］Association Francaise de Normalisation.NFF61—012铁道车辆导线和电缆的选择标准［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铁路应用 机车车辆布线规则［S］.

［5］GJB 1210—91接地、搭接和屏蔽设计的实施［S］.

［6］川濑太郎.接地技术与接地系统［M］.北京：科学出版社，2001.

［7］高攸纲.屏蔽与接地［M］.北京：北京邮电大学出版社，2004.