摘要：本文针对高速动车组主要电磁干扰源进行分析，以动车组过分相时时产生的电磁干扰为例，重点分析了高速动车组的电磁干扰特性。本论文重点研究探讨了高速动车组包括屏蔽、接地等措施在内的抗干扰技术及其工程应用，从整车系统的角度初步给出了高速动车组的电磁兼容问题解决方案，以确保高速动车组安全运行。
关键词：高速动车组；电磁兼容；电磁干扰；接地
1引言
高速动车组列车与普通动车组相比具有牵引设备更多、牵引功率更大、电气设备密度更高、配线更加复杂等特点。高速动车组车载电气设备集成度很高，包括牵引变流系统、网络控制系统、旅客信息系统、门控系统、空调系统、照明系统、烟火报警系统、ATP列车防护系统等，各电气系统的电磁干扰和电磁敏感特性差别很大，使得高速动车组的电磁兼容性的优劣对动车组的安全性、可靠性、可用性等起着更加关键的作用。
2 高速动车组电磁干扰源分析
高速动车组的所有电气系统既是电磁干扰源，又是被干扰者。高速动车组在高速移动过程中通过牵引系统将接触网上的25kV高压电能转换为驱动动车组的前进的动能，在电能与动能的转换过程中，势必会带来大量的电磁干扰。
高速动车组安装了网络控制系统、ATP列车防护系统等弱电设备以及牵引传动、辅助供电系统等高压电气设备，为了节省空间，尽量提高空间利用率，上述各种电气设备共同存在于有限的空间中。对于弱电设备而言，牵引传动及辅助供电系统等高功率器件的无疑就成了主要的电磁干扰源。
下面以动车组过分相时产生的电磁干扰为例，来研究分析高速动车组的电磁干扰特性。
用电路仿真软件对高速动车组进入分相区时产生的传导性干扰进行建模仿真分析，可以得到高速动车组过分相时馈线端和中性线上干扰电压仿真波形如图1、图2所示。
图1高速动车组馈线端骚扰电压仿真波形
图2高速动车组中性线上骚扰电压仿真波形
从图1中可以看出，高速动车组进入无电区时，馈线端所产生的骚扰电压高达10KV，从图2中可以看出，高速动车组进入无电区时，中性线上产生的骚扰电压可达2KV。
经实测，在高速动车组过分相时弓网处放电所产生的电磁干扰如图3所示。图3为高速动车组过分相整个过程中在弓网处所产生的脉冲干扰波形，从图中可以看出高速动车组在进入无电区、出无电区时的电磁干扰情况。这种电磁脉冲的特点是频谱宽，可以以空间辐射的方式耦合到敏感设备，也可以沿着地线和信号线以传导方式耦合到敏感设备中。
图3 高速动车组出入无电区时弓网产生的电磁脉冲干扰波形
高速动车组过分相时产生的电磁脉冲干扰可以以传导的方式通过供电网络或接地回路进入高速动车组车载设备内部引起干扰问题，也可以通过空间辐射的方式耦合到车载系统的信号电缆上而进入设备内部，或通过设备外壳的缝隙进入设备内部，从而形成干扰。
3 高速动车组抗干扰技术研究
高速动车组电磁干扰的主要可分为辐射和传导两大途径。其中，辐射主要是指电磁脉冲的空间辐射，传导方式的主要载体包括电源线、信号线、地线、电缆屏蔽层等。无论从理论分析还是工程应用的角度来讲，抗电磁干扰的主要措施是屏蔽、滤波和接地。
3.1 高速动车组整车基于电磁兼容性的布局
高速动车组车载电气设备很多，既有电磁干扰源性的牵引变流器、主变压器等设备，也有电磁敏感的总线、温度传感器等。这些设备需要安装在动车组的车上、车内、车下等位置。电气设备或者区域通过电气设备机壳或者隔板等进行电磁防护，在动车组上这些材料以选择金属材质居多，因此可以达到防止外部空间电磁辐射的影响，也会减少对外界的电磁辐射。
在整车布局设计时除了满足各部件的安装尺寸及整车重量平衡要求外，还应尽可能优化各电气设备的布置，将不同的电气设备按照电磁干扰的大小和敏感度大小进行分区布置。
根据设备产生的电磁干扰的大小和电磁敏感度的不同，把区域分成5个等级，高干扰区、主要干扰区、中性区、主要敏感区和高敏感区。不同等级的设备在动车组内部空间上存在或大或小的距离。根据经验，不同等级设备之间距离不同，产生的电磁干扰风险也不同，因此可根据图4采取相应的抗干扰措施。如果风险等级为中等以上，则需要考虑采取某些措施来预防潜在的电磁干扰风险，比如尽可能地增大空间距离；如果风险等级高或极高时，需要综合考虑应用屏蔽、滤波等技术。不同电磁干扰特性的设备，由于其产生的电磁干扰频率不同，不同频段的电磁干扰强度也不同，在设计时要区别对待。
图4电磁干扰和电磁敏感度风险等级图
3.2 高速动车组的布线设计
在高速动车组上有大量传输各类信号的电缆，信号的工作频率、幅值等差异很大，其电磁特性也各不相同。同时，由于车载电缆通过线槽或者穿过电磁干扰特性复杂的区域，因此电缆内的信号非常容易受到外部的电磁干扰，或者对外界产生干扰，因此电缆的布线问题是实现动车组良好电磁兼容性的关键问题之一。
在高速动车组布线设计时，最关键的问题是将干扰大的电缆和对干扰敏感的电缆分开，例如模拟信号电缆、通讯电缆和控制电缆必须和动力电缆、制动电缆、电机电缆等分开敷设。
电缆拾取外界干扰的耦合模式可分为电容耦合、电感耦合和传导耦合。减少电磁耦合的方法主要有下面几种：
1）按照正确的走线路径布线，尽可能避开大的电磁干扰源；
2）线缆布置在线槽或者套管之中；
3）动力电缆、信号电缆等关键电缆采用屏蔽电缆，屏蔽层进行相应的接地设计。
在高速动车组中，车下、车内有远距离的线槽，用于敷设各种型号的线缆。对线缆进行分类，同类的线缆捆扎在一起，并将不同类型的线缆敷设到不同的线缆槽中。如图5所示，错误的敷设方法是线缆不进行分类的敷设在同一线缆槽中，正确的敷设方法是按照交流供电、直流供电、网络控制等传输性质的不同进行分类，将不同类型的线缆分别敷设在不同的铝合金线槽。
图5高速动车组布线方案
3.3 高速动车组EMC接地
电磁兼容接地是为了给干扰信号提供一个低阻抗通道，使得干扰电压显著降低，并不影响到有用的信号电压。电磁兼容接地根据干扰信号的频谱特性，需要根据其高频特性或者低频特性选择合适的接地方式。高速动车组电磁兼容接地设计的目的是为了保护有用信号的有效传输和降低干扰信号进入设备内部的风险和强度，将电缆屏蔽层和设备机壳进行接地设计。
电缆的屏蔽接地是实现EMC的关键措施，根据接地方式的不同可分为单点接地和多点接地。在屏蔽接地设计时需要遵循下列基本原则。
1）无特殊说明或者要求，原则上车载屏蔽数字通讯电缆均需要两点接地；屏蔽层接地尽可能采用360°接地；
2）两点接地的屏蔽层不能作为等势体连接导体用，等势体导体的连接应通过专门的设计来现实；
3）模拟信号采用单点接地设计，有效避免回路效应。模拟信号采用两点接地的话会因为回路效应而产生嗡嗡声，因此车上模拟信号，原则上采用单点接地设计。
4）重联车间的WTB信号，由于信号位于不同的动车组上，不能的动车组之间存在不同等电势，因此WTB电缆屏蔽层在动车组端部采用单点接地设计。
5）对于动力电缆，由于其热效应，如果感应电流超过了电缆允许的热屏蔽电流，也需要做单点接地设计。
6）单点接地高频特性差，但低频特性好，因此在低频情况下，推荐采用。
7）对于信号电缆产生的低频磁场的防护，需要选择高导磁率的套管或者线槽；
4 结束语
高速动车组为一极其复杂的电磁系统，并且其电磁环境十分严酷。为了保证高速动车组安全运行，所有的车载系统能够可靠工作，通过研究高速动车组整车优化设备空间布局，将设备按照电磁干扰的大小和敏感度大小进行分区布局；通过研究高速动车组整车的布线方案可以减小电磁干扰通过信号电缆的耦合；通过研究整车的接地方案可以减小干扰源的发射并切断干扰的传播途径。
参考文献：
[1] 闻映红．Clayton R.Paul.《电磁兼容导论》[M]．北京︰人民邮电出版社，2007
[2]单秦.《 高速动车组电磁兼容性关键技术研究》[D] ．北京︰北京交通大学2013
论文作者:刘宗祝,李俐
论文发表刊物:《电力设备》2018年第1期
论文发表时间:2018/7/11
标签：车组论文; 电缆论文; 电磁干扰论文; 干扰论文; 电磁论文; 信号论文; 屏蔽论文; 《电力设备》2018年第1期论文;