浅析城轨车辆电磁兼容设计要点

浅析城轨车辆电磁兼容设计要点
随着科学技术的发展，电子和电气设备在城轨车辆上的应用越来越广泛，这些电子和电气设备本身即是对外界电子设备的干扰源，也是容易受到外界干扰的受扰源。

文章介绍了城轨车辆中造成电磁干扰的原因、对电磁于扰的处理办法、电磁兼容设计要点以及注意事项。

标签：电磁兼容；干扰；接地；屏蔽；滤波
1 引言
城轨车辆的电磁兼容设计就是将这些电子设备对外界的干扰控制在标准之内，并保证车辆上的电子设备在电磁环境中能够正常工作，对于城轨车辆特定的环境来说，干扰源一般有电源变换装置、牵引电机、滤波电抗器、斩波电阻以及通讯设备及计算机等。

容易受到外界电磁干扰的设备有数据线、通讯线、计算机、控制器以及显示器等。

如果车辆的电磁兼容设计不到位，可能会引起系统的通讯网络故障、设备误动作或者是电子元器件受到损坏等情况，因此车辆的电磁兼容设计也就越来越重要。

城轨车辆的电磁兼容设计采用的方法主要有接地技术、屏蔽技术、滤波技术，尽量减少电磁干扰对车辆设备的影响，下文分别就这三种方法进行详细介绍。

2 接地技术
接地就是一个系统内电器与电子元件至地参考点之间的电传导路径。

接地的目的一是防止电击，二是去除干扰。

因此接地主要分为两大类：
2.1 安全接地
安全接地是指接大地，就是将电气设备的外壳用导线与大地相连，防止意外触及时不会遭受电击。

2.2 信号接地
信号接地主要有两个目的，一是提供零电势参考点，二是消除杂质的干扰。

由于杂质本身不同的特性，又有不同的处理方法：
2.2.1 单点接地：每一个子系统都接至互相隔开的接地面（建筑地、信号地、屏蔽地、交流初级及次级电源地）。

这些子系统的单独接地面最终将以最短的途径统一连至参考电位的系统接地点，如图1所示。

2.2.2 多点接地：每一设备都严格地搭接至牢固的接地导电面，然后将该面接大地以保证安全，如图2所示。

2.2.3 复合式接地：在复合式接地配置方式中，地在低频时是单点地，高频时时多点地，如图3所示，这种接地方式的图示电路，其中激励电路与传感电路的底壳一定要接地，而同轴电缆的屏蔽体应在两端连至底壳接地，此处一个对地的电容可免除低频地电流回路。

在高频时电容产生低阻抗而电缆屏蔽体则被接地。

因此这一电路可同时实现低频时的单点接地及高频时的多点接地。

2.2.4 浮动接地：一个浮动信号接地系统要与设备室、建筑物、大地以及其他导电体在电气上进行隔断，以免除接地系统中存在的噪声电流耦合环，不让它们在信号电路中流动，如图4所示。

2.3 接地技术的设计要点
在城轨车辆的电磁兼容设计中，合理的接地设计是最常用也是最经济的一种方法，如果在设计之初就统筹考虑各系统的接地，可以在一定程度上解决电磁干扰问题，在车辆的接地设计中，一般应遵循以下设计要点：
2.3.1 接地线愈短愈好，降低阻抗并降低辐射杂质。

2.3.2 接地面应具有高传导性。

2.3.3 低能量信号接地应与其它接地分开。

2.3.4 低频宜采用单点接地系统，高频应采用多点接地系统。

2.3.5 切忌双股电缆分开安装。

2.3.6 不同低频回路，如信号、屏蔽、电源、机壳或组架，应规划不同的接地系统，并将这些回路汇接一点，然后单点接地。

2.3.7 经常产生急变电流的线路应采用单独的接地系统、至少采用单独的接地回路，以避免影响其他设备或线路。

3 屏蔽技术
屏蔽技术是指对两个区域之间采用屏蔽体进行隔离，以控制电场、磁场和电磁场在两个区域的感应和辐射。

按照原理，屏蔽又分为电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽。

3.1 电场屏蔽：其机理是将电场的感应理解成分布电容间的耦合，电场屏蔽的设计要点：
3.1.1 屏蔽板应尽量靠近受保护物且屏蔽板的接地良好。

3.1.2 屏蔽板以封闭的金属盒对屏蔽效能最好。

3.1.3 屏蔽板材料应为良导体，厚度无要求，满足强度即可。

3.2 磁场屏蔽：磁场屏蔽通常是指对低频磁场或直流的屏蔽，其机理主要是依靠高导磁材料对磁通起着分路的作用，使得屏蔽体内部的磁场减弱。

磁场屏蔽的设计要点：
3.2.1 选用高导磁材料，如坡莫合金，低碳钢等。

3.2.2 适当增加屏蔽体的厚度。

3.2.3 尽量减少屏蔽体的接缝、开孔等，以防止增加屏蔽体的磁阻，从而降低屏蔽效果。

3.2.4 强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体的结构。

3.2.5 屏蔽外部强磁场的，则屏蔽体的外层选用不易饱和的材料，内部选用容易达到饱和的高导磁材料。

如果屏蔽内部强磁场时，则材料的排列次序要反之。

3.2.6 安装内外两层屏蔽体时，要注意彼此间的绝缘。

如果没有接地要求时，可用绝缘材料做支撑件。

如果有接地要求时，选用非铁磁材料（如铝、铜等）做支撑。

3.3 电磁场屏蔽：电磁场屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播。

其机理是电磁波的反射和电磁波的吸收。

电磁场屏蔽的设计要点：
3.3.1 材料及厚度的不同对于电磁波的吸收效果也不同。

3.3.2 对于平面波，波阻抗为一常数，而与辐射源到屏蔽体的距离无关。

3.3.3 对电场的屏蔽需要良导体材料，如铜、铝等，其屏蔽机理是反射信号而不是吸收。

3.3.4 对磁场的屏蔽需要铁磁材料，如高导磁率合金和铁，其屏蔽机理是吸收而不是反射。

3.3.5 对于金属电缆通道，决定阻抗特性是敷设结构的形状（平的、U形、管形等）而不是截面积，封闭型优于开启型，因为它能减少共模耦和。

电缆通道常开些缝隙用于电缆的固定夹板，缝隙应越小越好。

如图5。

3.3.6 如果在电磁（EM）环境低的场所，使用屏蔽电缆或光导纤维，按不同的电缆类型（电力；数据处理用电缆等）敷设于分隔的电缆通道内，则对预防电磁干扰来说为不良的电缆通道也是可以使用的。

3.3.7 不同的电缆类型（电力的和低电平的）不应当敷设在同一束或同一电缆通道中。

电缆通道敷设的电缆量决不应多于满量的一半。

3.3.8 推荐用屏蔽或敷设电缆于不同的电缆通道中相互间按电磁性能分组分隔。

根据要求达到的屏蔽质量水平确定各组间的分隔距离。

假如没有屏蔽，应当保持足够的分隔距离。

3.3.9 相同尺寸铝制电缆通道的直流电阻比钢制结构低，但钢的转移阻抗（Zt）在较低的频率时降低、特别是在高相对导磁率μr的情况下。

当采用不同的金属时必须谨慎，因为为避免腐蚀在某些情况下直接进行电气连接是不被认可的。

这对电磁兼容是不利的因素。

3.3.10 当采用屏蔽电缆时，也就必需要确定如何进行屏蔽连接（接地型式、连接线、电缆入口等），否则其效果会大大降低。

为了有效，屏蔽应当在360°范围内进行连接。

4 滤波技术
滤波技术就是指从混有噪声或干扰的原信号中，提取有用信号的一门技术，在城轨车辆中滤波技术的最典型的应用有滤波电抗器、逆变器和整流装置滤波电路。

滤波电抗器主要防止IGBT开关时产生的高频电流反馈给电网，避免对电网造成不必要的影响。

逆变器和整流装置滤波电路是过滤电流经过开关元器件产生的高频谐波来改善电源品质。

滤波器安装。

对滤波器正确的安装才能获得预期的衰减特性，滤波器的安装应遵循以下设计原则：输入电源线的滤波器应该安装在设备或屏蔽壳体的电源人口处，并进行屏蔽处理。

引线应尽量短，避免感抗与容抗在较低频率上谐振。

电容器和其他元器件间应采用正交安装方式，以减小相互藕合。

滤波器必须有良好的接地。

滤波器输入和输出线应加以屏蔽并不得往返交叉，避免输人和输出线之间的耦合而导致滤波器抑制特性下降。

5 结束语
在城轨车辆的电磁兼容设计中，进行合理的布线和接地；干扰源远离受干扰源远离；输入与输出分开；高压电缆与低压电缆分开敷设；逆变器输入及输出电源线与其他传输线分开布置；对干扰源和受干扰源进行屏蔽处理；对滤波电抗器等磁场干扰源采用安装防磁板等处理方式；同时高频连接线尽量短；接地线阻值尽量小；必要时再加上适当滤波等措施。

基本可以解决列车中存在的电磁干扰问题。

参考文献
[1]王庆斌，刘萍，尤利文等电磁干扰与电磁兼容技术[M].北京：机械工业出版社，1999.
[2]路宏敏.工程电磁兼容[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.。