CRH3型动车组电气布线电磁兼容性研究

周佳*，韦永全

（中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心，河北唐山，063035）

CRH3型动车组电气布线电磁兼容性研究

周佳*，韦永全

（中车唐山机车车辆有限公司产品研发中心，河北唐山，063035）

本文以CRH3动车组为背景，结合电磁兼容理论，系统阐述了铁路车辆电磁兼容的重要性、电气布线规则、电磁干扰分类和抑制电磁干扰的方案等。电气布线中针对不同的电磁干扰类型，提出了有针对性防护措施，并结合实际应用介绍了抑制电磁干扰的辅助物料。

动车组；电磁兼容；电磁干扰；耦合；屏蔽

引言

随着电子和电气技术的迅速发展以及自动控制理论在铁道车辆中的应用，各种电子设备在铁路车辆上应用越来越广泛。这些设备采用了大量的微电子技术，配备了高度集成的控制线路和动力线路。各设备接入列车级或车辆级控制网络，由车载计算机进行分布式智能控制。由于整个车辆电控系统同时存在动力线路、控制线路、信号系统线路，如何抑制各类线路及设备之间的干扰，采取什么样的抗干扰措施，在工程设计阶需要进行详细的电磁兼容性设计。本文以CRH3型动车组电磁兼容性设计施工为例，进行动车组电磁兼容性能工程化设计应用探讨。

1 电磁兼容的重要性及电磁干扰的危害

1.1 电磁兼宯的重要性

电子、电气产品电磁兼容性设计的目的是使电子、电气产品在预期的电磁环境中能正常工作、无性能降低或故障，而且对该电磁环境中的任何设备不构成电磁干扰(EMI)。电磁干扰是电磁兼容性不良产生的结果，分为传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合(干扰)到另一个电网络。辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合(干扰)到另一个电网络。电磁干扰的破坏性是非常巨大的，造成的各种损失是通过电子装置有效性能或技术指标下降来体现的。

1.2 电磁干扰的危宪

电磁干扰按照危害严重程度等级可分为两种——降低技术性能指标和电磁兼容性故障。

1.2.1 降低技术性能指标

1）话音系统：无线和有线电话，受到电磁干扰会使信号发生畸变失真，严重时可完全被电磁干扰淹没。

2）图像显示系统：显示器、传真、电视、图示和字母数字读出器等图像显示系统，在电磁干扰作用下会变得模糊并出现差错。

3）数字系统：电磁干扰使数字系统误码率增大，降低了信息的可靠性，严重时会发生错误和信息丢失。

4）指针式仪表系统：传统电子设备和仪器仪表中有许多是指针式的。电磁干扰会使指针指示错误、抖动和乱摆，降低系统使用功能。

5）控制系统：自动控制系统受到电磁干扰时，可能出现失控、误控或误动作，使控制系统的可靠性和有效性降低，并危及安全。

1.2.2 电磁兼宯性故障

强电磁干扰使无线电接收机前端电路烧毁不能恢复正常工作；游乐场过山车因电子游戏机电磁干扰失控而相撞，造成游客受伤；核电站因移动电话电磁辐射误关闭等，均属于电磁兼容性故障。

1）误燃：电磁干扰使金属之间因电磁感应电压而产生电火花或飞弧，引燃该处易燃气体导致易燃物燃烧。

2）误爆：电爆装置暴露在强电磁干扰的环境中有可能发生误爆。

3）电磁泄密：电磁干扰中含有大量信息。现代侦测系统很容易从电磁干扰中得到重要信息。

4）电磁辐射危险：电磁波作用到人体和动植物上，可以被反射、吸收和穿透。这种非电离射频辐射生物效应，一直被人类关注。因为在一定条件下，电磁辐射可导致中枢神经系统机能障碍和植物神经功能紊乱、眼睛损伤、诱发癌症或免疫缺陷性疾病。

经验证明，对于一种产品，如果在开发时解决电磁兼容性问题所需的费用定为 1，那么，到定型时再解决，可能需要10倍的费用，到批量生产时需100倍，而如果到用户使用后，发现问题时再解决，费用可能高达1000倍。这就是说，如果在产品研制开发的初始阶段，同时进行电磁兼容性设计，就可以把80%～90%的电磁兼容性问题解决在设计定型之前。如果等到生产或使用阶段再去解决，非但在技术上造成很大难度，而且还会造成人力、财力的极大浪费。由此可见，对于任何一种产品，尽早解决电磁兼容性问题是非常必要的。我们国家根据近几年电子、电流技术和大规模集成电路的发展状况。特别是相关产品在铁路机车车辆行业的广泛应用，使我们对于电磁兼容性也越来越重视。

2 动车组电气布线电磁兼容性设计

为了防止不同电压等级、不同电流类别的电线电缆之间产生电磁干扰现象，动车组配线布线应遵守TB/T 3153-2007《铁路应用 机车车辆布线规则》[1]规定的电缆布线要求。

2.1 按电压等级布置电缆

车内布线不同电压等级、不同电流类别的电线电缆分开布置，并要求采用金属线槽或金属软管进行防护，穿入线管或线槽的电线电缆，外径面积之和不应超过线管、线槽内孔横截面积的70%（单根电缆除外）。线槽连接过渡部位允许使用少量的阻燃夹布胶管过渡连接。

2.2 布线可采用多种形式

车下直流布线可采用金属线槽、线管和分线盒形式。同一回路的正反向电流导线应紧邻布置，共管、槽敷设。直流正负干线允许采用分管、槽穿线。

2.3 电缆、电线的分类应按照下表1执行[1]

表1 电缆、电线的分类

不同种类的电缆尽可能单独敷设。电缆与电缆束之间所要求的距离理论上取决于功率、频率、并行敷设的长度以及辐射抗扰度。实用时，为避免电磁干扰空气中敷设的电缆间的最小距离应符合表2的规定[1]。

表2 单位为米

在金属线槽管、接线端子区、交叉布线区或设备箱的开口处受到空间的限制时，允许不符合表1的规定，但应用金属管道、金属板、金属导管或整体屏蔽（与机车车辆接地相连）等进行隔离，其电磁兼容性应符合TB/T 3034-2002的规定[2]。

3 动车组电气布线主要电磁干扰类型

3.1 静电耦合干扰

由于电气设备连接的控制电缆与周围电气回路的电容耦合，在电缆中产生的电势即为静电耦合干扰。

3.2 电磁感应干扰

由于电气回路产生的磁通变化在控制电缆中感应出的电势。

3.3 电波干扰

控制电缆成为天线，由于外来电波在电缆中产生的电势。

3.4 接触不良干扰

由于电气设备控制电缆的电连接点接触不良，电阻发生变化在电缆中产生的干扰。

3.5 电源线传寉干扰

各种电气设备从同一电源系统获得供电时，由其他设备在电源系统直接产生的电势，在设备本身电源的通断时，电压波动产生的干扰问题。

4 动车组电气布线采取的抗干扰措施

很多电气布线的 EMI抑制都采用外壳屏蔽和缝隙屏蔽结合的方式来实现，大多数时候下面这些简单原则可以有助于实现EMI屏蔽：从源头处降低干扰；通过屏蔽、过滤或接地等措施阻断干扰途径，增强敏感电路的抗干扰能力。电气设计及布线应以EMI抑制性、隔离性和低敏感性作为动车组电路设计的目标。

4.1 抗静电耦合干扰

静电耦合干扰的大小同干扰源电缆与控制电缆的杂散电容成比例。因此，抑制静电耦合干扰需要减少电缆间的杂散电容，其方法有电缆的屏蔽或分离。电缆间屏蔽是将控制电缆采用屏蔽电缆，使屏蔽导体与干扰源电缆电容耦合，再将屏蔽导体接地以实现静电屏蔽。需强调的是屏蔽层接地点在电气设备侧，以两点接地为佳。加大干扰源电缆的距离可使杂散电容大幅减少，但达到某种程度距离(导体直径约40倍以上)时，再加大距离效果就不明显了。而如何选择和计算电缆、电线的金属屏蔽效率是很关键的。金属屏蔽效率 ：可用屏蔽效率(SE)对屏蔽罩的适用性进行评估，其单位是分贝，计算公式为：

其中 A：吸收损耗(dB) ，R：反射损耗(dB) ，B：校正因子(dB)(适用于薄屏蔽罩内存在多个反射的情况)。

一个简单的屏蔽罩会使所产生的电磁场强度降至最初的十分之一，即SE等于20dB；而有些场合可能会要求将场强降至为最初的十万分之一，即SE要等于100dB。

吸收损耗是指电磁波穿过屏蔽罩时能量损耗的数量，吸收损耗计算式为：

其中 f：频率(MHz)，σ：铜的导电率，μ：铜的导磁率 ，t：屏蔽罩厚度。

反射损耗(近场)的大小取决于电磁波产生源的性质以及与波源的距离。对于杆状或直线形发射天线而言，离波源越近波阻越高，然后随着与波源距离的增加而下降，但平面波阻则无变化(恒为377)。

相反，如果波源是一个小型线圈，则此时将以磁场为主，离波源越近波阻越低。波阻随着与波源距离的增加而增加，但当距离超过波长的六分之一时，波阻不再变化，恒定在377处。

反射损耗随波阻与屏蔽阻抗的比率变化，因此它不仅取决于波的类型，而且取决于屏蔽罩与波源之间的距离。这种情况适用于小型带屏蔽的设备。

近场反射损耗可按下式计算

其中 r：波源与屏蔽之间的距离。

SE算式最后一项是校正因子B，其计算公式为

此式仅适用于近磁场环境并且吸收损耗小于10dB的情况。由于屏蔽物吸收效率不高，其内部的再反射会使穿过屏蔽层另一面的能量增加，所以校正因子是个负数，表示屏蔽效率的下降的情况。只有如金属和铁之类导磁率高的材料才能在极低频率下达到较高屏蔽效率。这些材料的导磁率会随着频率增加而降低，另外如果初始磁场较强也会使导磁率降低，还有就是采用机械方法将屏蔽罩作成规定形状同样会降低导磁率。综上所述，选择用于屏蔽的高导磁性材料非常复杂。在高频电场下，采用薄层金属作为外壳或内衬材料可达到良好的屏蔽效果，但条件是屏蔽必须连续，并将敏感部分完全遮盖住，没有缺口或缝隙(形成一个法拉第笼)。然而在实际中要制造一个无接缝及缺口的屏蔽罩是不可能的，由于屏蔽罩要分成多个部分进行制作，因此就会有缝隙需要接合，另外通常还得在屏蔽罩上打孔以便安装与插卡或装配组件的连线。 设计屏蔽罩的困难在于制造过程中不可避免会产生孔隙，而且设备运行过程中还会需要用到这些孔隙。面板连线、通风口、外部监测窗口以及面板安装组件等都需要在屏蔽罩上打孔，从而大大降低了屏蔽性能。尽管沟槽和缝隙不可避免，但在屏蔽设计中对与电路工作频率波长有关的沟槽长度作仔细考虑是很有好处的。为了避免由于制造公差，隔板和盖罩之间只有零星接触。导致接触点之间就有相对长的裂口。兆赫兹范围的磁场引起横向耦合，几千赫兹频率范围的磁场，实际上线槽对外或者对单独的线槽分区之间不会产生屏蔽衰减。为了达到电缆种类A与C之间最大可能的退耦，线槽分区按照A-B-C的顺序排布。任一频率电磁波的波长为： 波长(λ)=光速(C)/频率(Hz)

当缝隙长度为波长(截止频率)的一半时,RF波开始以20dB/10倍频(1/10截止频率)或6dB/8倍频(1/2截止频率)的速率衰减。通常RF发射频率越高衰减越严重，因为它的波长越短。当涉及到最高频率时，必须要考虑可能会出现的任何谐波，不过实际上只需考虑一次及二次谐波即可。

一旦知道了屏蔽罩内RF辐射的频率及强度，就可计算出屏蔽罩的最大允许缝隙和沟槽。例如如果需要对 1GHz(波长为300mm)的辐射衰减26dB,则150mm的缝隙将会开始产生衰减，因此当存在小于150mm的缝隙时，1GHz辐射就会被衰减。所以对 1GHz频率来讲，若需要衰减 20dB，则缝隙应小于 15 mm(150mm的 1/10)，需要衰减 26dB时，缝隙应小于 7.5 mm(15mm的 1/2以上)，需要衰减 32dB时，缝隙应小于 3.75 mm(7.5mm的1/2以上)。 可采用合适的导电衬垫使缝隙大小限定在规定尺寸内，从而实现这种衰减效果。 由于接缝会导致屏蔽罩导通率下降，因此屏蔽效率也会降低。要注意低于截止频率的辐射其衰减只取决于缝隙的长度直径比，例如长度直径比为3时可获得100dB的衰减。在需要穿孔时，可利用厚屏蔽罩上面小孔的波导特性；另一种实现较高长度直径比的方法是附加一个小型金属屏蔽物，如一个大小合适的衬垫。上述原理及其在多缝情况下的推广构成多孔屏蔽罩设计基础。多孔薄型屏蔽层：多孔的例子很多，比如薄金属片上的通风孔等等，当各孔间距较近时设计上必须要仔细考虑。下面是此类情况下屏蔽效率计算公式：

SE=[20lg (fc/o/σ)]-10lg n 其中 fc/o：截止频率 n：孔洞数目。

此公式仅适用于孔间距小于孔直径的情况，也可用于计算金属编织网的相关屏蔽效率。因此根据计算和实际使用的效果。通常我们选择电缆的屏蔽层的效率时可以控制在：信号和控制电缆为75%，总线电缆为90%。

4.2 抗电磁感应干扰

电磁感应干扰的大小取决于干扰源电缆产生的磁场变化快慢、控制电缆形成的闭环面积和干扰源电缆与控制电缆间的相对角度这三种因素。因此抑制电磁感应干扰可以从这三方面入手，具体的办法是，为了减轻干扰源电缆产生的磁场影响，将控制电缆分离铺设，分离距离通常必须保证在 30cm以上(最低限度10cm)。分离困难时，将控制电缆穿过金属管铺设，进行电磁屏蔽。为了尽量减少控制电缆的闭环等效面积和角度，将控制电缆的导体绞合。导体绞合间距越小耐干扰效果越好，所以要尽可能使用绞合间距小的绞合线。

4.3 抗电磁波干扰

由于干扰源电缆产生的电磁波干扰，此干扰通过辐射向空中传播，使电气设备的控制电缆或电气设备本身产生干扰电势。电波干扰的大小，取决于干扰源电缆产生的电磁波干扰的强度和距离。抗干扰的措施可按前述静电耦合干扰和电磁感应干扰的对策进行。另外，辐射电波对电气设备本身的影响可以预见时，电气设备屏蔽用的箱体要接地[3]。

动车组电气布线抗干扰措施：

1）交流和直流电缆分开布于不同线槽或线管内，通讯网线单独穿管，并远离交流或直流线槽600mm等。

2）通讯电缆和控制电缆采用符合其特性要求的带屏蔽的电缆或带屏蔽的绞接电缆。特殊地方的交流大电流电缆也要采用带屏蔽的电缆。音频和视频电缆只需在一端做屏蔽。同轴系统，屏蔽层被当作一个回路导线，通常仅仅在一点和车体连接。如果没有在设备/元件的入口提供适当的过滤，那么电缆应该采取屏蔽接地措施。为了避免电流或者电感退耦，允许在一点连接屏蔽到车体上。

3）对于交流电流线缆，应保证同一根管内电流矢量和为零，尽量不单线穿管或布置在不同的线槽内，例如：交流电机的三相电源线要穿同一根管/线槽内；单相电源采用绞接的电缆等措施。

4）不同电缆之间的耦合，不仅仅是电耦合，而且最重要的是不同电路电缆与功能元件之间的电感和电容耦合都应该被考虑。如果电缆平行放置那么就会在电缆之间发生电容耦合。耦合取决于：①平行电缆之间的距离，②电缆之间的角度，③与整个表面（车辆）之间的距离。如果电缆放置时电缆间的距离合适的话，那么电缆之间的耦合可以减少。WTB、MVB总线的连接器必须依从EMC要求同时连接器外壳间有屏蔽连接，所以连接器外壳也是屏蔽的。同时总线应该在设备之间连接，中间不允许有断点。为了防止车辆间经由屏蔽层的高补偿电流的流动，必须采用等电位连接导线在车与车之间。所有EMC接地的部件都应与车体通过低阻抗导线与车体连接[4]。

4.4 密接触不良干扰的解决措施

接触不良干扰是由于电气连接或接触部分的接触状态不完全产生的。为了防止电缆接触不良干扰，可以在安装时对端子螺钉实行紧固扭矩管理，规定不同螺栓拧紧力矩和定期地检查螺母。

5 动车组电气连接电磁屏蔽辅助措施

5.1 屏蔽夹具

弹力紧固夹板能够使汇流排与电缆屏蔽之间有平面连接，并能随导线绝缘的直径变化而变化。（构造详见：对直径2到32mm的电缆使用的型号不同，详见：图1每个导线仅能使用一个屏蔽夹具。）

图1 屏蔽夹示意

将电缆屏蔽连接在屏蔽连接夹具上。屏蔽连接夹具仅能安装在紧密连接的壳体和附加壳体上。电缆夹如下图2所示能用于直径4.5到11mm的电缆。

图2 电缆夹

5.2 EMV电缆家寋连接件

EMV电缆密封连接件如下图3所示，应用于小电流的电磁屏蔽连接。这种连接方式满足EMC的要求的同时，也满足高速动车组的气密性要求。

图3 EMV电缆家寋连接件

5.3 带屏蔽金属网的防护管

防护管由拉链、外部耐磨阻燃的护套、带有小金属辫的铜编制网组合而成，使用时将导线包裹在防护管内用专用工具将拉链拉上，预留一定长度的小辫子线用来压接接地端子即可。此种材料具有阻燃、防电磁屏蔽效果好，安装使用方便等优点。

以上材料安装简便，节省施工时间，经过型式试验检验防护效果好，适合向其它车辆推广应用。

6 结束语

前文对CRH3型动车组电气布线进行系统的电磁兼容设计，包括线槽材质选择、线槽屏蔽和开孔设计、线槽分区设计、线槽接地设计和线槽段之间的搭接设计等；分析电磁干扰种类及相应抗干扰措施，增强电气布线的电磁兼容特性，确保CRH3型动车组各通信电缆的信号尽量免受电磁干扰的影响，提高整车的电磁兼容性，确保高速动车组车载设备正常工作。综上所述，CRH3型动车组电气布线电磁兼容设计理念、EMC技术及抗干扰措施科学合理，操作性强。随着动车组电磁兼容技术和防护措施日趋完善和逐步推广，电磁兼容性设计策略及抗干扰措施必将为各类轨道车辆电气系统电磁兼容性能进一步提高奠定基础。

[1]铁标 TB/T1759-2003《铁道客车配线布线规则》用 TB/T3153-2007《铁道应用 机车车辆布线规则》,注： 非等效采用EN50343.

[2]TB/T 3034-2002 《机车车辆电气设备电磁兼容性试验及其限值》.

[3]CRH3-GF-0019-A6Z00000082063 《EMC规划部分1概要》（A版）

[4]CRH3-GF-0032 A6Z00000078008 《车辆接地》(A版).

[5]章国平,康红军. 高速动车组布线线槽电磁兼容设计[J]. 铁道机车车辆,2012.

Research on Electromagnetic Compatibility of Electrical Wiring in CRH3 Vehicle Group

ZHOU Jia*,WEI Yongquan
(CRRC TANGSHAN CO.,LTD.,Product r&d center,HebeiTangshan,063035)

Taking CRH3 EMU as the background,combining the theory of electromagnetic compatibility,system expounded the importance of electromagnetic compatibility of railway vehicle,electrical wiring rules,the classification of the electromagnetic interference and electromagnetic interference suppression scheme,etc. According to different types of electromagnetic interference in the electrical wiring,targeted prevention measures are put forward,and connecting with the practical application of auxiliary materials to restrain electromagnetic interference is introduced。

EMU; Electromagnetic compatibility; Electromagnetic interference; Coupling; Shielding

U266

A

1672-9129(2017)06-0099-04

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.034

周佳,韦永全. CRH3型动车组电气布线电磁兼容性研究[J]. 数码设计,2017,6(6)： 99-102.

Cite：ZHOU Jia,WEI Yongquan. Research on Electromagnetic Compatibility of Electrical Wiring in CRH3 Vehicle Group[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 99-102.

2017-01-23；

2017-02-26。

周佳（1981-），男，河北唐山，工程师，硕士研究生，研究方向：高速动车组牵引高压系统。

E-mail：azzzsjc-zhoujia@tangche.com