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摘要：在城市轨道交通供电和接触网系统中，电气和电子设备集中，电磁环境复杂，在正常和异常运行状态下都会产生或出现各种电磁干扰。本文结合西安地铁二号线供电、接触网系统电磁兼容问题分析了与各子系统及设备相关的电磁干扰源和干扰途径，提出了相关的防护措施。
关键词：城市轨道交通；电磁兼容；分析；处理
1.概述
城市轨道交通工程，小至一个部件，大到一个复杂的子系统（如供电、车辆、通信、信号等），乃至整个城市轨道交通系统工程，对内对外都存在着电磁兼容问题，尤其在城市轨道交通供电和接触网系统中，电气和电子设备集中，电磁环境复杂，在正常和异常运行状态下都易产生或出现各种电磁干扰。
自动化设备是电磁干扰的敏感者。以微电子技术和计算机技术为基础的二次弱电设备，如继电保护、自动控制、远动和通信装置等在供电和接触网系统中广泛使用，它们的灵敏度高，且与强电设备靠近，所以很容易受到电磁干扰。本文结合西安地铁二号线供电、接触网系统电磁兼容问题分析了与各子系统及设备相关的电磁干扰源和干扰途径，提出了相关的防护措施。
2.与子系统或设备有关的干扰源和干扰途径
2.1.与电磁兼容有关的子系统和设备
西安地铁二号线供电系统、接触网和轨道旁辅助设备中与电磁兼容有关的子系统和设备有：
1) 35KV气体绝缘金属封闭开关柜及保护装置
2) 整流变压器
3) 整流器
4) 配电变压器
5) 1500V直流金属封闭开关柜
6) 直流电源屏
7) 交流電源屏
8) 杂散电流监测系统
9) 电力监控系统
10) 接触网
11) 钢轨电位限制装置
12) 环网电缆等
2.2.与子系统或设备有关的干扰源
2.2.1.与子系统或设备有关的主要干扰源
西安地铁二号线供电系统、接触网系统和轨道旁辅助设备中，与上述主要子系统或设备有关的干扰源有：
1)高压回路中操作断路器、隔离开关引起的电磁暂态干扰；
2)高压装置产生的工频电场和磁场；
3)接地系统中的短路电流引起的电位升；
4)雷电引起的暂态干扰；
5)低压设备开合操作引起的电快速瞬变；
6)静电放电；
7)由于设备内部或者外部的无线电发射装置产生的高频场；
8)由于设备内部其他电气或电子设备产生的高频传导和辐射干扰；
9)由供电线路传来的低频传导骚扰；
10)其它干扰源。
2.2.2.对二次设备最具影响的干扰波形
对二次设备最具影响的干扰波形有：阻尼振荡波、电快速瞬变脉冲群、辐射电磁场、静电放电、浪涌、工频磁场、线路故障时或开关操作时瞬间的暂态脉冲磁场、电力系统供电质量（包括电压波动、电压突降和短时中断、谐波、频率变化等）。
1)阻尼振荡波
主要是由高压隔离开关和断路器操作产生的暂态过程，操作时由于触头间电弧的熄灭和复燃，在被断开或充电的电路上，因电压突变而引起的暂态波,在传播过程中，会因电路特性阻抗不匹配而引起反射，形成高频阻尼振荡波。在如此高的频率下，暂态波会以暂态电磁场的形式向外辐射，耦合到二次和低压线路上去，还会通过一些耦合设备（如PT、CT、载波等）直接耦合到二次设备上。在常规的高压变电站内测试到隔离开关操作时，在二次回路中最高干扰电压达到5kV，频率从几十kHz到几MHz，对GIS可达几十MHz。
2) 电快速瞬变脉冲群
快速瞬变电压是断开低压直流电路中的小电感负载时（如机电式继电器、接触器等），引起的暂态电压。当断开触点时，电感负载中的电流企图继续流通，在电感负载两端产生高电压，在断点间引起电弧，随着触点的运动，电弧不断熄灭和复燃，一连串的电压脉冲叠加到与电感负载相连的电源上，并耦合到其他回路上。这种干扰的特点是上升时间快、幅值高、频率高。实测表明，电压可达数千伏，重复率为数十到数百kHz。
3) 辐射电磁场
辐射干扰来源于一些有用或无用的电磁发射，如无线电广播、大功率无线发射台、移动式收发信机等。在电力系统中，对设备影响最大的是对讲机等移动通讯设备。对讲机一般功率为3～5W。如按使用距离为0.5米，功率按3W计算，按场强公式可得到场强为10.4V/m。
4）静电放电
带静电的人体接触到设备时，就会对设备放电，放电时的能量通过各种途径耦合到设备内部的电路，可能使设备工作失灵、出错甚至损坏。
5）浪涌
变电站可能直接遭受到雷击，但更多的情况是线路遭受到雷击，雷电波沿线路侵入到变电站，并通过一、二次系统间的各种耦合途径或接地网进入到二次回路。
6) 工频磁场
工频磁场干扰来源于载流导体和运行中的电力设备。工频磁场干扰分为正常远行情况下的干扰和短时故障时的瞬间干扰，前者强度较弱，但一直存在。后者较强，但持续时间较短，一般只有几秒钟。工频磁场对一些磁敏感设备影响很大，尤其是对计算机显示器。造成显示画面扭曲、抖动、变色等。
7) 在轨道交通中除了上述一些主要的干扰源外，还有其他的干扰会影响二次设备的正常工作。如线路故障时或开关操作时瞬间的暂态脉冲磁场、电力系统供电质量（包括电压波动、电压突降和短时中断、谐波、频率变化等）。
2.3.与子系统或设备有关的干扰途径
电磁干扰的途径可分为两大类：传导干扰和辐射干扰。
3.为减少发生电磁干扰而采取的措施
电磁兼容性控制是一项系统工程，在系统和设备设计、研制、生产、施工、运行与维护的各阶段都必须充分考虑电磁兼容问题，使电磁兼容控制在GB、EN、IEC等相关标准要求的范围之内。
在系统设计阶段充分考虑屏蔽、滤波、合理接地、电缆和设备的合理布局等抑制干扰的措施。 下面是本工程采用的几种主要的拟制电磁干扰的措施：
3.1.电磁屏蔽
电磁屏蔽一般分为两种类型：一类是静电屏蔽，主要用于防治静电场和恒定磁场的影响，另一类是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。
静电屏蔽应具有两个基本要点，即完善的屏蔽体和良好的接地。
电磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽体具有良好的导电连续性，对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。
因而为了满足电磁兼容性要求，本工程相关设备将采用高导电性的材料作为屏蔽材料，如铜板、铜箔、铝板、铝箔、钢板或金属镀层、导电涂层。
在实际的屏蔽中，电磁屏蔽效能更大程度上依赖于机箱的结构。机箱上的接缝、开口等都是电磁波的泄漏源。穿过机箱的电缆也是造成屏蔽效能下降的主要原因。
解决机箱缝隙电磁泄漏的方式是在缝隙处用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料，它能够保持缝隙处的导电连续性。常见的电磁密封衬垫有导电橡胶、双重导电橡胶、金属编织网套、螺旋管衬垫、定向金属导电橡胶等。
机箱上开口的电磁泄漏与开口的形状、辐射源的特性和辐射源到开口处的距离有关。本工程相关设备通过适当的设计开口尺寸和辐射源到开口的距离改善屏蔽效能的要求。
3.2.干扰抑制滤波
滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，为实现这两大功能而设计的网络都称为滤波器。通常按功用可把滤波器分为信号选择滤波器和电磁干扰(EMI)滤波器两大类。
信号选择滤波器是以有效去除不需要的信号分量，同时是对被选择信号的幅度相位影响最小的滤波器。
电磁干扰滤波器是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器。电磁干扰滤波器常常又分为信号线EMI滤波器、电源EMI滤波器、印刷电路板EMI滤波器、反射EMI滤波器、隔离EMI滤波器等几类。
线路板上的导线是最有效的接收和辐射天线，由于导线的存在，往往会使线路板上产生过强的电磁辐射。同时，这些导线又能接受外部的电磁干扰，使电路对干扰很敏感。在导线上使用信号滤波器是一个解决高频电磁干扰辐射和接收很有效的方法。脉冲信号的高频成分很丰富，这些高频成分可以借助导线辐射，使线路板的辐射超标。信号滤波器的使用可使脉冲信号的高频成分大大减少，由于高频信号的辐射效率较高，这个高频成分的减少，线路板的辐射将大大改善。
电源线是电磁干扰传入设备和传出设备主要途径。通过电源线，电网上的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作。同样，设备的干扰也可以通过电源线传到电网上，对网上其它设备造成干扰。为了防止这两种情况的发生，本工程相关设备在设备的电源入口处安装电源线滤波器。
3.3.等电位连接与接地
等电位连接与有效接地需要功能性要求与安全技术背景。对于人身安全而言，须保证所有可接触的金属部件有共同接地点，防止不同部件间产生危险电压。另一方面，接地可防止在工作環境内产生危险接触电压。从功能上讲，所有的电子与电气回路都需要共同接地回路，保证信号线与电源线的耦合干扰得以屏蔽。电源线通过接地导体将电子元件的屏蔽体、金属外壳产生的干扰电流引入大地。接地导体的形式可以是电气分流器或电气旁路，使得干扰量无法进入信号处理的电子元件。
本工程相关系统和设备建立了一个联合接地系统，以提高系统和设备的抗电磁干扰性能。
3.4.电缆与电线布线
正确的电缆与电线布线可以避免并排布置的信号线、数据线与电源线间相互干扰。电缆/电线导体可分为两类：
1)设备柜内布线
▲相同类别的导体可一起放线（共用一束）；
▲类别A与B应分别布线，尽可能相互远离对方；
▲信号与数据尽可能靠近柜子的金属外壳，或穿金属管布线，金属会减小耦合通量。
2)设备间布线
由于不同设备间实现金属连接，因此，设备间的布线与设备柜内布线原则一致。
小结：城市轨道交通供电、接触网系统在制式、功能、技术运用等方面都有自身的特殊性。本次工程充分考虑各类因素，在现有的GB、IEC及EN标准的基础上，开展全面的分析研究工作，确定与各子系统及设备相关的干扰源和干扰途径，运用屏蔽、滤波、接地、搭接、合理布线等手段，制定科学的、先进的、经济有效的防护措施，保证了电磁兼容的合理性，确保了系统和设备的安全、正常、可靠运行。■
参考文献
[1]《电磁兼容原理与应用（第2版）》大卫A·韦斯顿著，机械工业出版社
[2]《工程电磁兼容(第2版)》柯达里著, 人民邮电出版社
作者简介：任学锋、男、工程师、目前从事城市轨道交通机电设备的招标及合同管理工作。
关键词：城市轨道交通；电磁兼容；分析；处理
1.概述
城市轨道交通工程，小至一个部件，大到一个复杂的子系统（如供电、车辆、通信、信号等），乃至整个城市轨道交通系统工程，对内对外都存在着电磁兼容问题，尤其在城市轨道交通供电和接触网系统中，电气和电子设备集中，电磁环境复杂，在正常和异常运行状态下都易产生或出现各种电磁干扰。
自动化设备是电磁干扰的敏感者。以微电子技术和计算机技术为基础的二次弱电设备，如继电保护、自动控制、远动和通信装置等在供电和接触网系统中广泛使用，它们的灵敏度高，且与强电设备靠近，所以很容易受到电磁干扰。本文结合西安地铁二号线供电、接触网系统电磁兼容问题分析了与各子系统及设备相关的电磁干扰源和干扰途径，提出了相关的防护措施。
2.与子系统或设备有关的干扰源和干扰途径
2.1.与电磁兼容有关的子系统和设备
西安地铁二号线供电系统、接触网和轨道旁辅助设备中与电磁兼容有关的子系统和设备有：
1) 35KV气体绝缘金属封闭开关柜及保护装置
2) 整流变压器
3) 整流器
4) 配电变压器
5) 1500V直流金属封闭开关柜
6) 直流电源屏
7) 交流電源屏
8) 杂散电流监测系统
9) 电力监控系统
10) 接触网
11) 钢轨电位限制装置
12) 环网电缆等
2.2.与子系统或设备有关的干扰源
2.2.1.与子系统或设备有关的主要干扰源
西安地铁二号线供电系统、接触网系统和轨道旁辅助设备中，与上述主要子系统或设备有关的干扰源有：
1)高压回路中操作断路器、隔离开关引起的电磁暂态干扰；
2)高压装置产生的工频电场和磁场；
3)接地系统中的短路电流引起的电位升；
4)雷电引起的暂态干扰；
5)低压设备开合操作引起的电快速瞬变；
6)静电放电；
7)由于设备内部或者外部的无线电发射装置产生的高频场；
8)由于设备内部其他电气或电子设备产生的高频传导和辐射干扰；
9)由供电线路传来的低频传导骚扰；
10)其它干扰源。
2.2.2.对二次设备最具影响的干扰波形
对二次设备最具影响的干扰波形有：阻尼振荡波、电快速瞬变脉冲群、辐射电磁场、静电放电、浪涌、工频磁场、线路故障时或开关操作时瞬间的暂态脉冲磁场、电力系统供电质量（包括电压波动、电压突降和短时中断、谐波、频率变化等）。
1)阻尼振荡波
主要是由高压隔离开关和断路器操作产生的暂态过程，操作时由于触头间电弧的熄灭和复燃，在被断开或充电的电路上，因电压突变而引起的暂态波,在传播过程中，会因电路特性阻抗不匹配而引起反射，形成高频阻尼振荡波。在如此高的频率下，暂态波会以暂态电磁场的形式向外辐射，耦合到二次和低压线路上去，还会通过一些耦合设备（如PT、CT、载波等）直接耦合到二次设备上。在常规的高压变电站内测试到隔离开关操作时，在二次回路中最高干扰电压达到5kV，频率从几十kHz到几MHz，对GIS可达几十MHz。
2) 电快速瞬变脉冲群
快速瞬变电压是断开低压直流电路中的小电感负载时（如机电式继电器、接触器等），引起的暂态电压。当断开触点时，电感负载中的电流企图继续流通，在电感负载两端产生高电压，在断点间引起电弧，随着触点的运动，电弧不断熄灭和复燃，一连串的电压脉冲叠加到与电感负载相连的电源上，并耦合到其他回路上。这种干扰的特点是上升时间快、幅值高、频率高。实测表明，电压可达数千伏，重复率为数十到数百kHz。
3) 辐射电磁场
辐射干扰来源于一些有用或无用的电磁发射，如无线电广播、大功率无线发射台、移动式收发信机等。在电力系统中，对设备影响最大的是对讲机等移动通讯设备。对讲机一般功率为3～5W。如按使用距离为0.5米，功率按3W计算，按场强公式可得到场强为10.4V/m。
4）静电放电
带静电的人体接触到设备时，就会对设备放电，放电时的能量通过各种途径耦合到设备内部的电路，可能使设备工作失灵、出错甚至损坏。
5）浪涌
变电站可能直接遭受到雷击，但更多的情况是线路遭受到雷击，雷电波沿线路侵入到变电站，并通过一、二次系统间的各种耦合途径或接地网进入到二次回路。
6) 工频磁场
工频磁场干扰来源于载流导体和运行中的电力设备。工频磁场干扰分为正常远行情况下的干扰和短时故障时的瞬间干扰，前者强度较弱，但一直存在。后者较强，但持续时间较短，一般只有几秒钟。工频磁场对一些磁敏感设备影响很大，尤其是对计算机显示器。造成显示画面扭曲、抖动、变色等。
7) 在轨道交通中除了上述一些主要的干扰源外，还有其他的干扰会影响二次设备的正常工作。如线路故障时或开关操作时瞬间的暂态脉冲磁场、电力系统供电质量（包括电压波动、电压突降和短时中断、谐波、频率变化等）。
2.3.与子系统或设备有关的干扰途径
电磁干扰的途径可分为两大类：传导干扰和辐射干扰。
3.为减少发生电磁干扰而采取的措施
电磁兼容性控制是一项系统工程，在系统和设备设计、研制、生产、施工、运行与维护的各阶段都必须充分考虑电磁兼容问题，使电磁兼容控制在GB、EN、IEC等相关标准要求的范围之内。
在系统设计阶段充分考虑屏蔽、滤波、合理接地、电缆和设备的合理布局等抑制干扰的措施。 下面是本工程采用的几种主要的拟制电磁干扰的措施：
3.1.电磁屏蔽
电磁屏蔽一般分为两种类型：一类是静电屏蔽，主要用于防治静电场和恒定磁场的影响，另一类是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。
静电屏蔽应具有两个基本要点，即完善的屏蔽体和良好的接地。
电磁屏蔽不但要求有良好的接地，而且要求屏蔽体具有良好的导电连续性，对屏蔽体的导电性要求要比静电屏蔽高得多。
因而为了满足电磁兼容性要求，本工程相关设备将采用高导电性的材料作为屏蔽材料，如铜板、铜箔、铝板、铝箔、钢板或金属镀层、导电涂层。
在实际的屏蔽中，电磁屏蔽效能更大程度上依赖于机箱的结构。机箱上的接缝、开口等都是电磁波的泄漏源。穿过机箱的电缆也是造成屏蔽效能下降的主要原因。
解决机箱缝隙电磁泄漏的方式是在缝隙处用电磁密封衬垫。电磁密封衬垫是一种导电的弹性材料，它能够保持缝隙处的导电连续性。常见的电磁密封衬垫有导电橡胶、双重导电橡胶、金属编织网套、螺旋管衬垫、定向金属导电橡胶等。
机箱上开口的电磁泄漏与开口的形状、辐射源的特性和辐射源到开口处的距离有关。本工程相关设备通过适当的设计开口尺寸和辐射源到开口的距离改善屏蔽效能的要求。
3.2.干扰抑制滤波
滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，为实现这两大功能而设计的网络都称为滤波器。通常按功用可把滤波器分为信号选择滤波器和电磁干扰(EMI)滤波器两大类。
信号选择滤波器是以有效去除不需要的信号分量，同时是对被选择信号的幅度相位影响最小的滤波器。
电磁干扰滤波器是以能够有效抑制电磁干扰为目标的滤波器。电磁干扰滤波器常常又分为信号线EMI滤波器、电源EMI滤波器、印刷电路板EMI滤波器、反射EMI滤波器、隔离EMI滤波器等几类。
线路板上的导线是最有效的接收和辐射天线，由于导线的存在，往往会使线路板上产生过强的电磁辐射。同时，这些导线又能接受外部的电磁干扰，使电路对干扰很敏感。在导线上使用信号滤波器是一个解决高频电磁干扰辐射和接收很有效的方法。脉冲信号的高频成分很丰富，这些高频成分可以借助导线辐射，使线路板的辐射超标。信号滤波器的使用可使脉冲信号的高频成分大大减少，由于高频信号的辐射效率较高，这个高频成分的减少，线路板的辐射将大大改善。
电源线是电磁干扰传入设备和传出设备主要途径。通过电源线，电网上的干扰可以传入设备，干扰设备的正常工作。同样，设备的干扰也可以通过电源线传到电网上，对网上其它设备造成干扰。为了防止这两种情况的发生，本工程相关设备在设备的电源入口处安装电源线滤波器。
3.3.等电位连接与接地
等电位连接与有效接地需要功能性要求与安全技术背景。对于人身安全而言，须保证所有可接触的金属部件有共同接地点，防止不同部件间产生危险电压。另一方面，接地可防止在工作環境内产生危险接触电压。从功能上讲，所有的电子与电气回路都需要共同接地回路，保证信号线与电源线的耦合干扰得以屏蔽。电源线通过接地导体将电子元件的屏蔽体、金属外壳产生的干扰电流引入大地。接地导体的形式可以是电气分流器或电气旁路，使得干扰量无法进入信号处理的电子元件。
本工程相关系统和设备建立了一个联合接地系统，以提高系统和设备的抗电磁干扰性能。
3.4.电缆与电线布线
正确的电缆与电线布线可以避免并排布置的信号线、数据线与电源线间相互干扰。电缆/电线导体可分为两类：
1)设备柜内布线
▲相同类别的导体可一起放线（共用一束）；
▲类别A与B应分别布线，尽可能相互远离对方；
▲信号与数据尽可能靠近柜子的金属外壳，或穿金属管布线，金属会减小耦合通量。
2)设备间布线
由于不同设备间实现金属连接，因此，设备间的布线与设备柜内布线原则一致。
小结：城市轨道交通供电、接触网系统在制式、功能、技术运用等方面都有自身的特殊性。本次工程充分考虑各类因素，在现有的GB、IEC及EN标准的基础上，开展全面的分析研究工作，确定与各子系统及设备相关的干扰源和干扰途径，运用屏蔽、滤波、接地、搭接、合理布线等手段，制定科学的、先进的、经济有效的防护措施，保证了电磁兼容的合理性，确保了系统和设备的安全、正常、可靠运行。■
参考文献
[1]《电磁兼容原理与应用（第2版）》大卫A·韦斯顿著，机械工业出版社
[2]《工程电磁兼容(第2版)》柯达里著, 人民邮电出版社
作者简介：任学锋、男、工程师、目前从事城市轨道交通机电设备的招标及合同管理工作。