蔡 恒

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210000）

0 引 言

城市轨道交通供电系统是集牵引电气设备与微功率列车控制设备于一体的复杂系统，由于地铁站空间较小，电气和电子设备集中，电磁环境复杂，且牵引系统功率大电流大，其产生的磁场和谐波电流很有可能造成车内其他电子装置和轨道信号电路的工作异常。相关设备若受到电磁干扰则无法正常工作，甚至产生误动作，将会给轨道交通系统的安全运行带来非常严重的后果。综上所述，在城市轨道交通系统建设中，电磁兼容是供电系统设计过程中所必须考虑和解决的问题。

本文将从EMC控制计划、EMI危害分析、EMC合理性矩阵以及EMC测试计划分别阐述轨道交通供电系统电磁兼容的设计。

1 电磁兼容设计目标

在进行轨道交通供电系统电磁兼容设计初期，应确立明确的设计目标，设计目标应涵盖以下内容：（1）EMC关键组件/设备列表；（2）电磁兼容威胁和受害者识别；（3）电磁兼容接口矩阵；（4）识别电磁干扰发射和敏感度水平；（5）频率管理（如需要）；（6）电磁兼容设计；（7）电磁兼容措施：a.分离系统布置设计；b.接地和屏蔽；c.电缆；d.滤波、去耦合瞬态脉冲抑制器。（8）电磁兼容性差距分析；（9）EMC建模和分析（如果需要）（如果没有覆盖某个EMC差距的标准）；（10）EMC安装/集成控制；（11）电磁兼容测试方案；（12）设计审查和提交电磁兼容文件的计划时间表。

电磁兼容/电磁干扰危害分析与安全程序相结合，如：危害识别、危害日志、，仅与电磁兼容/电磁干扰风险一起考虑。此外，根据项目电磁兼容管理计划的要求，在初步设计阶段需提交独立的电磁兼容/电磁干扰危害分析报告。

2 供电系统EMC的危害及受害分析

对供电系统电磁兼容首先要做的就是对危害的初步分析，判定电磁干扰的来源及评估有哪些敏感设备会受到电磁干扰的影响，进而为每一个可能产生的危害后果做出评估，提出合理化建议并采取相应保护措施。

2.1 供电系统EMC危害源及受害源

供电系统的EMC危害源（EMI）主要包括柴油发电机、高压开关柜、整流变压器、配电变压器、整流器、直流柜（包括断路器）、0.4 kV配电柜、直流蓄电池、充电器单元、超级电容器以及轨旁制动电阻等。

受害源主要包括柴油发电机中的传感器和电子控制器、高压开关柜感器、电子控制器、继电保护器、整流变压器、配电变压器电子控制器；整流器中的传感器和电子控制器；直流机柜中的传感器和电子控制器；直流电池柜、直流充电柜以及交流屏。

2.2 供电系统周围的EMC危害源及受害源

供电系统周围EMC危害源（EMI）包括如下部分：（1）移动射频设备；（2）站内通信导航系统的发射器；（3）轨旁通信系统的发射器；（4）轨旁信号系统的发射器。

供电系统周围的EMC受害源包括如下部分：（1）站内通信导航系统的接收器；（2）轨旁通信系统的接收器；（3）轨旁信号系统的接收器；（4）配带AIMD和磁敏感器物品的人员；（5）站台屏蔽门；（6）SCADA。

3 EMC接口矩阵

用矩阵来表示沿水平轴的EMI威胁或发射器，以及沿垂直轴的EMI受害者或接收器。

下面的矩阵表（如表1）用于阐明供电系统的接口矩阵，涉及系统内和系统间。EMC经理/顾问应针对每个特定的系统兼容性案例识别和分析相关的系统EMI接口以及威胁和受害者级别。其中，“O”表示如果应用铁路标准EN 50121-2和EN 50121-5的要求以及相关的EMC措施，则不会出现不兼容性；“X”表示不可兼容，需要进一步分析以确定EMI发射和磁化率水平；“N”表示不适用于供电系统。

表1 EMC接口矩阵

4 EMC措施

4.1 EMC和安全（绝缘）安装要求

EMC保护、绝缘以及安全要求方面可能相似性，例如接地、防止过电压和闪电方面。但是，在保护程序方面，人员安全等级是优先于EMC的。在其他情况下，安全程序与EMC程序之间可能存在冲突，如果在这种情况下，那么就必须寻求替代甚至牺牲EMC的相关措施。

4.2 分离系统布局设计

为了设计和应用适当的缓解措施，因此加入保护区的层次结构。此层次结构考虑了复杂系统中位置和空间的不同EMC行为。共同的特征是它们在空间上所有区域都被边界包围为墙壁，储物柜和其他结构（屏蔽）组件。这些边界通常由建设性元素给出。因此，区域概念的目的是将这种“自然”边界用作EMC屏障，其中应适用某些规则。图1显示了区域概念的示意图。机柜和控制室的区域分类如图2所示。

图1 区域概念的布局示例

图2 机柜和控制室的区域分类

4.3 接地和屏蔽

4.3.1 接 地

一般来说整个供电系统的系统的接地和布线将遵循IEC 61000-5-2：1997标准中的要求和指南。

接地系统的次要目标是作为公共电压参考，并有助于减轻具有敏感互连的电子设备和电气系统装置的干扰。

接地电极的设计由闪电和人员安全决定；接地导体尺寸的设计由安全和安装保护决定；接地网络布局的设计由EMC行为要求决定。

对于供电系统接地拓扑的一般原理，下面的图3显示为参考。

图3 供电系统接地拓扑原理

4.3.2 屏 蔽

屏蔽是通过金属屏障完成的，金属屏障通常用于防止电磁场从一个区域传播到另一个区域。它还用于引导其他不同类型的干扰所带来的影响。因此屏蔽可以用于包含来自屏蔽区域内的给定源的电磁场，或者保持外部电磁场，不用于作用于存在对辐射电磁扰动敏感的电路的区域。

然而如果系统的输入和输出电缆本身没有被适当地屏蔽或没有配备穿透过滤器，则屏蔽可以部分或完全无效。如果屏蔽包含许多孔，或者如果电场连续性不足，那么屏蔽效率也会受到影响。

电磁场的频率很大程度上影响了屏蔽的有效性，电磁场的频率应该阻碍从外部或从隔间内部穿透外壳。表2简要概述了频率和外壳屏蔽之间的关系。

表2 频率和外壳屏蔽之间的关系

4.4 电 缆

电缆布线对于供电系统至关重要，因为在这样的受限区域中发现了大量的电缆承载信号电平。因此，耦合可以采用电感，电容或导电的形式，这取决于电流和电压的变化幅度和速率以及这些部件的频率。

为兼容性布线电缆的最基本规则是“干净”和“脏”布线的分离。信号，通信和控制电缆必须始终与电池接线，推进接线，静态或动态制动系统接线和牵引电机接线分开。在电缆敷设中实施EMC措施是实现电磁兼容性的基本要求。

有3种主要方法可以减少不同电缆之间的串扰，并通过以下方式最大限度地减少感应或辐射干扰的传播：适当的电缆布线和隔离；铺设在电缆管道或导管中；筛选信号或电力电缆。

筛选电缆可以是减少电缆布线或耦合到电缆中的有效措施。

4.4.1 电缆路由

非对称（共模）数据传输容易受到各种干扰。因此，敏感数据的不对称传输仅限于单个EMC内部系统，并且不得离开此EMC区域的边界（例如PCB，模块等）。

从EMC的角度来看，对称（差分模式）传输具有许多优点，但需要平衡的I / O接口以保证足够的共模抑制比（CMRR）。

必须对称传输应用于跨越不同EMC区域的布线。

应仔细设计系统的电缆布线。EMC规定了设计时应遵循的路径，以及与电缆平行敷设时的接地导体的设计（PEC，参见图4），它们的存在，它们与接地结构的连接，它们的横截面和形状。在任何情况下，EMC要求优先于考虑现场的实际因素，安装方便性和美学因素。

图4 导管和电缆托架中的缝隙作为PEC

4.4.2 电缆隔离

在不同电路和功能单元的电缆之间可能发生电感和电容耦合。

耦合取决于：电缆并行运行的部分的长度；电缆之间的距离；适用时与地面的距离（例如建筑结构）。

因此，应尽可能满足以下要求：单独铺设属于各种电缆类别的电缆并保持最小间隙；将输出导体和返回导体放在一起，特别是在电力电缆的情况下；将电缆尽可能靠近建筑物地面铺设（金属电缆管道，金属管道等，通过导电连接与建筑物接地连接），以利用随后的衰减。

5 EMC测试计划

5.1 设备级EMC测试

在设备安装的前后，相关设备均需进行EMC测试用以证明设备的ET发射度及抗干扰能力符合预定的EMC规格。

在供电系统中的许多子系统或电气和电子设备由于之前已经用于其他项目，这意味着其中许多已经根据相关标准进行了测试，例如，EN 50121-2，IEC 61000-6-4和EN 50121-5；如果不更改，则可以针对此情况采用以下EMC测试程序：

（1）之前的测试报告将根据以前的版本标准进行审查和检查;

（2）偏差测试计划和程序应由供应商起草;供应商应在认可的EMC实验室中进行附加测试，主要来自三个方面：a.根据先前的版本标准，与先前测试报告的偏差或错误点；b.与标准的不同版本的偏差参阅当前项目的要求测试；c.测试报告包括附加偏差测试报告以及原始测试报告应一起提交给EMC经理/EMC顾问进行查看。

对于从未测试过的新设备，应将测试计划/程序和测试报告提交给EMC经理/ EMC顾问进行审核。

5.2 供电系统系统级EMC测试

在EMC管理计划最终设计阶段，现场EMC测试计划/程序应提交给业主方/建设方进行审查。

在获得业主方/建设方的现场EMC测试计划/程序批准后，在所有板载子系统完成调整后包括软件和硬件后，测试应在测试和调试阶段在项目现场进行。

在此总结了供电系统级EMC测试项目以供相关方参考。EMC类型测试项目的要求将被解释并列出如下：（1）根据EN 50500进行磁场强化测试；（2）将进行符合EN 50121-2的辐射发射测试。

在EMC测试完成之后，施工单位应提供每项测试报告，以便监理单位对测试结果进行评估，测试结果如发现有不符合EMC所需要求，将由业主、设计单位、施工单位以及施工监理共同商讨解决方案。

6 结 论

随着我国高速铁路和地铁的里程逐年增加以及境外工程的相关要求，EMC的相关问题越来越受到行业内外人士的关注，我国早在2016年已经制定的铁路相关的电磁兼容标准，该系列明确电磁兼容的制定及规划应在项目前期展开，即便后期增加设备也应评估对系统的影响，只有在这样充分考虑了供电系统设备间的电磁兼容影响，才能在EMC出现问题时有效的去处理，进而推动轨道交通供电系统朝着更安全、更可靠、更稳定地方向前行。