地铁车载环境下抗电磁干扰技术及解决方案.docx

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地铁车载环境下抗电磁干扰技术及解决方案

地铁车载环境下抗电磁干扰技术及解决方案

【摘要】随着地铁车辆自动化程度的提高，车载电子设备的种类、数量不断增多，运行速度不断提高，电磁环境变得更加复杂。

为了保证地铁车辆安全可靠运行，车载电子设备应满足电磁兼容要求。

本文主要探讨地铁车载环境下的电磁干扰，通过对地铁车辆运行环境中的电磁干扰环境分析，提出了抗电磁干扰的技术措施及解决方案。

【关键词】电磁兼容；地铁；电磁干扰；隔离；屏蔽；滤波；车载环境；耦合途径

一、电磁干扰简述

电磁效应是非常普通的物理现象，它与我们人类的生活息息相关，我们有时会加以利用，有时我们又会加以防止或消除影响。

电磁干扰（emi，electromagneticinterference）是指电磁骚扰（注1）引起的设备、传输通道或系统性能的下降。

电磁干扰由电磁干扰源、受干扰设备（敏感设备）、耦合途径/传输通道三个基本要素组成。

轨道交通环境内电磁干扰源主要包括牵引变压器、主变流器、主断路器、牵引电动机、辅助变流器、等。

这些设备属于大电流、高电压、大功率设备，电压或电流快速变化的设备或高频设备。

敏感设备是指对电磁干扰比较灵敏的电子或电气设备，如传感器、视音频设备、通信设备、弱电流控制设备等。

二、地铁车辆运行环境中的电磁干扰环境分析

提出抗电磁干扰的解决方案也就是电磁兼容性的设计问题，必须从电磁兼容性的三要素（电磁干扰源、耦合途径、敏感设备）入手，分清楚每一个要素是什么，有针对性的采取相应的措施加以解决。

本文以深圳地铁5号线为例探讨地铁车辆运行环境中的电磁干扰环境及解决方案。

2.1项目概况

地铁环中线（5号线）由前海湾站至黄贝岭站，全长40.001公里，共设27个站，依次为：

前海湾站、临海站、宝华站、宝安中心站、翻身站、灵芝站、洪浪北站、兴东站、留仙洞站、西丽站、大学城站、塘朗站、长岭陂站、深圳北站、民治站、五和站、坂田站、杨美站、上水径站、下水径站、长龙站、布吉站、百鸽笼站、布心站、太安站、怡景站、黄贝岭站。

列车由两个单元共6辆车组成，每个单元由1辆拖车（a车）加2辆动车（b车和c车）组成。

编组方式：

a+b+c+c+b+a

2.2电磁干扰环境分析

地铁车辆在行驶中，既是干扰源又是潜在的被干扰对象（敏感设备）。

作为敏感设备，其电磁环境受外部环境的电磁干扰及内部设备之间的相互干扰2个主要方面的影响。

外部干扰包括：

（1）自然环境的干扰：

如雷电引起的瞬间停电、无线通信基站的电磁波辐射、民用wifi信号、民用及公安无线通信的电磁波辐射、广播发射塔的广播干扰等；

（2）列车供电系统波动造成的谐波干扰；

（3）列车受电工滑过接触网时因接触不良或跳动引起的脉冲干扰；牵引电路电流与轨道电路电脑在钢轨上产生电导性耦合产生的干扰。

内部设备之间的相互干扰包括：

（1）工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰；

（2）信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合，导线之间的互感造成的干扰；

（3）开关的通断操作引起的瞬变、高频干扰

三、常见的抗电磁干扰技术措施

针对上述分析，抗电磁干扰的技术措施主要从“抑制”、“防止”干扰2个方面入手。

“抑制”是主动应对措施，“防止”属于被动措施，目的是通过采取措施削弱或避免受到干扰。

常见的解决方法

（1）传输通道抑制措施：

滤波、屏蔽、接地、搭接、合理布线等方法；

（2）空间分离控制措施：

地点位置控制、自然地形控制、方位角控制、电场矢量方向控制；（3）时间回避控制措施：

时间共用准则、雷达脉冲同步、主动时间分隔、被动时间分隔措施；（4）电气隔离措施：

变压器隔离、光电隔离、继电器隔离、dc/dc变换。

（5）频谱管理措施：

频谱规划/划分、制定标准规范、频率管制等。

本文主要以传输通道抑制措施为例进行探讨。

四、关于工程设计选型的解决方案

在地铁环境下，尤其是列车运行环境下，相比建筑智能环境[注2]下要求更为严格。

我们曾做过测试，在建筑智能环境下使用良好的视频安防监控摄像机，安装在地铁列车上就频繁出现故障，但一旦拆离列车环境放在测试环境中故障即不在出现，这个就是很明显的一个因干扰问题未彻底解决而引起的故障。

下面我们就以深圳地铁环中线列车安防系统为例，通过传输通道的抑制方面阐述地铁车载环境下抗电磁干扰的解决方案。

4.1有关屏蔽措施的设计

屏蔽是针对干扰的耦合途径/传输通道采取抑制的一种重要方法之一。

屏蔽技术是以某种材料（导电/导磁材料）制成的屏蔽壳体（实体的或非实体的）将需要屏蔽的区域封闭起来，形成电磁隔离，即其内的电磁场不能越出这一区域，外来的辐射电磁场不能进入这一区域（电磁能量受到很大衰减）。

任何直接穿透屏蔽体/屏蔽盒的导线都会造成屏蔽体的失效。

4.1.1重视屏蔽接线盒选择（设计）

选择适合材料的接线盒或屏蔽盒，可以阻隔电磁场的入侵及阻止干扰电磁场的泄漏。

接线盒或屏蔽盒应尽量避免采用铝合金及pvc等非金属材料，并设计成密封结构，线缆出入的孔缝处要采取相应的防电磁泄漏措施。

当干扰电磁场的频率较低时（低频磁场）屏蔽常用铁、硅钢片合金等高磁导率的材料，将干扰的磁力线限制在屏蔽体/盒外部。

高频磁场（40khz以上）屏蔽则利用铜、铝等低电阻率的的良导体材料产生的涡流，与外来电磁波能量产生抵消作用，从而达到屏蔽效果。

高频磁屏蔽效果跟所用的屏蔽盒材料厚度有关系，而这个厚度又与干扰频率有关，需区分选择，如下表1：

表1

高频干扰频率屏蔽体厚度屏蔽效果

f≥1mhzδ≥0.05mm约原场强的1/100

f≥10mhzδ≥0.01mm≤原场强的1/100

f≥100mhz铜/银电镀层≤原场强的1/100

4.1.2屏蔽接线盒孔缝的处理

屏蔽盒上孔缝的处理也要妥善处理，否则将造成电磁泄漏，影响屏蔽效果。

实际的屏蔽体由于制造、装配、维修、散热及观察要求，不可能做到完全密封，其上面一般都有形状各异、尺寸不同的孔缝，这些孔缝会影响屏蔽体的屏蔽效能，因此我们要注意如下几个方面。

针对装配面处接缝，可通过增加金属之间的搭接面，增加缝隙深度及放置电磁密封衬垫措施解决；

针对观察窗口处的电磁泄漏，可采取使用透明屏蔽材料（玻璃上镀上薄导电层）、波导衰减器等方式解决。

针对通风冷却孔处的电磁泄漏：

覆盖金属丝网、截止波导通风孔等方式解决。

器件调谐孔处：

将调谐轴伸出屏蔽体外，对于屏蔽效能要求不高时可直接在屏蔽体上开小孔安装调节杆，较高时则需采用截止波导管的结构。

4.2有关滤波措施的设计

滤波技术是将信号频谱划分为有用频率分量和骚扰频率分量，剔除和抑制骚扰频率分量，切断骚扰信号沿信号线或电源线传播的路径。

按滤波器频率特性分类：

高通、低通、带通、带阻；按滤波器对干扰信号的处理方式分类：

反射式、吸收（损耗式）；我们以通过设备供电系统为例进行阐述。

设备供电电源系统分为交流电源和直流电源。

交流电源负载一般为空调、风机；直流电源负载一般为照明、控制设备、通信设备等。

电网上的干扰可以通过电源线路传入设备并干扰正常工作，设备的干扰也可以通过电源线路传到电网上，对网上其他设备造成干扰。

电源线是电磁干扰引入或输出的主要途径。

对于交流电源，应在输出侧加低通滤波器，仅允许工频电流的通过，高频干扰被抑制。

在选择类型时应根据滤波器的输入输出阻抗、插入衰减系统要求选择适合的滤波器。

当安装空间有限时，可考虑有源滤波器，如晶体管滤波器。

其特点是尺寸小，重量轻，功率大，抑制频带宽。

此部分技术主要由设备厂商应用及考虑。

设备信号线缆在出入屏蔽盒的端口处也应安装滤波器，根据信号的频率选择不同的滤波器。

4.3有关接地措施的设计

“接地”是指为了使电路、设备或系统与“地”之间建立低阻抗通路，而将电路、设备、或系统连接到一个作为参考电位点（面）的良导体的技术措施。

接地有安全接地和信号接地，同时接地也引人接地阻抗及地回路干扰，事实证明接地设计对各种干扰的影响很大。

因此，在电磁兼容领域中，接地技术至关重要，其中包括接地点的选择，电路组合接地的设计和抑制接地干扰措施的合理应用等。

接地的做法通常有单点接地、2点接地及混合接地3种。

单点接地用于频率f≤1mhz的低频电路，如视音频信号线缆只是一端接地，它可消防公共阻抗耦合及低频地环路。

2点接地用于频率f≥1mhz的高频电路，如总线线缆需将2端屏蔽层接地。

混合接地适合频率范围较宽的信号，一端屏蔽层直接接地，另一端加一个小电容后接地。

根据不同的信号类型选择不同的接地方式。

对所有金属机箱、机柜、控制台设备设置局部等电位接地端子（leb）。

接地常见的通病有：

线缆屏蔽层与连接层焊接时尽量避免做成“猪尾巴”或“小辫子”，这种接法破坏了屏蔽层的封闭性，另外还产生电感（数十纳亨）及阻抗，对于越高的信号，阻抗越高，接地效果越差。

比较好的做法是在屏蔽网下加上铠装层（铠装圈套）。

4.4有关隔离措施设计

隔离措施用于阻断干扰信号传导通路，并抑制干扰信号强度。

变压器隔离：

采用隔离变压器，隔离低频干扰信号（只能传输交流信号）

扼流圈隔离：

抑制高频干扰（可传输交、直流信号）

光电耦合隔离：

光电耦合器是一种电→光→电耦合器件，输入量、输出量都是电流，但两者之间是绝缘的。

可隔离两电路单元间的干扰信号，较大地提高系统的抗共模干扰能力。

继电器隔离：

实现强、弱电器件间的隔离，驱动大功率设备。

但有触点，通断时会产生火花或电弧引起干扰。

小电流强电设备可选用。

晶闸管隔离：

可代替继电器驱动负载，不会产生火花或电弧干扰。

4.5电缆选择与敷设要求

4.5.1电缆选择

原则上采用屏蔽电缆及光缆，电源干线采用屏蔽的电缆，减少对邻近信号的干扰，信号传输采用屏蔽电缆或屏蔽双绞电缆，线径根据信号传输的类型及传输距离选择。

比如弱电智能系统数字信号可采用rvvp屏蔽电缆，模拟信号可采用rvvsp屏蔽双绞电缆。

接线盒的电缆入口及出口开孔处使用滤波器，滤除电缆上不必要的频率成份。

4.5.2电缆敷设及接头要求

强电、直流、信号线缆通常要分槽布置，各线槽应保证密封，条件不允许时可在同一线槽中增加金属隔板分开，隔板材料可用复合金属材料（对高频及低频均有良好屏蔽效果，如隔板采用铜包铁材料），设备末端引至线槽处需采用接地的铁质蛇皮管或普通铁管保护，且接地需与线槽连通成一体，必要时加接地跨接线。

电缆连接器选择首先要考虑传输信号不衰减（或衰减在规定范围内），其次要保证电缆屏蔽层与设备壳体的可靠连接，还要保证端接处的电磁密封。

与屏蔽电缆配套使用屏蔽端子及铠装通信电缆。

注1：

任何可能引起装置、设备或系统性能降级或对其它物质（有/无生命）产生作用的电磁现象。

它仅是一种电磁现象，但不一定形成后果（电磁干扰）

注2：

建筑智能环境：

指在酒店、办公建筑、住宅建筑、场馆等建设智能化系统的总称。

注3：

铁氧体属于亚铁磁性材料，黑灰色，分子结构为mo·fe2o3

参考文献：

[1]中铁电气化局集团有限公司编著，城市轨道交通设备系统综述，中国铁道出版社2012.1

[2]杨克俊，电磁兼容原理与设计技术（第二版），人民邮电出版社，2011.6

[3]魏晓东主编，城市轨道交通自动化系统与技术，电子工业社，2004.11

[4]曲立东编著，城市轨道交通环境与设备监控系统，电子工业出版社，2008.3

[5]刘晓娟等编，城市轨道交通智能控制系统，中国铁道出版社，2008.5