地铁车辆电磁兼容性研究

尹洪旭

中车大连机车车辆有限公司 辽宁 大连 116100

1 前言

地铁车辆电磁兼容性即在电磁环境中,地铁列车不影响其他轨道交通系统及设备的运行,也不能因这些系统和设备的干扰而降低甚至影响列车运行的安全性。电磁干扰存在于地铁沿线及车辆内部电气设备之间、车辆电气设备与乘客之间、车辆电气设备与乘客携带的移动电子设备之间,因此电磁兼容设计工作贯穿于地铁沿线电气设计、车辆设计及车辆电气子系统的设计。

地铁车辆的设计应充分考虑电磁兼容性,采取有效地措施确保地铁沿线的外部因素(如供电设备、信号、无线通信、PIDS系统)不会对车辆设备的正常工作造成干扰,也要确保因车辆设备工作造成的各种干扰(辐射干扰、发射干扰、传导干扰)对人体、乘客携带的移动电子设备及地铁沿线电气设备的影响满足电磁兼容性EN50121等相关标准。

2 电磁兼容设计要素

电磁兼容设计要素如下:

(1)降低干扰源对外的干扰;

(2)切断或是降低干扰路径耦合过来的干扰能量;

(3)提高敏感系统的抗干扰能力。

针对上述设计要素提出的具体措施见表1。

表1 电磁干扰设计要素及对应的抗干扰措施

3 车辆电磁兼容设计主要措施

3.1 布线设计 车辆中不同电压等级的电缆产生的电场效应会成为整个系统电磁干扰的干扰源。为了抑制电磁干扰,提高列车整体布线的稳定性,同种类的线缆应分门别类单独铺设以提高电磁兼容能力。车辆线缆分为6类,详见表2。

表2 车辆所用线缆分类

以上6类电缆,其对外干扰的幅度由小到大为1-6,而易受干扰的程度由小到大为6-1。如有可能,不同的线缆应尽可能独立布线。如若在实际安装中难以实现,则其干扰的能量,抗干扰能力以及线缆相互间平行走线的长短将决定线缆间的最小间距。上述6类电缆布线的最小间距要求见表3。

表3 车辆布线间距要求

如果上述最小间距难以保证,则应遵循以下原则:

1)不同类型线缆尽量交叉垂直走线。

2)不同类型电缆尽量使用良好接地的金属材质的线管或线槽。

3)线缆的输出线以及回路线应尽可能相邻走线以减小干扰/干扰耦合的环路。

4)线缆应通过专用连接器与接口连接。

另外,在屏蔽线的选择上,除牵引逆变器,辅助逆变器等高压大电流设备经过EMI滤波接地等处理措施使其满足要求而无需使用屏蔽线缆外,其他诸如数据总线、ATC、通信、控制、PIDS、各传感器等线缆将尽可能使用屏蔽双绞线、同轴电缆等。

3.2 屏蔽设计 屏蔽分为电场屏蔽和磁场屏蔽。其中电场屏蔽主要使用铜或铝合金等材质,同时需要良好接地,否则达不到屏蔽效果。另外考虑到高频电场干扰的

波长等因素,屏蔽的柜体应注意缝和开槽的设计以尽可能提高其屏蔽效能。理论上磁场屏蔽需要考虑材质的磁导率等因素,实际运用中铝板等低磁导率

的材质在大的厚度下对来自于牵引/辅助逆变器,牵引电机等的低频磁场干扰同样有一定的衰减能力而使其满足标准要求。故需要注意的点集中于:

1)线缆屏蔽需进行良好接地。

2)屏蔽线与端口需360度端接,不能使用引线/插针法端接。

3)柜体的屏蔽应考虑门,缝,槽,孔等处电气搭接的连续性,必要时需使用导电衬垫,簧片等措施。

4)对低频磁场屏蔽的铝板等应充分考量实际效果。

3.3 接地设计 接地分为以下几种类型:

1)保护地(安全接地)

此类接地主要功能为人身安全的保护,防止直接或间接的触电事故,涉及到各类结构器件,此时应尽可能地以大的面积接地以达到低阻抗的目的。此阻抗的合理设计会抑制噪声电流等流过此处会产生的电压,从而保证人的安全以及因为此电压而造成的共模干扰。

2)功能地(工作地)

此类接地是整个车辆系统正常稳定运行的必要条件,一方面为正常电路提供回路,同时作为参考的基准电路。接地的好坏,干扰/抗干扰环路的大小将决定电路系统是否能稳定地工作并且是否能减小对外干扰以及提高自身抗干扰能力

3)电磁兼容相关的地(屏蔽体接地,器件滤波接地等)

此类接地主要针对做了屏蔽的部分,比如线缆屏蔽层,屏蔽电气柜等。此屏蔽体是否接地以及接地措施的好坏将直接决定屏蔽效果的好坏。屏蔽体的接地应遵循大面积低接地阻抗的原则。不同的接地点如果电位一致则按照双点或多点接地的原则,如果不一致则按照单点接地以防止此电位差引起共模干扰。屏蔽电缆接口应使用专用连接器或夹紧螺母,以确保其屏蔽层按照360度环接方式接地。屏蔽柜的盖子门板等应考虑漆等绝缘物质对屏蔽接地连续性的影响。

3.4 滤波 滤波是最直接有效抑制电磁干扰的方法,在子系统的输入输出加入滤波电容,电感,铁氧体磁环等将从源头抑制其对外的干扰,同时提高自身的抗干扰能力。

4 信号兼容性

信号兼容性是行车安全要求中最重要的因素,信号采集后传送所涉及的有线和无线传送只有做到与其他系统兼容,才能使信号系统信号正常传送,以确保轨道交通系统的行车安全。

信号系统的组成由信号采集传感器、信号传递通道及信号处理单元构成。对于不同的信号设备,其电气性能尤其是电磁特性以及工作安装环境是不同的,因此与车辆的各种接口也是完全不同的。

信号兼容性要求就是信号与车辆之间的接口要求。

4.1 适用于各子系统的干扰源和干扰种类 在本次广州地铁十三号线中,信号系统使用计轴器方案,因计轴器发射单元通过一定的频率(工作频率)发射信号,接收单元通过磁场感应正常接收,有车轮经过时,其磁力线的传递被阻断或改变,从而被有效记录。因而其工作频段的电磁环境兼容性是其关键点。根据计轴器正常工作的使用频率特点,靠近计轴器的车底机电设施,尤其是牵引系统,辅助电源系统成其为主要干扰源。根据计轴器兼容性标准(EN 50238-3:2010)所给出的计轴器各工作频率对应的外界干扰限值以及牵引系统,辅助逆变系统供应商所给出的技术文件中对应的频段干扰幅度,可计算出此频段的安全裕量。

根据EN50121-3-2的要求为所有车载信号设备编写电磁兼容技术文档,来保证各设备能满足电磁兼容要求。例如,静电放电干扰会导致信号设备失效或性能降低,良好的接地措施是非常必要的;由车辆供电系统产生的干扰会通过传导耦合方式影响信号传输,辅助电源端可以采用隔离屏蔽,合理的布线来解决此问题。

5 结束语

通过采取有效的抗干扰措施在广州地铁十三号线车辆上进行了测试,测试结果表明,车辆完全符合轨道列车的电磁兼容要求,所采取的方案可以最大程度降低电磁干扰的风险,为城市轨道列车运行的安全性和可靠性提供了有利保障。