电磁兼容设计在铁路信号设备中的应用

电磁兼容设计在铁路信号设备中的应用

刘智 中国铁路通信信号股份有限公司天津工程分公司 天津市 300000

摘要：随着用户需求的增加，铁路信号设备可以实现的功能越来越多，多种设备集成成一套产品已成为厂商的卖点，正因为如此，导致设备内外电磁环境的恶化，所以电磁兼容性能是铁路信号设备设计中要解决的关键问题。

关键词：电磁兼容设计；铁路信号设备；应用

一、结构设计与EMC

1.结构设计方式

良好的结构设计是解决EMC问题的关键手段，在进行产品电磁兼容结构设计前，除了充分考虑设备所面临的电磁干扰源和电磁干扰路径外，还要分析电磁屏蔽措施，通过屏蔽材料、优化结构布局等措施，尽量减少外部电磁干扰和内部辐射的发射。本装置的结构屏蔽设计如下:

1）屏蔽设计的关键是电气连续性，全外壳的金属外壳是实现最佳电气连续性的最佳屏蔽。但是在实际应用中，这是很难实现的，通常会有出风孔、散热孔等，所以如何合理的设计散热孔、出风孔也是屏蔽设计的一大要点。屏蔽结构的设计应尽可能简单，去掉必要的通风孔，避免不必要的其他孔和额外的空隙。通气孔采用圆孔和阵列排气孔设计，避免开长孔和细孔。

2）该屏蔽对内部电磁波和外部干扰电磁波都能吸收能量、抵消能量和反射能量，因此屏蔽具有减少干扰的功能。通常用屏蔽罩将设备、电缆乃至整个系统围起来，尽可能地隔离设备内外的电磁干扰信号。

3）为减少缝隙的辐射泄漏，应采用屏蔽材料对箱体、贴面、柜体结构缝隙进行屏蔽。常用的屏蔽材料是异形弹簧或金属屏蔽条，用于处理间隙。连接器的电缆也应使用屏蔽连接器，以更好地屏蔽机箱。

2.结构设计案例

1）问题描述

某产品进行辐射发射试验时，辐射值超过限定值，试验不合格。

2）问题排查

检查机柜内的设备和线缆是否可靠接地，并将设备接地线调整到最小；

重新排列机柜内外的线缆，电源线、信号线、接地线之间的距离要尽量拉开。上述整改完成后，再次进行测试，虽然辐射值有所降低，但仍未通过测试。然后分别在柜门打开和关闭的情况下进行辐射发射试验，辐射值基本相同，可以确定柜门结构没有起到屏蔽作用。

为使产品设计更为美观，机柜的主体结构及内部结构件均喷涂了颜色为428C的绝缘漆，导致机柜结构屏蔽效果较差、辐射泄漏较多。

3）解决方案

将柜体的主体结构和大部分内部结构件由普通的涂漆钢板改为铝锌板，虽然这种解决方案的成本较高，但可以大大提高产品的屏蔽性能。然后在新机柜的基础上进行组装，并再次进行辐射发射测试。最终辐射值低于限值，辐射发射试验通过。

二、线缆设计与EMC

1.线缆设计方式

电缆是产品必不可少的组成部分，每一个产品都离不开电缆，但是产品的开孔会影响系统的屏蔽性能，所以如何减少开孔漏电的干扰是电缆设计的重点。在设备工作的时候，线缆会产生辐射干扰，主要是因为线缆和设备之间的连接容易产生电磁泄漏，所以这也是一个需要重点关注的地方。在产品设计时，对电磁发射较强的设备的信号电缆应进行特殊处理，如RS-422、CAN通信、网络通信等。最好采用双绞线屏蔽电缆，产品结构采用屏蔽，保证产品外壳的导电连续性，提高整个系统的屏蔽性能。有几种方法可以提高电缆的电磁兼容效果。

1）通过屏蔽连接器，这种方法的屏蔽效果主要取决于插头的屏蔽效果。为了增强电缆的屏蔽效果，必须使用屏蔽电缆，并将电缆屏蔽层可靠地连接到连接器上。在系统外应用时，应尽可能接地，以减少不必要的电磁耦合和串扰的不利影响。

2）信号电缆接地时，选择屏蔽电缆，为保证更好的电磁屏蔽效果，屏蔽网编织覆盖范围应尽可能大，电缆屏蔽层尽量采用360°可靠的环形接地方式。

3）所述滤波器安装在电路中，即电源电路与电源滤波器串联，信号线与信号线滤波器连接。这种方法既能滤波，又能达到屏蔽的效果。安装滤波器时需要将滤波器外壳紧紧的与设备外壳连接在一起，此举可以增加滤波效果。若线缆较多时，此方式成本会比较高。

2.线缆设计案例

1）问题描述

在对某产品的输入线缆进行电快速脉冲群测试时，出现了设备对信号的误采现象，导致试验不通过。

2）问题排查

对输入线缆重新进行接地调整，保证其屏蔽层接地面积尽量充分；

整理输入线缆走线，保证输入线缆与其他线缆尽量空间隔离；

在完成以上整改后重新进行试验，但是误采现象依然存在。随后将输入线缆屏蔽层与其他线缆屏蔽层进行对比，发现其屏蔽层密度较为稀疏。

3）解决方案

将原屏蔽层密度为40%的线缆更换为屏蔽层密度为75%的线缆重新进行试验，误采现象消失，最终通过试验。

三、接地设计与EMC

1.接地设计方式

良好的接地设计是解决电磁兼容问题最经济、最有效的方法。接地原理是路径短，导电面积大，这样的接地设计既能提高抗干扰程度，又能减少电磁发射。接地在实际应用中相当复杂，从电路参考点来看，接地可分为浮地、单点接地、多点接地和混合接地。

1）浮地是将电路或设备与可能引起环流的公共接地或公共导线隔离，使设备的接地系统与壳体结构电气绝缘。其优点是电路不受大地电气特性的影响。浮地会使电源接地（强电接地）和信号接地（弱电接地）之间的隔离电阻非常大，可以避免电磁干扰从接地电路耦合至设备中。浮地的缺点是容易产生静电积聚和静电放电,在雷电环境下，可能会在单元电路和机箱间产生飞弧,甚至使操作人员造成电击。为避免此问题，需要在浮地设备和地间接入大电阻进行放电。当设备采用浮地设计时，如果电网相线和机箱短路，则有触电的危险。因此在实际应用中，除非是大地或系统附近有强干扰电流或是系统无法接地，通常不采用浮地方式。

2）单点接地是指在一个电路中仅存在一点被定义为接地参考点，而所有需要接地的设备都通过该点接地。其优点是接地不易产生回路。产品是否采用单点接地，主要由系统工作的信号频率以及地线长度决定，即L/λ，公式为L/λ=L×f/c，L代表地线长度/m；λ代表信号波长/m，c代表电磁场的传播速度/（m/s），f代表设备的工作频率/Hz；当L/λ≤0.1时，宜采用单点接地。所以，低频设备适用单点接地，应用频率通常在300kHz以内。

2.接地设计案例

1）问题描述

在对某产品电源端口进行传导发射测试时，由于测试值超过限定值导致测试不通过。

2）问题排查

整理该电源端口电源线，尽量将滤波前和滤波后的电源线拉开距离，整改后测试值虽有好转但并未通过试验；

更换该电源端口的滤波器重新进行测试，测试值基本与更换前一致；

检查滤波器接地，发现滤波器接地并不可靠，滤波器外壳并未与机柜结构完全搭接，导致辐射不能有效泻放。

3）解决方案

更改滤波器安装方式：截断导轨，将滤波器直接安装在端子安装板上，使滤波器与屏蔽安装板充分接触，扩充泻放通道。随后重新进行试验，最终辐射值符合标准。

结束语

在自然界中，电磁干扰是无处不在的，无论采取什么措施，都无法完全消除电磁干扰的影响。只有综合考虑各种限制因素，尽量减少其对铁路信号设备的影响，才能做到这一点。

参考文献

[1]国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.GB/T 24338.5-2018 轨道交通电磁兼容第4部分：信号和通信设备的发射与抗扰度[S].北京：中国标准出版社，2018.

[2]国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.GB 9254-2008 信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法[S].北京：中国标准出版社，2008.