电力机车的电磁干扰现象分析及对策_索建国

首先是对机车控制部分和功率部分中的外壳、 屏蔽、 接 地、 滤波、 信号传输、 设备布置和布线等方面进行考虑， 以下就电力机车涉及到的外壳屏蔽技术、屏蔽的完整 性、 系统接地、 布线等结合部分实例进行说明。
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平面外壳屏蔽设计 屏蔽效能及其产生的衰减与干扰的频率、干扰源
与屏蔽体的距离、屏蔽体 的厚度以及屏蔽的材料等 有关。 对于电磁干扰， 屏蔽 作用体现为：入射波的一 部分在屏蔽体的前表面反 射， 一部分被吸收， 另一部 分被透射， 见图 -。表 - 给 出了不同的屏蔽衰减值与 屏蔽效能评价。
作者简介：索建国 （"+(+- ） ， 男， 高级工程师， 工学学士， 现为中南大学信息科学与工程学 "++" 年毕业于西南交通大学电力牵引与传动控制专业， 院硕士研究生， 从事电力机车总体技术开发工作， 现任株洲电力机车厂技术中心产品开发部部长。
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索建国 等・电力机车的电磁干扰现象分析及对策・ !""# 年第 $ 期
第 ’( 卷 第 ( 期 ’##/ 年 "" 月 ’# 日
电力机车与城轨车辆
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电力机车的电磁干扰现象分析及对策
索建国， 黄志武
（中南大学 信息科学与工程学院，湖南 长沙 摘
# 引言
目前，机车上大量采用微机控制的牵引传动装置 以及分布全列车的列车通信系统，日益增多的电子设 备带来了许多电磁干扰源和敏感器。如牵引电路和辅 助电路采用的大功率 I*D 和 2IX* 变流器，其电压上 升率分别为 #)%Y" ZW [ !7 和 /Y"# ZW [ !7， 电流上升率 分别为 /Y/## , [ !7 和 /#Y(## , [ !7，并具有较高的 开关频率， 这样大大增加了功率部分的干扰电势， 强化 了传导干扰和辐射干扰。 另外， 电力机车设备安装空间 的限制和小型化， 使功率器件与控制设备、 机车通讯系 统、 机车信号装置距离很近， 缩短了干扰源与敏感器之 间的传播路径，增大了发生干扰的机率和对干扰的敏 感度。而电子器件制造技术的发展又降低了电磁干扰 的阈值，如大规模集成电路芯片较低的供电电压降低 了内部噪声门限，而其精细的几何尺寸在很低的电平 下就会受到电弧损坏。 同时， 快速同步操作产生的电流 随机的射频 脉冲， 会使 2 [ D 端口发生宽带发射问题， 信号能够向计算机发出指令， 使程序发生变化。 为保证 在各变流器以及与之相连的电动机、变压器和制动电
表衰减值 8 ?@
图)
ENO 8 <=O 能量的耗散
屏蔽衰减值与效果评价
屏蔽效果评价 屏蔽很少 有意义的屏蔽的下限 平均屏蔽量 屏蔽较好 屏蔽很好 现有技术的极限
"9-" -"9#" #"9$" $"9A" A"9-!" -!" 以上
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屏蔽效能计算
B< C ( D E F @
式中： B< 为屏蔽效能； ( 为吸收因子； E 为反射因子； @ 为多次反射修正因子。所有因子单位均为 ?@ 。 其中吸收因子为：
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屏蔽设计实例
平面的屏蔽设计能够有效地屏蔽低频磁场、高频 电场与磁场。 加上控制装置中的平面外壳设计、 控制装
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电力机车与城轨车辆・ !..$ 年第 ( 期
置和蓄电池之间的电位隔离以及各控制装置之间的电 位隔离，因而能使电子装置具有与其环境屏蔽相同的 电位， 从而显著的减少干扰耦合。 图 ! 是平面的外壳和 屏蔽设计示意图。机车上所有外壳导体部分是相互连 接的， 机车外壳形成一个平面的基准电位。 所有装置和 部件又与这个基准电位低阻抗连接， 即低电阻的连接。 这就实现了平面地与可导电的装置箱体或与机车车体 外壳相连接的目的。
（! ） 浪涌式的干扰。其主要表现是大电流回路中电 气部件迅速断开而产生的高能量的电压和电流脉冲。 若迅速断开极大的电流 （例如熔断器烧断） ， 引入线上 的电感会产生一个蓄能量较大的电压或电流脉冲（电 压和电流可达 % &’ 和 ! &( ） ， 导致损坏电器部件。脉 冲上升时间为 )*! !+ ，脉冲持续时间为 !"*," !+， 而 频谱最高约达 -"" &./。这种浪涌式的干扰脉冲主要 是电耦合传播给馈电线的。 静电放电。在一定的环境和天气条件下， 人体 （# ） 静电充电可高达 0 &’ 。这时， 一旦人体与导电部分接 触， 在极短时间内放电 ， 在 不 到 - 1+ 时 间 内 电 流 可 增 加到 -, ( 。这些脉冲包含达几百兆赫兹的高频分量， 但蓄能量小。 （% ） 辐射干扰。辐射干扰主要是由无线电广播、 电 视发射台、 手机和移动通信设备产生的强电磁场， 其频 磁场强度与距发射台的距 率范围为 -23 &./*-40 5./ ， 离有关。在公众可达到的范围内以及距可移动设备大 于 !3 67 时， 应考虑的最大电磁场强度为 !" ’ 8 7。 同样，电子和电气部件产生的电磁场也会干扰无 线电广播、 移动电话和小型便携式无线电台 （如机车运 转调度无线电和行政及安全部门用的无线电） 的接收， 或影响其接收质量。 这不仅涉及到路外设备， 也涉及到 估 铁路本身的设备。目前频率范围是 )33 &./9! 5./， 计今后这个频率范围会向上扩展。 （, ） 对电网的反作用——干扰电流。由于牵引驱动 装置中静止变流器的功率器件频繁开关，会在供电电 网中产生干扰电流。这些干扰电流大多经钢轨和接触 导线流回变电站， 其频率从几赫兹到几十赫兹。 它们会 干扰铁路范围内的信号装置和通信设备，尤其是干扰 轨道直流电路、连续式列车自动控制和列车运行自动 。 控制系统 （(:; ） （$ ） 电感性传导干扰。机车上的大电流变流器和电 动机或制动电阻产生的脉冲电流以及由变流器电容性 耦合到接地系统的杂散电流，都会在钢轨中和机车底 架中产生磁场。原则上这种磁场会干扰所有电感性工 作的通信和信号系统。
! 抑制电磁干扰的措施
根据电磁干扰的基本原理， 可以通过限制干扰源， 隔离耦合途径和保护敏感设备来增强系统电磁兼容 性。其主要手段包括优化接地，屏蔽干扰源或敏感设 备， 增加滤波设备和增加特殊设备 （如隔离变压器、 光 电转换设施、 避雷器、 压敏电阻等） 。电力机车的 <=> 方案是针对机车所有部件、 设备的影响进行考虑的， 但
蜂窝状盖板。屏蔽盖板相对较便宜， 但屏蔽效能有限， 并且由于紊流还会影响空气的流动。而蜂窝状材料既 能提供较高的屏蔽效能又能提供线形空气流。在图 % 所示的蜂窝状结构中，每一个六边形单元都是一个截 止波导， 用于提高屏蔽效能。 可用蜂窝状材料来密封可 能成为 +, 干扰信号通道的散热孔、 通风孔和光线孔。 这种材料具有重量轻， 空气流阻力小， 屏蔽效能高和率 流小等优点。
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( C -4-# G
式中： G — 屏蔽厚度， 67 ；
! H — 屏蔽材料的相对导磁率； " H — 屏蔽材料的相对导电率；
I — 频率， ./。
吸收主要与屏蔽厚度有关，因此吸收因子对所有 类型的电磁波都相同。 反射因子 E 为： （! H I 8 " H） E C -$0J-"K)L 当 E M $ ?@ 时， 多次反射修正因子 @ 可以忽略； 仅 当屏蔽层 很 薄 或 频 率 低 于 !3 &./ 时 ， @ 才是重要的。 在设计屏蔽时， 特别是 )% &./ 以下的时， 除吸收损耗 外， 其它因素都可以忽略。
" — 电 位 隔 离 ；! — 设 备 # ；$ — 数 据 总 线 ；% — 蓄 电 池 ；& — 设
备 ’； ( — 机车外壳； ) — 信号发生器。
图!
外壳和屏蔽示意图
图%
蜂窝结构
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屏蔽的完整性及其措施
（$ ） 观察孔。对测量仪、 显示器或其它类型的监测 设备进行观察的观察孔与机壳的屏蔽完整性是相矛盾 的， 常用以下方案解决： 线网窗。用精细的编织线网夹在两层面板之 （- ） 间。通常，编织网由直径为 .*.& // 的不锈钢导线做 成， 每英寸大约有 " ... 个孔， 导线涂成黑色以减少光 的反射。 面板材料通常为玻璃板或聚丙烯板。 玻璃板结 实，抗腐蚀性和防划痕能力强，而聚丙烯板抗冲击力 强， 但容易被划伤。 面板之间的导电媒质必须与外壳地 良好接触，金属导线网通常要比玻璃或塑料层突出一 些， 以便能与外框或衬垫进行电气连接， 有时候采用导 电粘合剂来提供低阻抗接触。 金属织物窗。使用 &&1 或更多的金属化织物作 （0） 为窗材料， 通常用镀镍的聚酯纤维。 （2） 导电光学胶片。使用阴极真空镀膜法将金属膜
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阻所有连接电缆布线的相邻范围内， 各信号、 通讯设备 能正常可靠的工作，防止对机车运动沿线各城市通讯 的干扰， 注意各种辐射对人体健康的影响， 加强电力机 车电磁兼容性已是目前电力机车研究和生产所面临的 一个重要课题。本文即对电力机车电磁干扰现象进行 归纳， 并结合实例列举了一些常用的解决措施。
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