【導(dǎo)讀】鐵路地面信號(hào)設(shè)備是列車(chē)運(yùn)行的安全保障性關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)抗電磁干擾能力的高低，直接關(guān)系到列車(chē)行駛與人民生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，鐵路地面信號(hào)設(shè)備的抗干擾設(shè)計(jì)極其重要。其中，接地設(shè)計(jì)是鐵路地面信號(hào)設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)中最復(fù)雜、最難掌握、最重要的電磁干擾抑制方法。本文結(jié)合鐵路現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾情況，介紹了地線干擾抑制方法在鐵路信號(hào)設(shè)備線纜屏蔽層的接地方面的實(shí)際應(yīng)用。
本文是電子元件技術(shù)網(wǎng)網(wǎng)友原創(chuàng)博文《鐵路信號(hào)設(shè)備地線干擾抑制方法的研究》系列第四章，全文從電氣電子設(shè)備接地重要性與地線干擾形成機(jī)理入手，重點(diǎn)介紹電氣電子設(shè)備接地點(diǎn)與接地方式選擇、增加地環(huán)路阻抗、降低接地阻抗等方法，來(lái)消除公共阻抗耦合、地環(huán)路等地線干擾，實(shí)現(xiàn)電氣電子設(shè)備良好的電磁兼容。最后，針對(duì)鐵路現(xiàn)場(chǎng)電磁騷擾源特性與耦合方式，成功地將地線干擾抑制方法應(yīng)用于某鐵路信號(hào)設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)中。
全文第一章為：EMC接地的概念與分類(lèi)
全文第二章為：EMC地線干擾形成的機(jī)理
全文第三章為：PCB設(shè)計(jì)中地線干擾抑制方法詳解
5 鐵路地面信號(hào)設(shè)備接地設(shè)計(jì)
隨著鐵路電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備的廣泛應(yīng)用和技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜，特別是模擬電路和數(shù)字電路混合的情況日漸增多、電路的工作頻率愈來(lái)愈高，電磁兼容問(wèn)題越來(lái)越突出。7.23動(dòng)車(chē)追尾事故證明，鐵路地面信號(hào)設(shè)備是列車(chē)運(yùn)行的安全保障性關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)抗電磁干擾能力的高低，直接關(guān)系到列車(chē)行駛與人民生命財(cái)產(chǎn)安全。
因此，鐵路地面信號(hào)設(shè)備的抗干擾設(shè)計(jì)極其重要。其中，接地設(shè)計(jì)是鐵路地面信號(hào)設(shè)備電磁兼容設(shè)計(jì)中最復(fù)雜、最難掌握、最重要的電磁干擾抑制方法。
5.1 鐵路電磁干擾源
干擾源是電磁兼容問(wèn)題的三要素之一，干擾源的研究，有利于鐵路信號(hào)設(shè)備的電磁兼容設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)抗干擾問(wèn)題的處理，鐵路信號(hào)設(shè)備主要電磁干擾源：
（1）自然干擾源
自然干擾源是指由于大自然現(xiàn)象所造成的各種電磁噪聲。雷電是最常見(jiàn)的電磁干擾源。雷電的強(qiáng)電磁脈沖干擾不僅可能通過(guò)電源線、輸入輸出線以及接地裝置侵入系統(tǒng)，而且強(qiáng)脈沖電磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的感應(yīng)過(guò)電壓而嚴(yán)重干擾甚至損壞系統(tǒng)設(shè)備。
（2）放電現(xiàn)象
放電現(xiàn)象包括，靜電放電、電暈放電、弧光放電等。其中，靜電放電屬于瞬態(tài)放電，電暈放電、弧光放電屬于持續(xù)放電。
鐵路電力系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)車(chē)過(guò)分相點(diǎn)、升降弓，以及受電弓與接觸網(wǎng)接觸不良等，均會(huì)引起的弧光放電。
（3）半導(dǎo)體器件開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的干擾。電動(dòng)機(jī)車(chē)整流器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中，都存在著高的di/dt，它們通過(guò)線路或元器件的引線電感引起瞬態(tài)電磁噪聲。其頻率可高達(dá)幾十千赫茲至幾百千赫茲乃至幾兆赫茲，成為不可忽視的噪聲源。
（4）工頻牽引電流
電動(dòng)機(jī)車(chē)的工頻電流可高達(dá)1000A，這么大的電流，會(huì)在鋼軌或牽引電流接地線旁邊，產(chǎn)生很高的地電位。
5.2 干擾耦合途徑分析
典型的鐵路地面信號(hào)設(shè)備主要由人機(jī)接口（如顯示器、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、打印機(jī)）、AC220V電源適配器、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（包括A/D采集板卡、輸出控制板卡等）、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（指示燈、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)等）組成，如下圖所示：
圖 21 鐵路地面信號(hào)設(shè)備組成示意圖
其中傳感器負(fù)責(zé)采集鋼軌電流電壓信號(hào)，以及車(chē)輪信息等；工業(yè)控制計(jì)算機(jī)對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、運(yùn)算等信息處理，獲得準(zhǔn)確的、實(shí)時(shí)地軌道交通信息，并控制室外執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。
電磁干擾主要通過(guò)空間輻射耦合或傳導(dǎo)耦合的途徑進(jìn)入被干擾設(shè)備中，但由于鐵路地面信號(hào)設(shè)備一般會(huì)安裝在帶屏蔽與防雷功能的信號(hào)機(jī)房或機(jī)柜中，空間輻射耦合對(duì)設(shè)備本身的影響很有限，它主要通過(guò)設(shè)備的外拖信號(hào)線纜接收空間的電磁波，并傳導(dǎo)進(jìn)入室內(nèi)信號(hào)設(shè)備中。
由鐵路地面信號(hào)設(shè)備組成示意圖可知，AC220V電源線、傳感器輸入信號(hào)線纜、輸出信號(hào)線纜、遠(yuǎn)程監(jiān)控通信端口等，是電磁干擾進(jìn)入鐵路地面信號(hào)設(shè)備的主要耦合途徑。
5.3 鐵路信號(hào)設(shè)備接地設(shè)計(jì)
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針對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備電磁干擾的特點(diǎn)，通過(guò)合理的接地設(shè)計(jì)（浮地、隔離、濾波等）方法切斷或改變電磁干擾流向，提高鐵路信號(hào)設(shè)備的抗干擾性能。
在鐵路信號(hào)設(shè)備中，接地設(shè)備須滿足如下兩點(diǎn)：
（1）接地系統(tǒng)具有很低的公共阻抗，使系統(tǒng)中各路電流，通過(guò)該公共阻抗產(chǎn)生的直接傳導(dǎo)噪聲電壓最小。在有高頻電流的場(chǎng)合，保證“信號(hào)地”對(duì)“大地”有較低的共模電壓，使通過(guò)“信號(hào)地”產(chǎn)生的輻射噪聲最低。
（2）保證地線與信號(hào)線構(gòu)成的電流回路具有最小的面積，避免由地線構(gòu)成“地回路”，使外界干擾磁場(chǎng)穿過(guò)該回路產(chǎn)生的差模干擾電壓最小，同時(shí)，也避免地電位差通過(guò)地回路引起過(guò)大的地電流，造成傳導(dǎo)干擾。
鐵路信號(hào)設(shè)備一般會(huì)通過(guò)光電、磁電、混合接地等措施，來(lái)消除共阻抗耦合或地環(huán)路耦合等地線干擾：
（1）電源端口的隔離
外部電源通過(guò)電源隔離變壓器或帶隔離功能的UPS給鐵路信號(hào)設(shè)備提供220V電源，設(shè)備與電網(wǎng)只有磁的耦合，無(wú)電的直接聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)電的隔離，消除了共阻抗耦合，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的抗干擾能力。
（2）開(kāi)關(guān)量、模擬量的輸入輸出口要采用光電耦合器、變壓器、繼電器、共模扼流圈等隔離，切斷地環(huán)路干擾。
其中，光電、磁電隔離由于器件存在寄生電容，主要應(yīng)用于300KHZ以下的低頻電磁干擾的抑制，其高頻電磁干擾的衰減效果可能不佳，此時(shí)可在信號(hào)線纜上串聯(lián)共模扼流圈，切斷低頻噪聲與高頻干擾的地環(huán)路干擾，提高設(shè)備I/O端口的抗干擾能力。
在以太網(wǎng)通信端口中，利用變壓器的磁電隔離原理，切斷低頻電磁干擾的傳播途徑；利用共模電感或變壓器中集成的共模扼流圈，能有效地增大高頻電磁干擾的地環(huán)路阻抗，避免變壓器的原邊高頻電磁干擾通過(guò)其原/副邊的寄生電容傳輸副邊或敏感芯片側(cè)，此外，原邊C12也起共模濾波作用。
以太網(wǎng)的高頻/低頻的共?；虻丨h(huán)路干擾抑制方法如下圖所示：
圖 22 以太網(wǎng)的高頻/低頻共模干擾抑制方法
（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備通信端口，采用光纖通信，以加強(qiáng)接口的隔離度，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?br /> （4）設(shè)備接地點(diǎn)選擇，應(yīng)盡量遠(yuǎn)離大電流、高電壓工作的電氣設(shè)備，減少靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)。
（5）信號(hào)線纜屏蔽層的接地
將信號(hào)線纜的屏蔽層兩端分別接地，電力機(jī)車(chē)牽引電流造成的電位差，可能通過(guò)屏蔽層形成干擾電流，即地環(huán)路干擾，導(dǎo)致信號(hào)采集設(shè)備無(wú)法正常工作。
因此，為了消除工頻牽引電流的地線干擾影響，通常會(huì)在設(shè)備（設(shè)備的接地點(diǎn)一般距離鋼軌3米以上），將信號(hào)線纜屏蔽層單點(diǎn)接地。
如果屏蔽層采用單點(diǎn)接地的信號(hào)線纜，暴露在高頻強(qiáng)電場(chǎng)中，也可能會(huì)感應(yīng)出很高的干擾電壓，引起設(shè)備功能失常，因此，對(duì)存在高頻電磁干擾的應(yīng)用場(chǎng)合，電纜屏蔽層需要雙端接地。
針對(duì)上述問(wèn)題，屏蔽層采用混合接地方案，即將軌道傳感器側(cè)的信號(hào)線纜的屏蔽層，通過(guò)10nF或4.7nF的高壓電容旁路接地，設(shè)備側(cè)的信號(hào)線纜屏蔽層采用單點(diǎn)接地，如下圖所示：
圖 23 信號(hào)線纜混合接地
實(shí)際經(jīng)驗(yàn)證明，鐵路信號(hào)線纜屏蔽的混合接地方法，既可以有效抑制工頻牽引電流的地環(huán)路干擾，也來(lái)可靠地衰減高頻電磁干擾對(duì)信號(hào)通道的不利影響。
（6）主控板的接地設(shè)計(jì)
工控機(jī)的主板為高速電路，在印制線路板上設(shè)置完整的地平面，縮短高速信號(hào)的回流徑路，提高其信號(hào)完整性。主板地平面通過(guò)多個(gè)螺釘孔與一塊完整的金屬面板相連接，不僅可以抑制電路板對(duì)外部的電磁騷擾，還可以將I/O口引入的電磁干擾低阻抗的導(dǎo)向金屬面板，避免其干擾敏感的主控芯片。
6 結(jié)論
本文概述了接地意義，公共阻抗耦合、地環(huán)路等地線干擾形成機(jī)理。根據(jù)地線干擾形成的機(jī)理差異，重點(diǎn)介紹了光電隔離、繼電器隔離、磁電隔離、共模扼流圈隔離、單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地、浮地、混合接地等方法，在消除或抑制電氣電子設(shè)備的地線干擾的應(yīng)用原理。
最后，結(jié)合鐵路現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾情況，介紹了地線干擾抑制方法在鐵路信號(hào)設(shè)備線纜屏蔽層的接地方面的實(shí)際應(yīng)用。
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