【導讀】鐵路地面信號設(shè)備是列車運行的安全保障性關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備現(xiàn)場抗電磁干擾能力的高低，直接關(guān)系到列車行駛與人民生命財產(chǎn)安全。因此，鐵路地面信號設(shè)備的抗干擾設(shè)計極其重要。其中，接地設(shè)計是鐵路地面信號設(shè)備電磁兼容設(shè)計中最復雜、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)場的電磁干擾情況，介紹了地線干擾抑制方法在鐵路信號設(shè)備線纜屏蔽層的接地方面的實際應用。
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理入手，重點介紹電氣電子設(shè)備接地點與接地方式選擇、增加地環(huán)路阻抗、降低接地阻抗等方法，來消除公共阻抗耦合、地環(huán)路等地線干擾，實現(xiàn)電氣電子設(shè)備良好的電磁兼容。最后，針對鐵路現(xiàn)場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用于某鐵路信號設(shè)備的電磁兼容設(shè)計中。
全文第一章為：EMC接地的概念與分類
全文第二章為：EMC地線干擾形成的機理
全文第三章為：PCB設(shè)計中地線干擾抑制方法詳解
5 鐵路地面信號設(shè)備接地設(shè)計
隨著鐵路電力系統(tǒng)自動化設(shè)備的廣泛應用和技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備越來越復雜，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愈高，電磁兼容問題越來越突出。7.23動車追尾事故證明，鐵路地面信號設(shè)備是列車運行的安全保障性關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備現(xiàn)場抗電磁干擾能力的高低，直接關(guān)系到列車行駛與人民生命財產(chǎn)安全。
因此，鐵路地面信號設(shè)備的抗干擾設(shè)計極其重要。其中，接地設(shè)計是鐵路地面信號設(shè)備電磁兼容設(shè)計中最復雜、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題的三要素之一，干擾源的研究，有利于鐵路信號設(shè)備的電磁兼容設(shè)計與現(xiàn)場抗干擾問題的處理，鐵路信號設(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。雷電是最常見的電磁干擾源。雷電的強電磁脈沖干擾不僅可能通過電源線、輸入輸出線以及接地裝置侵入系統(tǒng)，而且強脈沖電磁場會產(chǎn)生強大的感應過電壓而嚴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，電動機車過分相點、升降弓，以及受電弓與接觸網(wǎng)接觸不良等，均會引起的弧光放電。
（3）半導體器件開關(guān)過程引起的干擾。電動機車整流器件開關(guān)過程中，都存在著高的di/dt，它們通過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
電動機車的工頻電流可高達1000A，這么大的電流，會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設(shè)備主要由人機接口（如顯示器、鼠標、鍵盤、打印機）、AC220V電源適配器、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、工業(yè)控制計算機（包括A/D采集板卡、輸出控制板卡等）、執(zhí)行機構(gòu)（指示燈、道岔轉(zhuǎn)轍機等）組成，如下圖所示：
圖 21 鐵路地面信號設(shè)備組成示意圖
其中傳感器負責采集鋼軌電流電壓信號，以及車輪信息等；工業(yè)控制計算機對傳感器采集的信號進行濾波、放大、運算等信息處理，獲得準確的、實時地軌道交通信息，并控制室外執(zhí)行機構(gòu)動作。
電磁干擾主要通過空間輻射耦合或傳導耦合的途徑進入被干擾設(shè)備中，但由于鐵路地面信號設(shè)備一般會安裝在帶屏蔽與防雷功能的信號機房或機柜中，空間輻射耦合對設(shè)備本身的影響很有限，它主要通過設(shè)備的外拖信號線纜接收空間的電磁波，并傳導進入室內(nèi)信號設(shè)備中。
由鐵路地面信號設(shè)備組成示意圖可知，AC220V電源線、傳感器輸入信號線纜、輸出信號線纜、遠程監(jiān)控通信端口等，是電磁干擾進入鐵路地面信號設(shè)備的主要耦合途徑。
5.3 鐵路信號設(shè)備接地設(shè)計
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針對鐵路信號設(shè)備電磁干擾的特點，通過合理的接地設(shè)計（浮地、隔離、濾波等）方法切斷或改變電磁干擾流向，提高鐵路信號設(shè)備的抗干擾性能。
在鐵路信號設(shè)備中，接地設(shè)備須滿足如下兩點：
（1）接地系統(tǒng)具有很低的公共阻抗，使系統(tǒng)中各路電流，通過該公共阻抗產(chǎn)生的直接傳導噪聲電壓最小。在有高頻電流的場合，保證“信號地”對“大地”有較低的共模電壓，使通過“信號地”產(chǎn)生的輻射噪聲最低。
（2）保證地線與信號線構(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”，使外界干擾磁場穿過該回路產(chǎn)生的差模干擾電壓最小，同時，也避免地電位差通過地回路引起過大的地電流，造成傳導干擾。
鐵路信號設(shè)備一般會通過光電、磁電、混合接地等措施，來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
外部電源通過電源隔離變壓器或帶隔離功能的UPS給鐵路信號設(shè)備提供220V電源，設(shè)備與電網(wǎng)只有磁的耦合，無電的直接聯(lián)系，實現(xiàn)電的隔離，消除了共阻抗耦合，增強系統(tǒng)對電網(wǎng)的抗干擾能力。
（2）開關(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，此時可在信號線纜上串聯(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/低頻的共模或地環(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）遠程監(jiān)控設(shè)備通信端口，采用光纖通信，以加強接口的隔離度，提高信號傳輸?shù)目煽啃浴?br /> （4）設(shè)備接地點選擇，應盡量遠離大電流、高電壓工作的電氣設(shè)備，減少靜電感應和電磁感應。
（5）信號線纜屏蔽層的接地
將信號線纜的屏蔽層兩端分別接地，電力機車牽引電流造成的電位差，可能通過屏蔽層形成干擾電流，即地環(huán)路干擾，導致信號采集設(shè)備無法正常工作。
因此，為了消除工頻牽引電流的地線干擾影響，通常會在設(shè)備（設(shè)備的接地點一般距離鋼軌3米以上），將信號線纜屏蔽層單點接地。
如果屏蔽層采用單點接地的信號線纜，暴露在高頻強電場中，也可能會感應出很高的干擾電壓，引起設(shè)備功能失常，因此，對存在高頻電磁干擾的應用場合，電纜屏蔽層需要雙端接地。
針對上述問題，屏蔽層采用混合接地方案，即將軌道傳感器側(cè)的信號線纜的屏蔽層，通過10nF或4.7nF的高壓電容旁路接地，設(shè)備側(cè)的信號線纜屏蔽層采用單點接地，如下圖所示：
圖 23 信號線纜混合接地
實際經(jīng)驗證明，鐵路信號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，也來可靠地衰減高頻電磁干擾對信號通道的不利影響。
（6）主控板的接地設(shè)計
工控機的主板為高速電路，在印制線路板上設(shè)置完整的地平面，縮短高速信號的回流徑路，提高其信號完整性。主板地平面通過多個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理。根據(jù)地線干擾形成的機理差異，重點介紹了光電隔離、繼電器隔離、磁電隔離、共模扼流圈隔離、單點接地、多點接地、浮地、混合接地等方法，在消除或抑制電氣電子設(shè)備的地線干擾的應用原理。
最后，結(jié)合鐵路現(xiàn)場的電磁干擾情況，介紹了地線干擾抑制方法在鐵路信號設(shè)備線纜屏蔽層的接地方面的實際應用。
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