随着我国轨道交通行业跨越性的发展，获得史上最大的国际地铁订单，其中包括很多内燃机车。由于在内燃机车上的设计与我国国内常见的车型截然不同，其车下线缆的布局布线使用的线架没有屏蔽防护功能，极易产生电磁兼容问题，因此需要通过仿真计算分析研讨并设计布局布线最佳方案。
关键词
电磁兼容 布局布线 内燃动车组
出口非洲的动车组内燃车为了减轻车体重量在车下采用线架进行布局布线。线架与线槽相比，设计简单方便但没有电磁屏蔽等防护功能。车下布局布线避免不了动力线缆和信号线缆并行走线，而且在没有任何防护的情况下极易产生电磁兼容问题。鉴于以上情况，运用软件CST STUDIO SUITE 2019电磁仿真软件按1:1建模仿真计算，分析线缆间距一定的情况下，采用不同的屏蔽措施的电磁兼容问题。
EMC设计
1 EMC定义
电磁兼容-电器设备或系统在所处的电磁环境能正常工作,且不对该环境中其它设备构成不能承受的电磁骚扰的能力。电磁干扰-电磁干扰是由电磁骚扰引起的设备、传输通道或者系统性能的下降、功能丧失或者不可自动恢复的故障。根据干扰的严重程度，干扰通常会导致以下状态：
（1）功能干扰 对设备的运行能力造成不希望的干扰。
（2）运行功能降低 设备运行功能出现不可忽略的下降，但这种功能的下降可以被接受。
（3）功能故障 对于设备的运行功能造成不可允许影响，但是如果移走干扰源，则故障消失。
（4）功能损坏 对于设备的运行功能造成不可允许的损坏，设备的正常功能只能通过技术措施才能恢复。
干扰源-干扰源就是干扰产生的地方。原则上说，每个电气设备都是干扰源，因为每个电气设备在工作的时候都会产生干扰。
2 EMC防护技术要求
在动车组上，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、或者某些固定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列车良好电磁兼容性的关键问题之一。
在布线设计时，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尽量和动力电缆、制动电缆、电机电缆等分开敷设。
电缆受到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，避开大的电磁干扰源；
2）线缆布置在线槽和套管之中；
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；
4)按照布线规则间距布线。
3 EMC建模
根据内燃动车组车下二维布线图以及电气原理图分析，可知存在AC380V、工作频率为50HZ三相四线制的动力线缆与工作电压是DC15V；输出信号幅度：高电平≥9V，（负载电阻3KΩ），低电平≤2V，脉冲占空比：50%±20%的信号线缆并行走线4113mm，两线间距为37mm。建三维模型如图1所示，其中箱体为辅助变流器，上面线缆为AC380V、规格为EN 3*2.5，下面线缆为信号线缆、规格为EN 3×0.5屏蔽线缆。
车下线缆三维模型如下所示：
在软件CST STUDIO SUITE 2019中完成三维建模后，可通过Cable工作室生成路仿真模型，根据电气原理连接各个元器件，使其满足仿真条件要求。图中黄色“port 1”、“port 2”、“port 3”为添加的三相AC380V激励源，“port 4”为信号线缆的输入方波信号，直流源为DC15V供电，图2中线缆等效电阻是根据U/I=R计算得出的阻值。
Cable 模型如下所示：
4 添加激励
在实际情况中，由于车上各类设备以及IGBT的开关动作会引发脉冲群、浪涌、谐波和高频干扰等干扰信号的产生，所以导致动车组上的电气环境非常复杂。在电磁兼容仿真计算添加的激励信号包括脉冲群、浪涌、谐波和高频干扰，所以AC380V激励信号不是理想的、“干净”的正弦波信号，是由脉冲群、浪涌、谐波和高频干扰信号共同作用的激励信号作用到车上的各类设备，使其仿真技术结果更加的接近实际情况。通过MATLAB/simulink在AC380V的基波上添加干扰波形，如下图所示。
在软件CST STUDIO SUITE 2019仿真计算中为了明显区分或对比干扰信号的不同对C类线缆的不同影响，所以添加图2的激励信号。该图中为AC380V中的三相波形，其中单相有效值为220V、频率50Hz。第一个周期为理想型的正弦波，从第二个周期即0.02s开始为脉冲群与正弦共同作用。脉冲群是由十个上升时间为30ns，持续时间为200ns，周期时间为0.1ms，峰值为30V的单个脉冲组成。
在0.025s开始是正弦波与两个波前时间为1.2us,半峰值时间为30us，一个周期时间为0.15ms的浪涌共同作用的波形。在0.03s开始是谐波与正弦波共同作用的波形，其总占比为20％，参数如下表所示。
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谐波次数
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3
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5
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7
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9
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11
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15
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19
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21
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23
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25
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29
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31
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35
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39
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49
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99
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129
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139
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149
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所占比例
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2％
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1％
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1％
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1％
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1％
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1％
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1％
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1％
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1％
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1％
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1％
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1％
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1％
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1％
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1％
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1％
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1％
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1％
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1％
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电压值
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4.4
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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2.2
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从0.035s开始是高频干扰与正弦共同作用的激励信号。峰值为14V，频率为5MHz。
车下信号线缆选择速度传感器为DF16（方轴）速度传感器，工作电压为DC12-30V、工作频率为500Hz，输出方波幅度为：高电平≥9V、低电平≤2V。在软件CST STUDIO SUITE 2019仿真计算中，在速度传感器的输入端添加的波形如下图所示：
EMC仿真
根据实际情况添加电磁兼容仿真计算真实激励信号，在多种不同的工况下仿真结果存在着差异。工况分别为在相同的布线间距，信号线缆屏蔽层双端接地情况下，两类线缆均不采用屏蔽编织网、信号类线采用屏蔽编制网并双端接地、C类线采用屏蔽钢管并双端接地以及两类线均采用屏蔽编织网并均双端接地。
1 两类线缆均不采用屏蔽编织网
两类线缆均不采取屏蔽编织网，仿真结果如下所示，在输入信号为第一个周期即理想波形的作用范围内信号线缆输出信号在其正常的工作范围内，也就是说速度传感器可以正常工作。但是，在有脉冲群、浪涌、谐波和高频干扰作用的范围内速度传感器输出信号受到较强的电磁干扰。在其干扰下，输出信号的部分峰值已经超出了其正常时输出信号的范围。最严重时高电平接近7.7V，已经低于9V，低电平接近3.5V，已经高于2V。从而导致速度传感器无法正常工作，甚至会烧坏速度传感器。
2 信号线缆采用屏蔽编织网并双端接地
信号线缆采取屏蔽编织网并双端接地，仿真结果下图所示，在输入信号为第一个周期即理想波形的作用范围内速度传感器输出信号在其正常的工作范围内，也就是说速度传感器可以正常工作。但是，在有脉冲群、浪涌、谐波和高频干扰作用的范围内速度传感器输出信号受到较强的电磁干扰。在其干扰下，输出信号的部分峰值已经超出了其正常时输出信号的范围。最严重时高电平接近8.2V，已经低于9V，低电平接近3V，已经高于2V。在此工况下与4.2.1中的工况相比较，干扰强度相对的有所衰减，对速度传感器的影响也相对的减小，但是仍然达不到速度传感器的正常工作条件。
3 信号线缆采用屏蔽钢管并双端接地
信号线缆采取屏蔽钢管并双端接地，屏蔽钢管的电导率为1.73M S/m，仿真结果下图所示，在输入信号为第一个周期即理想波形的作用范围内速度传感器输出信号在其正常的工作范围内，也就是说速度传感器可以正常工作。在有脉冲群、浪涌、谐波和高频干扰作用的范围内速度传感器输出信号受到较强的电磁干扰。在其干扰下，输出信号出现了波动，但其波动较小，在干扰影响最大处高电平峰值为9.5V，低电平峰值1.4V，在速度传感器输出波形的正常工作范围内。
4 AC380线缆和速度传感器线缆均采用屏蔽编织网并双端接地
两类线缆均采取屏蔽编织网并均双端接地，仿真结果如下图所示，在输入信号为第一个周期即理想波形的作用范围内速度传感器输出信号在其正常的工作范围内，也就是说速度传感器可以正常工作。在有脉冲群、浪涌、谐波和高频干扰作用的范围内速度传感器输出信号受到较强的电磁干扰。在其干扰下，输出信号出现了波动，但其波动较小在干扰影响最大处高电平峰值为9.3V，低电平峰值为1.3V，在速度传感器输出波形的正常工作范围内。
EMC方案评估
通过软件CST STUDIO SUITE 2019对不同的仿真计算结果可知，在信号线缆添加屏蔽钢管的工况下是对干扰抑制最有效的。同时，速度传感器在该电磁环境中可以正常的工作不受其影响。其次，在两类线缆均添加屏蔽编制网并双端接地的工况下对干扰也有较强的屏蔽作用，可以使速度传感器正常工作。而仅在给信号线缆添加屏蔽编织网或不添加时，强烈的电磁干扰已经影响到了速度传感器的正常工作，甚至可能会损坏速度传感器。
综上所述，在电磁环境复杂的环境下信号线缆极易受到电磁干扰，以至于影响其正常工作，采取有效的屏蔽措施能够保证设备正常运行。通过不同的工况仿真计算对比，可知屏蔽钢管对电磁场抑制效果很好，其次是将两类线缆均使用屏蔽编织网并均双端接地进行防护。以上两种方法均可以有效的保证信号线缆不受动力线缆的电磁干扰影响，保证设备正常工作。