复杂电磁环境下城市轨道交通的电磁兼容设计

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 复杂电磁环境下城市轨道交通的电磁兼容设计 作者：郝宏海 来源：《科技风》2020年第18期 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

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 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 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 Symbol`@@ 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。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 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。 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 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