复杂电磁环境下城市轨道交通的电磁兼容设计

摘 要：伴随着城市化进程和城市面积的扩张，城市轨道交通成为了人们出行的主要交通方式。而在现代城市中，电气网络、移动通信网络无处不在，产生了多种多样的电磁波和电信号，它们构成了复杂的电磁环境，会引起城市轨道交通的严重电磁兼容问题。为了解决这个问题，本文提出了复杂电磁环境下城市轨道交通的电磁兼容设计，并以上海地铁6号线项目为例，在实际测试中检验了该电磁兼容设计符合标准的有效性和可靠性。在该设计中，详尽分析了电磁干扰源、耦合路径和敏感设备，并严格设计了接地、屏蔽、滤波和布线等电磁耦合路径切断技术，从而满足了城市轨道交通的电磁兼容性要求。

关键词：城市轨道交通;电磁兼容设计;复杂城市电磁环境;电磁耦合路径

中图分类号：U284.93、U285.7  文献标识码：A

Abstract：With the development of urbanization，urban rail transport has become the main transportation method in a city.However，in a modern city，a variety of electrical networks and mobile communication networks are everywhere，and produce various electromagnetic waves and electrical signals，which form a complex electromagnetic environment and result in serious electromagnetic compatibility（EMC）problem in urban rail transport.To resolve such problem，this paper proposes an EMC design scheme for urban rail transport in a complex electromagnetic environment，and verifies its effectiveness and reliability in the actual test by taking Shanghai Metro Line 6 as an example.In this scheme，electromagnetic interference source，coupling path and sensitive devices are analyzed in detail，and the blocking techniques of electromagnetic coupling path，i.e.grounding，shielding，filtering and wiring，are strictly designed to meet the EMC requirements of urban rail transport.

Key words：urban rail transport;EMC design;complex urban electromagnetic environment;electromagnetic coupling path

1 緒论

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当前，城市轨道交通已经成为城市中人们出行的主要交通工具。带来出行方便的同时，它也成为城市的电磁干扰源。电磁兼容是指电子设备在所在电磁环境中能正常工作且不对该环境中的其他电子设备造成不利电磁干扰影响的能力。保障城市轨道交通电磁兼容性是保证城市轨道交通可靠性的必然要求。如果城市轨道车辆内的电磁干扰过大，会导致列车电子设备错误操作、通讯网络频繁出现故障、电子元器件受损等情况。因此，城市轨道交通的电磁兼容性成为人们关注的焦点。

在自然界中，早已存在了电磁现象。自从人类开始使用电能，随之而来的是，电气设备越来越广泛地应用在人们的日常生活中。同时，这些电子设备产生了越来越多的电磁干扰，干扰了电子设备的正常运行。1881年，希维赛德发表了“论干扰”的论文，开启了电磁兼容问题的研究[1]。20世纪以来，随着通信、广播技术的迅速发展，电磁干扰也愈发强烈，人们开始投入大量的人力、财力去进行电磁兼容的研究。20世纪80年代，在计算机技术的协助下，实现了系统电磁兼容预测。因此，从20世纪90年代开始，电磁兼容的工作从事后检测处理发展到预先分析评估、预先设计。因此，电磁兼容设计已成为现代工业生产并行工程系统的实施项目组成部分[2]。电磁兼容的研究对象覆盖很广泛，从微小的芯片到各类舰船，甚至是战斗机[3]、洲际导弹、航天飞机等等。

在城市轨道车辆中，拥有计算机控制技术的弱电元件，还有大功率、高电压、大电流动力设备等强电元件，复杂多元的电子元件设备在车辆中并存运用，致使车辆内外的电磁环境恶化。为了保障车辆的各种电气设备都能正常工作，互不干扰，提高车辆运行的安全性，同时给乘客带来舒适的乘坐体验，需要对车辆专门进行电磁兼容设计。针对该问题，文献[4]对地铁车辆电磁兼容设计进行了简单探讨。在文献[5]中，以广州地铁4号线为例，根据车辆的电磁兼容要求和系统设备的构成布置等信息，分析了城市轨道车辆的干扰源和敏感设备，提出了车辆电磁兼容的解决方案，并完成了试验验证。

本文以上海地铁6号线项目为例，详细分析了电磁干扰源、耦合路径和敏感设备，并设计了城市轨道车辆的接地、屏蔽、滤波、布线等电磁耦合路径切断技术。测试结果表明，该设计使城市轨道车辆符合标准，满足了复杂电磁环境下的电磁兼容要求。

本文其余部分的安排如下：第2部分主要介绍了电磁干扰建模分析;第3部分详细阐述了电磁兼容功能设计;第4部分给出了电磁兼容测试结果;第5部分总结了全文。

2 城市轨道交通的电磁干扰模型

2.1 电磁干扰源、耦合路径和敏感设备

城市轨道车辆系统是牵引、制动、辅助供电等多个电气系统的集成，构成了一个复杂的电磁环境。该电磁环境包含了电磁场和电信号，其频率从近直流、低频直到微波、毫米波、亚毫米波，信号形式包括脉冲波和连续波。这些电磁波和电信号是由许多信号源产生的。信号密度可以超过每秒百万脉冲。因此，电磁兼容设计首先考虑电磁环境评估，涉及电磁干扰源、耦合路径和敏感设备。

电磁环境评估需要明确电磁干扰源。常见的电磁干扰源有：各种电加工设备、大型电力发电站、输变电设备、高压及超高压输电线、电视和广播发射系统、雷达系统、通信发射站、电力机车、地铁列车及家用电器等。在轨道交通系统中，凡是产生高电压、大电流、大信号、宽频、瞬时变化信号，高电感阻抗等设备均是干扰源。干扰源分为列车干扰源和轨道系统干扰源，列车干扰源包括列车底部牵引系统中的牵引电机、高速断路器、主开关箱、VVVF逆变器、滤波电抗器等，以及辅助系统中的SIV逆变器、变压器、母线断路器等。轨道系统干扰源包括接触网供电、信号系统的轨道设备等。

电磁环境评估需要确定耦合路径，通过耦合路径干扰的方式可分为辐射干扰和传导干扰。

辐射干扰主要通过电场、磁场和电晕3种形式发生。电场强度正比于输电线相对于大地的电压，电场产生的辐射干扰主要集中在主变电和高压输电线附近。磁场强度正比于电流大小，而与电压无关。电晕放电产生于导线表面的电场强度超过空气击穿强度的情况，一般需大于30kV/m，因此，多发生在高压输电线路上。

传导干扰由导体耦合产生，任何导体（如导线、传输线、电感器、电容器）都能产生传导干扰。它分为电容传导干扰、电阻传导干扰和电感传导干扰。

電磁环境评估还需要明确敏感设备。凡是低电压、小电流、小信号、窄频、纯时变信号，高电容组件等设备均是敏感设备。敏感设备分为列车敏感设备和轨道系统敏感设备。列车敏感设备包括辅助系统与照明、空调系统、通信系统与乘客信息、列车控制系统、车门系统、车载信号系统等。

2.2 传导干扰分析

相对于辐射干扰，传导干扰对于城市轨道车辆的电磁影响更为显著，所以需要着重分析。

传导干扰是指一个电子设备通过传输通道能把自身的电流和电压在另一个电子设备里产生相应的电流或电压。根据传输通道不同，传导干扰可分为3种：

（1）电容传导耦合：干扰源与敏感设备之间通过电容及导线互相交链而构成的传导耦合。

（2）电阻传导耦合：干扰源与敏感设备之间通过公共阻抗上的电压或电流交链而构成的传导耦合。

（3）电感传导耦合：干扰源与敏感设备之间通过干扰源电流产生磁场相互交链而构成的电磁传导耦合。电感传导耦合的形成是由于干扰源的时变电流产生时变磁场，进而产生时变的磁通，这时变磁通又在敏感设备的输入阻抗两端感应出变化的电压。其主要形式有线圈和变压器耦合、平行双线间的耦合等。

3 城市轨道交通的电磁兼容设计

基于上一部分的分析，干扰源、耦合路径与敏感设备构成电磁干扰效应。因此，在电磁干扰抑制技术方面，需要从削弱干扰源、切断耦合途径或者隔离敏感设备这3个角度着手制定有效的电磁兼容控制措施。

从干扰源角度，对于城市轨道车辆系统或者电气设备来说，有些干扰源可以很容易去掉，但大部分不容易去掉。城市轨道车辆的电气设备产品内部，数字集成电路、部件、系统等都可能是干扰源，由于电气设备产品功能的需要，这些都是不可以去掉的。因此，对于轨道交通设备及车辆系统设备，需要明确其电磁发射限值以保证不干扰其它系统设备。

从耦合路径角度，最为经济、有效的电磁兼容控制措施就是切断耦合途径。因此，如下图所示，应以电磁兼容接地、屏蔽、滤波、布线为依据，结合城市轨道车辆的电气系统特点确定电磁干扰控制措施。

从敏感设备的角度，敏感设备可以是单个设备、分系统或其内部的电路，为了功能需要，这些也是不可能去掉的。因此，对于轨道交通设备及车辆系统设备，需要确定其抗扰度限值以保证系统设备的可靠工作。

3.1 接地

合理接地是最经济有效的电磁兼容设计技术。线路接地是为泄放电荷，或为建立电路基准电平而设置的导线连接。

城市轨道车辆与地面有相对运动，与地面固定设备系统不同，它的“地”不是大地，而是相对零电位基准，即车体。因此，车体上的各导电部件应该通过尽可能大的面积与车体进行低阻抗搭接。每节车的车体间连接线可以使各车体之间等电位，从而保证车体和轴端接地刷连接、最终保证车体的电荷通过轮对泄放到钢轨上。

城市轨道车辆的接地系统设计如下：

（1）所有接地线要短，导电良好，避免高阻性。

（2）宽工作频率的设备要使用混合接地。

（3）对信号线、信号回线、电源系统回线及底板或机壳都要有单独的接地系统、接地回线，以减少对其他电路的瞬态耦合。

（4）可使用浮地隔离（如变压器、光电）解决地线环路问题。

（5）交叉低电平电路的接地线需要使导线互相垂直。

（6）平衡差分电路可以减少接地电路干扰的影响。

（7）室外终端接地时，要能承受雷击电流的冲击。

（8）低频电路可在信号源端进行单点接地，高频电路则采用多点接地的形式。因此，交流线、直流线不能绑扎在一起。

3.2 屏蔽

屏蔽是采用屏蔽体对不同空间区域之间进行隔离，以便限制、减少、避免电场、磁场和电磁波从一个区域对另一个区域进行辐射和感应，即有效抑制通过空间耦合的各种电磁干扰。它既能减少或阻止电子设备内部的辐射电磁能对外部设备的电磁干扰影响，又能减少或阻止外部辐射电磁能对该电子设备内部的影响。

辐射抗扰度试验目的是检验轨道车辆与其外部环境的电磁兼容性。试验场地应远离移动通信基站，以保证试验用设备有足够的辐射发射强度。

被试车辆应处于正常操作状态，没有任何设备的增添或减少;不允许出现可能形成干扰耦合路径的设备;所有的设备都应按照既定的程序运行;维护所用设备应封存，以便为乘客提供正常的服务。测试过程应满足以下条件：所有列车通信和控制设备都处于打开状态;所有静态变流器都处于打开状态;电池充电器处于打开状态;驱动控制单元处于打开状态，牵引变流器处于通电状态，但无牵引力;制动控制单元处于打开状态，机械式制动器处于激活状态;列车自动控制系统处于打开状态;照明设备处于打开状态;闭路电视处于打开状态;乘客信息系统处于打开状态;烟雾检测系统处于打开状态;暖通空调处于打开状态;所有门处于关闭状态。

辐射抗扰度试验参考标准EN 50121-3-1：2015[7]，试验结果如表2所示。

由试验结果可以看出，通过对轨道车辆的接地和屏蔽的设计，有效地实现了外部环境的辐射抗干扰。

4.3 车辆内部干扰试验

车辆内部干扰试验检验了轨道车辆内部电子设备及子系统间的电磁兼容性。试验场地是试车线或者正线。被试车辆不加载记录设备，关闭维修孔、维修罩及维修仓，启动在试验工况下允许的全部用电设备。

车辆内部干扰试验参考标准GB/T28806-2012[8]，试验结果如表3所示。

由试验结果可以看出，通过对轨道车辆的接地、屏蔽、滤波和布线设计，有效实现了车辆系统内部的抗电磁干扰。

4.4 辐射发射试验

辐射发射试验主要进行整车的电磁辐射发射，考核整车辐射发射是否满足电磁兼容性要求。试验应选在晴天进行测量：温度大于等于5℃，风速小于10m/s，湿度足够低，防止供电电源导体上产生凝结。试验场地附近10m范围内不应有树木、围墙、桥梁、隧道、汽车等，也应避免在高架间断处、变电站、变压器、VUT区域、分段绝缘器等处试验，并且在同一供电段2km之内不应有其他行驶轨道车辆。

被试列车应达到交付要求，无临时布线。静止状态时，牵引车辆辅助变流器工作，牵引变流器上电但不工作;拖车辅助变流器、电池充电器工作;开启车辆上所有能够产生辐射发射的电气系统。慢行状态时，牵引变流器及辅助变流器上电工作，开启车辆上所有能够产生辐射发射的电气系统，经过天线时列车以1/3最大牵引力加速或减速。

辐射发射试验参考标准GB/T24338.2-2011[9]，该试验结果验证了城市轨道车辆整车辐射发射满足电磁兼容性标准，不会对城市环境造成电磁污染，表明对轨道车辆的电磁兼容设计是有效的。

5 结语

针对目前城市轨道交通面临的复杂电磁环境下的电磁兼容问题，本文首先介绍了城市轨道车辆的电磁兼容定义，分析了电磁兼容的三要素：干扰源、耦合路径和敏感设备。在此基础上，提出了城市轨道车辆的电磁兼容设计方案，并严格设计了接地、屏蔽、滤波和布线等电磁耦合路径切断技术。最后，对城市轨道车辆进行了电磁兼容检验试验，试验结果表明，所提出的电磁兼容设计方案有效、可靠，被测试车辆符合城市轨道交通的电磁兼容标准。

参考文献：

[1]Kuwabara，N.，Tominaga，T.，Kanazawa，M.，Kuramoto，S.Probability occurrence of estimated lightning surge current at lightning rod before and after installing dissipation array system（DAS）[C].IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility，Denver，CO，USA，Aug.1998.

[2]Clayton R.Paul.Introduction to Electromagnetic Compatibility（Second Edition）[M].聞映红等译.电磁兼容导论[M].北京：人民邮电出版社，2008（第2版）.

[3]苏东林，雷军，王冰切.系统电磁兼容技术综述与展望[J].宇航计测技术，2007（S1）：34-38.

[4]钱秀丽.浅谈地铁车辆电磁兼容措施及方案[J].黑龙江科技信息，2014（36）：142.

[5]吴冬华.广州地铁四号线直线电机地铁车辆电磁兼容研究[D].中南大学，2009.

[6]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会.轨道交通电磁兼容第3-1部分：机车车辆列车和整车：GB/T24338.3-2009[S].2009.

[7]Railway applications-Electromagnetic compatibility-Part 3-1：Rolling stock-Train and complete vehicle;EN 50121-3-1：2015[S].2015.

[8]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会.轨道交通机车车辆：机车车辆制成后投入使用前的试验：GB/T28806-2012[S].2012.

[9]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局、中国国家标准化管理委员会.轨道交通电磁兼容第2部分：整个轨道系统对外界的发射：GB/T24338.2-2011[S].2011.

基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFB1200100）;轨道车辆电磁兼容仿真数据库开发项目（BUAA-ZCCC-FZDD-2019-1）

作者简介：郝宏海（1986-），男，黑龙江哈尔滨人，2011年获得哈尔滨工业大学硕士学位，现为中车长春轨道客车股份有限公司工程师，电磁兼容实验室负责人，主要研究领域为轨道客车车载电子电气和电磁兼容。