城轨车辆司机室电气柜电磁兼容设计

孙宗先，张 坤，隋 燕

（南车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111）

在城轨车辆中，司机室电气柜是整车电气柜中最复杂的，由于整车的逻辑控制基本在此实现，所以司机室电气柜的性能将直接影响车辆的性能。而在电气柜的性能中，电磁兼容又是其较为关键的环节。为保证电气柜的电磁兼容性能，需先对电气柜的电气柜的电磁兼容状态进行分析。

1 电气柜内电磁兼容设计分析

司机室电气柜内主要布置的器件为：开关、按钮、继电器、接触器、网络设备、PIDS系统主机等设备。受空间及人机界面要求的限制，电气柜不可能仅依靠空间去解决自身的电磁兼容问题。电气柜内各个电气件自身的性能对整体性能有着直接的影响，所以在电气柜内各个电气件选型期间，必须要求每个器件均能达到标准要求。在这个前提下，合理的器件布置是对整体性能提升的必要手段。同时柜内过多的不同等级的电缆对电气柜自身的电磁兼容性能也有着重大的影响。下面就电气柜内布线设计和设备布置方面进行论述。

1.1 电气柜内电缆布线设计

1.1.1 电气柜电缆的分类

在电气柜中，电缆既会遭受干扰，也会成为干扰源。布线设计需充分满足EN 50121-3-1和EN 50121-3-2的设计标准，在EN50343中，将电缆大致分为三类，如表1所示。

表1 电缆等级分类

依据表1中的电缆分类，开关、继电器、接触器等的电缆均为B类，而网络设备及PIDS系统主机的电缆主要为C类。

由于相邻电缆会通过辐射、感应等方式耦合，互相成为干扰源，因此，在布线时不同种类的电缆应尽可能的分隔。分隔的距离与电流强度、带宽、平行布置的长度、抗干扰度等有关。EN50343给出的不同种类的电缆在空气中最小的分布距离为：A类电缆与B类电缆分隔距离为0.1米；A类电缆与C类电缆分隔距离为0.2米；B类电缆与C类电缆分隔距离为0.1米。

在布线设计中，不同种类电缆间的分隔距离达不到上述要求时，电缆间需要用金属管、金属隔板、金属传输管、全体屏蔽等措施来满足EMC需要。

1.1.2 电缆布线原则

相关试验证明，合理的电缆布线对提高整个电气柜的电磁兼容性非常有利。电磁屏蔽的电缆布线原则如下。

（1）在布线设计时应考虑使布线易于施工、维护和更换。布线设计要尽可能地降低耦合，使敏感线和干扰线远离。电缆布线应利用现有的空间获得最佳的距离。

（2）可以将有近似相同的干扰电平及相似干扰类型的电缆成束，干扰大的线束与干扰小的线束要相互隔离开来，可利用空间分离来隔离不同类型的电缆。当不同类型的电缆不得不敷设在一起时，应尽量将其隔离开。

（3）应把电源线和信号线分开。当敏感线、隔离线不得不靠近电源线时、应尽量将电缆敷设成垂直相交，避免平行走向。不同类型的电缆尽可能从不同方向进入设备。

（4）屏蔽线应使用有屏蔽的电连接器，不同空间之间的信号传递通过屏蔽良好的插座来完成。

（5）电气柜内交流线与其他线分开布置，因受空间限制无法单独布置，可在用金属屏蔽网屏蔽后（金属屏蔽网需做接地处理）与单芯电缆同束布置，但与通讯用多芯电缆分开布置[1]。

1.1.3 电气柜内电缆的选择

电气柜内开关按钮，继电器等为干扰源，且电气柜内此类部件极多，基于同类电缆可以成束布置且考虑到成本问题，此类器件的电缆选用单芯电缆。而网络设备、PIDS系统主机等为易受干扰的敏感设备，其通讯线需采用多芯屏蔽电缆方能保证通信信号不受干扰。

由于屏蔽电缆的屏蔽效能主要是由屏蔽层接地所产生的，也就是说屏蔽电缆的屏蔽层必须接地以后才能起到屏蔽作用。所以电气柜内网络设备及PIDS主机所用通讯电缆（均采用屏蔽电缆）需做屏蔽处理方能达到屏蔽效果，其屏蔽接地采用电缆在设备端的连接器（即插座）来完成。

1.1.4 电气柜布线方案

依据表1的电缆分类，电气柜内的电缆为B类和C类。其中B类电缆包括网络设备通讯线、PIDS主机的通讯线。而各个开关、按钮、继电器及接触器的电缆可归为C类。

根据电缆布线原则及电气柜的现有空间，在电气柜设置4条走线路径。网络设备通讯线、PIDS主机的通讯线从车上及车下进入电气柜时均从司机室侧的右侧进入设备，自车上进入电气柜的交流线可敷设在客室侧右侧，保证交流线与通信线分开布置，且距离最远。其余电缆可敷设在剩余的两个扎线位置。最终的走线路径如图1所示。

图1 电气柜内走线路径图

1.2 电气柜内设备布置设计

抑制干扰源和受干扰设备之间的电磁干扰的一种有效的方法就是增加两者之间的距离，根据轨道车辆设备的电气特性，将电气柜内设备分为干扰源和敏感设备，其开关按钮，继电器等应当定义为干扰源，网络设备、PIDS系统主机等应当定义为易受干扰的敏感设备。

结合电气柜的实际空间情况，在电气柜内合理划分不同的区域，使相同等级的易受干扰的敏感设备尽量集中布置，同时保证干扰源设备和敏感设备之间的距离尽可能大。

为有效利用空间，司机室电气柜采用双层结构设计。考虑到司机室电气柜内部分器件有司机操作的需求，在保证人机要求的前提下，同时考虑现有的走线路径的设计，形成的电气柜内电气元件如下：各个开关按钮等器件需布置在司机室侧的上部，以保证司机方便操作；继电器、接触器等干扰源均布置在客室侧，使其远离敏感设备；而网络设备及PIDS系统主机等易受干扰的敏感设备应布置在司机室侧下部，尽量远离干扰源。具体的器件布置见图2。

图2 电气柜内器件区域布置图

2 电气柜电磁兼容性能测定

在电气柜生产完成后，为验证电气柜的性能，依据EN50121-3-2对电气柜电磁兼容性能进行测定，具体实验结果如图3和图4所示。

图3 辐射骚扰（水平极化）

通过图3和图4可见，水平极化和垂直极化的辐射骚扰均在标准的范围之内，电气柜的电磁兼容性能符合标准。

图4 辐射骚扰（垂直极化）

3 结论

通过对城轨车辆电气柜内各设备电缆的分类及布线规则的明确，从而确定了电气柜内部的走线路径，再将电气柜内设备的归类，将其按照开关类，线圈类及电子类进行布置，不仅符合电磁兼容的要求，还兼顾了人机工程的因素。进行了深入的分析，不仅在理论上满足电磁兼容的要求，更以电磁兼容的试验数据说明了本文所述的城轨车辆电气柜内的元件布置能够有效的保证电气柜的电磁兼容性能。

［1］沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术［M］.北京：中国电力出版社，1999.