抗串扰设计在地铁车辆布线中的应用

周丽梅　何强

摘 要：如何解决串扰问题是地铁车辆布线中的关键。简要分析了地铁列车内部的电磁环境，从原理上介绍了串扰的基本概念，然后结合南京1号线延长线自主4列车项目，介绍了抗串扰设计在地铁布线中的实际应用情况，详细叙述了列车传输电缆线的分类、隔离，以及电缆的屏蔽设计等抗串扰的方法。

关键词：电磁兼容；抗串扰；列车布线；屏蔽

中图分类号：U270.38+1 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.08.004

电磁兼容性是电子设备或系统的主要性能之一，电磁兼容设计是实现设备或系统规定功能、使系统效能得以充分发挥的重要保证。因此，在设计设备或系统功能时，必须进行电磁兼容设计。

地铁列车内部包含各种类型的干扰源，有变流器产生的谐波干扰，有快速脉冲群干扰，有数字高频信号对低频信号的干扰等。为了尽量减小列车内部电磁干扰引起的不稳定，在设计过程中，就需要考虑到抗串扰的问题。如何减小导线间的干扰成为了列车电磁兼容设计的一个要点。

1 地铁布线中的串扰问题

1.1 地铁列车内部的电磁环境分析

1.1.1 变流器产生的谐波干扰

牵引变流器和辅助变流器是强电磁干扰源。变流器的大功率器件（IGBT）工作在开关状态，电压脉冲的上升沿和下降沿很陡，dv/dt、di/dt很高，产生谐波的频谱很宽。

谐波电压、电流通过电缆线之间的分布电容耦合，产生差模干扰电流；谐波电压、电流通过变流器的输入、输出电缆，以电磁场的形式向空间辐射，产生辐射干扰；谐波电流通过电路间的互感耦合产生感应干扰电压。

1.1.2 快速脉冲群

感性负载（空压机、空调、继电器、电磁阀等）分断时，会产生很高的感应电动势，形成快速瞬变脉冲群。

在开关分断的过程中，感应电动势使开关触头间介质击穿，产生电弧；电弧又使电弧触头间电位差变小，击穿消失；击穿消失后，两触头间电位差重新增大，再次发生击穿现象。开关触头间的介质周而复始发生击穿和击穿消失，直至分断时距离足够大，不足以引起击穿为止，从而在线路上形成快速瞬变脉冲群。

电感线圈与电感线圈的分布电容组成震荡电路，感应电动势对分布电容的充电和放电引起高频振荡，从而在线路上形成快速瞬变脉冲群。

瞬态脉冲群沿着电缆传导，产生传导干扰；通过电缆线之间的分布电容耦合，产生差模干扰电流；通过电缆线与车体（大地）之间的分布电容耦合，产生共模干扰电流。

瞬态脉冲群通过线圈和电缆以电磁场的形式向空间辐射，产生辐射干扰。

1.1.3 高频信号干扰

地铁车辆中的TCMS网络系统、PIS系统、ATC系统、音频视频通讯系统等，既是干扰源，又是敏感设备。它们输出的网络信号、音频视频信号、以太网信号运行频率很高，容易对别的弱信号形成干扰。

1.2 串扰

1.2.1 串扰的基本概念

串扰是通过相邻的两回路之间的互感和分布电容耦合引起的电磁干扰。容性耦合引发耦合电流，感性耦合引发耦合电压。

导线间的距离，驱动端和接收端的电气特性、端接方式、传输电缆的特性和屏蔽方式对串扰有一定的影响。

1.2.2 串扰的2种耦合方式

1.2.2.1 电容耦合

任何2根导线之间都存在着分布电容，当2根导线靠近时，其中一根导线上的电位发生变化时，另一导线所在的回路中即有感应电流产生，感应电流流经输入阻抗，形成干扰电压。电容耦合模型如图1所示。

如图2所示，回路1与回路2靠近，回路1中通有交变的电流I1，回路1的磁力线穿过回路2，磁通量为Φ12，当电流I1变化时，Φ12随之变化，从而在回路2中感应出交变的电动势ε12。

互感电动势的计算公式为：

ε12=-M12×dI1/dt.（4）

1.3 抑制2种耦合的方法

1.3.1 抑制电容耦合

抑制电容耦合的方法有以下几种：①尽可能减小导线间的耦合电容，即加大传输线间距离（空间隔离），缩短传输线长度，避免平行走线（最好是正交）；②尽可能增大导线对地的电容，即减小传输线与地板面的距离，使电缆线紧贴铝合金地板间布线；③尽可能减小电路的输入阻抗R；④尽可能降低电路的工作频率ω；⑤敏感传输线采用屏蔽线，并将屏蔽层接地，切断传输线之间的电容性耦合。

1.3.2 抑制电感耦合

抑制电感耦合的方法有以下几种：①尽可能减小环路面积（环路包括信号线环路、电源线环路和地环路 ）。②尽可能减小回路间的交联，即增大回路间的距离（空间隔离），增大环路的交角（最好是正交）。③减小源回路电流的变化率。④采用屏蔽线，将屏蔽层两端接地。屏蔽层与地构成环路，该环路电流产生的磁场会削弱干扰源磁场。

2 抗串扰在地铁布线中的实际应用

根据理论分析可知，避免导线相互串扰最有效的方法有2种：①使潜在的干扰电缆线与被干扰源电缆线拉开一定的距离；②采用屏蔽线。

2.1 列车传输电缆线的分类

根据电缆传输电压的不同，自主4列车的传输电缆线被划分为8级，降序排列如表1所示。

划分的原则基本与阿尔斯通设计的项目相同，只是在个别的信号电缆的分级上有区别。例如，南延线和南二线将24 V线路与110 V控制线路统一为4等级，在线束上没有加以区分，而自主车项目将24 V线路单独划分了一个等级。车上的24 V电源是由110 V经DC-DC变换得到的，输出纹波含量比较大，这样的设计有效避免了含有紋波的24 V电源对别的信号造成的干扰。虽然在原理上是这样考虑的，但是，布线设计中却没有给24 V单独留出走线的空间，还是将4A和4B混在一个线束里面。

2.2 列车传输电缆线的隔离

不同等级的电缆之间应保持一定的距离，隔离的距离取决于等级的类型。不同电缆的隔离距离不得小于表2中规定的下限值。

在实际布线工作中，大部分线束都是走在线槽里的，线槽设置有格挡，不同等级的电缆线束固定在不同的格挡内。底架布线线槽如图3所示。

底架线槽包括底板、与底板左右两端固定连接的金属折弯。底板固定在車辆底架上方的线槽安装支架上，以便进行布线操作，减少对线缆的破坏，提高电缆散热度。在实际工作中，采用格栅式的布线结构，将不同电压等级的电缆布置在不同的格栅内，可以减少电力电缆对外界的电磁干扰。

2.3 电缆的屏蔽设计

电缆之间保持一定的距离是减小串扰的有效方法，但是，受空间的限制，必须采用相应的屏蔽措施。所谓“屏蔽”，就是对2个空间区域进行金属隔离，以抑制电场、磁场和电磁场由一个区域对另一个区域的感应和辐射。

通常情况下，屏蔽有2个目的：①用屏蔽体将干扰源（部件、电路、组合件、电缆或整个系统）包围起来，让屏蔽体接地，阻止干扰电磁场向外辐射。例如，自主4列车的电机电缆、制动电阻电缆采用的都是带有屏蔽层的电缆，并将屏蔽层双端接地。这样做的目的是防止动力电缆干扰其他电缆线路。阿尔斯通的项目没有这样的设计，这从一个侧面反映出ABB的设计与阿尔斯通的不同。②用屏蔽体将敏感体（部件、电路、组合件、电缆或整个系统）包围起来，让屏蔽体接地，阻止外界电磁场进入屏蔽体。例如，1A等级（音频和视频模拟电路）、2A（Can网络+列车以太网）、2B（传感器+RS485+其他数据线）必须采用屏蔽措施隔离。

3 结束语

在地铁车辆的抗串扰设计中，根据电压和信号等级的不同，为列车传输电缆分类，在布线时，按照电缆等级分开铺设，使受干扰源与干扰源尽可能远离，高电压电缆与低电压电缆分别铺设，数字信号电缆与模拟信号电缆分离，高频信号电缆与低频信号电缆分离。在优化线路布局时，采用格栅式的布线结构。这样做，能减少电力电缆对外界的电磁干扰，提高信号电缆的抗干扰能力，必要时，再采取适当的屏蔽等措施，就可以很好地解决现阶段地铁列车中存在的串扰问题。

参考文献

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〔编辑：白洁〕