线缆布局布线EMC设计与仿真方案研究

线缆布局布线 EMC设计与仿真方案研究

摘要：我国轨道交通行业逐渐实现了跨越性的发展，并且获得有史以来包括

内燃机车在内的国际地铁订单。国家内燃机车设计与我国大部分车型具有明显差异，最突出的特点便是其车下线缆布局布线所使用的线架并不具备屏蔽保护功能，会增大电磁兼容问题的发生概率。本文以线缆布局布线EMC设计与仿真方案作为

研究对象，在查阅大量相关文献以及结合以往经验的基础上，对EMC设计及EMC

防护技术要求进行简单介绍，然后分析了线缆布局布线EMC建模以及EMC仿真，

期望可以为相关设计工作的开展提供理论参考。

关键词：线缆布局布线；EMC设计；仿真方案

前言

对出口欧洲的动车组内燃车进行分析，发现其为了对车体重量进行减轻，会

在车下位置利用线架开展布局布线。将线架和线槽进行对比，可以了解到线架的

设计更加简单方便，但是却缺失了电磁屏蔽等防护功能[1]。进行车下布局布线难

以完全避免动力线路与信号线缆的并行走线问题，如果不进行任何的防护大概率

会发生电磁兼容的问题。为了有效改善这一系列问题，可以应用CST STUCIO SUITE2019电磁仿真软件以1:1的比例开展建模仿真计算，在线缆间距相对固定

的情况下，利用不同的屏蔽措施对电磁兼容问题进行解决。本文作者张宗兵工作

于广州广电计量检测股份有限公司，结合以往的工作经验以及相关文献资料对线

缆布局布线EMC设计与仿真方案进行探究。

1.

EMC设计简单介绍及EMC防护技术要求

可以将电磁兼容简单地理解为使电气设备或者系统在处于电磁环境时，也可

以进行正常工作，并且不会对该环境当中的其他设备造成超出其承受范围的电磁

骚扰的设计工作。而电磁干扰主要是指由于受到电磁骚扰，而引起的设备、传输

通道以及系统功能下降、功能丧失以及不可自动恢复的故障灯，从干扰的严重程

度的角度出发，可以将干扰导致的状态分为以下几点：功能干扰、运行功能降低、功能故障以及功能损坏。干扰源主要是指干扰产生的地方，基本上所有的电气设

备都属于干扰源，主要是因为电气设备在工作过程基本上都会产生干扰。动车组

当中存在可以大量传输不同类型信号的电缆，并且不同信号的工作频率以及幅值

通常具有明显的差异，在电磁特性方面也不尽相同[2]。对电缆布线问题进行妥善

解决，属于实现列车良好电磁兼容性的关键因素。在开展线缆布局布线设计工作时，最突出的问题便是有效分离干扰大的电缆以及对感染具有较高敏感性的电缆。譬如，在铺设动力电缆、制动电缆、电机电缆和模拟信号电缆、通讯电缆、控制

电缆时应当进行分开敷设。电缆主要会受到外界干扰的耦合模式主要包括电容耦合、电感耦合以及传导耦合，在布线时严格遵照正确的走线路径、将线缆布置在

线槽和套管、严格遵照布线规则间距布线均可以减少电磁耦合。

1.

线缆布局布线EMC建模以及EMC仿真

2.1 线缆布局布线EMC建模

对内燃动车组车下二维布线图以及电气原理图进行全面分析，可以了解到存

在AC380V，三相四线制的动力线缆工作频率及工作电压分别为50Hz和DC15V，

输出信号幅度中高电平和低电平分别≥9V和≤2V，大部分信号线缆并行走线

4113mm，两线之间的间距为37mm，之后利用CST STUCIO SUITE2019软件建立相

对应的同比例三维模型图。在生成路径仿真模型时主要是利用Cable工作室生成

路仿真模型，以电气原理为依据对各个元器件进行连接，确保其与仿真条件的要

求相符合[3]。

动车组上的电气环境具有较高的复杂度，因此可以在电磁兼容仿真计算中天

机脉冲群、浪涌、谐波以及高频干扰等激励信号，AC380V激励信号是由上述信号

共同作用的激励信号，并不是理想干净的正弦波信号，将这一激励信号作用到车

上不同的设备上，可以得到更加接近实际情况的仿真技术结果。

2.2 线缆布局布线EMC仿真

以实际工作情况为依据，对电磁兼容仿真计算真实激励信号进行添加，在不

同的工作状况下仿真结果会存在比较显著的差异。工况主要包括处于相同的布线

间距，限号线缆的屏蔽层双端接地的情况下，两类线缆都没有采用屏蔽编织网、

信号类线采用屏蔽编织网并且双端接地以及信号线缆采用屏蔽钢管并且双端接线。

1.

对于两类线缆都不采取

屏蔽编织网的仿真结果主要是

在输入信号的第一个周期也就

是处于理想波形的作用范围内

时，信号线缆的输出信号同样

可以保持在正常的工作范围之内，这也就代表着速度传感器可以实现正常工作。

但是，在受到脉冲群、浪涌、谐波以及高频干扰作用之后，速度传感器在输出信

号时电磁干扰会产生明显的影响，在这一过程输出信号的部分峰值会存在超出正

常输出信号的范围，最严重时高电平和低电平分别接近7.7V（＜9V）和3.5V

（＞2V）如图1所示，干扰速度传感器的正常运行，严重情况下会引起速度传感

器烧毁[4]。

图1 两类线缆均不采取屏蔽

编织网的仿真结果1.

在处于信号类线采用屏蔽编制网并且双端接地的工况下时，在输入信号的第

一个周期也就是理想波形作用范围之内，速度传感器正常运行。在添加了激励之后，速度传感器输出信号部分峰值同样存在超出正常输出信号范围的情况，最严

重时高电平和低电平分别接近8.2V（＜9V）和3.0V（＞2V）如图2所示，但是

与上一个工况相对比，干扰强度发生了减弱，可是速度传感器依旧难以正常工作。