滬通鐵路站后工程電磁兼容的探討

劉夢鳴 滬通鐵路建設(shè)籌備組

電磁兼容 (EMC)是指電器系統(tǒng)在所處的電磁環(huán)境中能正常工作，且不對該環(huán)境中任何其它事物構(gòu)成不能承受的電磁騷擾的能力。

在高強(qiáng)度電器設(shè)備集中的鐵路系統(tǒng)中，由于其電牽引引起的電弧頻率較高而產(chǎn)生較大的電磁干擾。故沿線鐵路系統(tǒng)中的數(shù)字式電器設(shè)備的抗干擾能力要求要比普通工業(yè)電器設(shè)備高。

1 滬通鐵路電磁兼容的主要因素

滬通鐵路電磁兼容主要有兩方面的干擾因素：電磁騷擾源、傳輸途徑。

1.1 電磁騷擾源可能是電磁噪聲和無用信號

電磁噪聲是不帶任何信息的電磁現(xiàn)象，主要在電壓或電流發(fā)生急劇變化時產(chǎn)生，例如雷電、靜電放電、電弧；電氣設(shè)備中電感負(fù)載切斷時產(chǎn)生的瞬變脈沖噪聲；接通負(fù)載時的沖擊電流及開關(guān)觸點(diǎn)的抖動產(chǎn)生的脈沖噪聲等。

無用信號是指一些功能性信號，例如無線廣播、電視、雷達(dá)等，本身是有用信號，但干擾了鐵路電氣設(shè)備的正常工作，所以對敏感設(shè)備而言是無用信號。

電磁騷擾源是客觀存在的，只有在影響了敏感設(shè)備的正常工作時才構(gòu)成"干擾"，也就是人們通俗所說的電磁干擾。

1.2 騷擾的傳輸途徑

騷擾的傳輸途徑有兩條，通過空間輻射和通過導(dǎo)線傳導(dǎo)。騷擾通過導(dǎo)線傳輸時主要通過共阻抗耦合和地環(huán)路耦合方式產(chǎn)生干擾。當(dāng)設(shè)備或元器件公用電源線和地線時，設(shè)備或元器件之間就會通過公共阻抗產(chǎn)生相互干擾。電源線和地線本身的電阻很低，但由于包含分布電感，所以在高頻時其阻抗不能忽略。高頻騷擾電流會在公共阻抗上產(chǎn)生相當(dāng)可觀的騷擾電壓疊加到其他電路上。當(dāng)兩個設(shè)備相互間有信號連接 ，同時又各自在不同地點(diǎn)接地，或如果兩個接地點(diǎn)之間存在地電位差，就會產(chǎn)生地環(huán)路干擾。

騷擾通過空間傳播時，產(chǎn)生干擾的形式分為近場耦合和遠(yuǎn)場輻射兩種。如果敏感電路離騷擾源的距離＜λ/2π(λ為騷擾源最高頻率的波長)則為近場耦合，騷擾源通過電場和磁場對敏感電路產(chǎn)生干擾。一般設(shè)備內(nèi)部各部分電路之間的相互干擾常用近場耦合方式處理。如果敏感電路離騷擾源的距離＞λ/2π，騷擾電磁波或穿過敏感設(shè)備外殼干擾其內(nèi)部電路，或在敏感設(shè)備的外部連接線上感應(yīng)干擾電流，通過導(dǎo)線傳人設(shè)備內(nèi)部。一般設(shè)備或系統(tǒng)之間的干擾屬于遠(yuǎn)場輻射干擾。

2 滬通鐵路電磁兼容總體要求和管理計(jì)劃

2.1 總體要求

在本系統(tǒng)工程項(xiàng)下，必須保證：

(1)設(shè)備供應(yīng)商提供的所有電氣和電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造確保在滬通鐵路的電磁環(huán)境的運(yùn)用中，無質(zhì)量和性能的退化或功能的損失。

(2)設(shè)備供應(yīng)商的設(shè)備運(yùn)行所在的環(huán)境選擇采用的EMC符合等級，并向業(yè)主提供一個經(jīng)濟(jì)有效的最佳EMC方案。

(3)設(shè)計(jì)單位須確保各子系統(tǒng)所產(chǎn)生的任何電磁干擾對環(huán)境的影響不能超過技術(shù)規(guī)格的詳細(xì)規(guī)定，同時設(shè)備的運(yùn)行也不受其電磁環(huán)境的影響。

(4)工程承包單位所提供的系統(tǒng)須與環(huán)境及其周圍的部件、子系統(tǒng)、系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)電磁兼容。

(5)工程承包商保證采取必要的措施，確保所有運(yùn)輸系統(tǒng)、軍事設(shè)施、高壓傳輸和分配設(shè)備、電視和無線電廣播設(shè)備、無線電通訊設(shè)備以及公眾攜帶的電氣設(shè)備或系統(tǒng)的電磁輻射既不干擾滬通鐵路站后系統(tǒng)，又不受滬通鐵路各子系統(tǒng)電磁環(huán)境的干擾。這些電磁干擾包括：傳導(dǎo)（包括瞬時干擾）、輻射、電容耦合、電感耦合和靜電干擾。

(6)工程承包商須通過嚴(yán)密的測試，以證實(shí)其系統(tǒng)不會干擾到現(xiàn)有鄰近電氣網(wǎng)絡(luò)的正常操作，也不會受鄰近電氣網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有設(shè)備的干擾。

2.2 電磁兼容管理計(jì)劃

本工程的EMC質(zhì)量管理目標(biāo)就是減少由于所交付系統(tǒng)而產(chǎn)生的現(xiàn)場電磁兼容性潛在問題，包括對由其他方安裝的設(shè)備的系統(tǒng)干擾。主要通過在設(shè)計(jì)、施工階段充分考慮電磁兼容性達(dá)到此目標(biāo)。

電磁兼容性質(zhì)量管理任務(wù)盡可能地與正常接口管理、設(shè)計(jì)、采購、設(shè)備整合和驗(yàn)證生效融合，以便在合適的時間提供適當(dāng)?shù)目紤]，減少不必要的工作。對于任何工程設(shè)計(jì)參數(shù)，通過與其他所需性能和成本效益比較，在采取有關(guān)的折衷方案時，首先要在設(shè)計(jì)階段考慮電磁兼容性。

在電磁兼容性方面，下列各項(xiàng)措施將用于滬通站后所有電器項(xiàng)目：

(1)應(yīng)根據(jù)設(shè)備位置、設(shè)備用途和試驗(yàn)中的設(shè)備端口類型，確定EMC性能的嚴(yán)格程度和所需的試驗(yàn)，采用EMC要求。

(2)承包商的系統(tǒng)/設(shè)備附近的其他系統(tǒng)/設(shè)備的發(fā)射和抑制，將由業(yè)主按照相應(yīng)的EMC標(biāo)準(zhǔn)加以控制，以確保它們的發(fā)射和抑制符合其用途和位置。

(3)如果沒有更可行的備擇方案，業(yè)主不反對提供發(fā)射等級高些而抑制等級低些的OEM設(shè)備，并且要嚴(yán)格地證實(shí)這樣將不會導(dǎo)致降低設(shè)備的安全性、可靠性或者設(shè)備在其設(shè)計(jì)用途和使用位置方面的可利用率。如果這樣需要采用減少的操作規(guī)程，應(yīng)由承包商編制這些規(guī)程，并由業(yè)主審查同意。

從設(shè)計(jì)到單機(jī)測試以及設(shè)備安裝與系統(tǒng)運(yùn)行整個過程要嚴(yán)格地按該電磁兼容管理計(jì)劃執(zhí)行。該計(jì)劃主要包括產(chǎn)品或系統(tǒng)EMC分析，制定EMC設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)方法、標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)施計(jì)劃與測試方法等。具體包括如下幾個部分：

◆所提供的主要子系統(tǒng)涉及電磁兼容的描述；

◆所有電磁兼容控制原理和電磁兼容設(shè)計(jì)程序的描述；

◆初步電磁干擾的隱患分析；

◆列出所采用的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)；

◆工程各階段為示范和保證電磁兼容性能所執(zhí)行的活動與任務(wù)；

◆列出須提交給業(yè)主的設(shè)計(jì)文件以證明設(shè)計(jì)滿足了技術(shù)規(guī)格；

◆列出將要執(zhí)行的測試以演示遵守了技術(shù)規(guī)格；

◆簡述將要采用的與電磁兼容相關(guān)的設(shè)計(jì)與安裝指導(dǎo)；

◆電磁兼容測試計(jì)劃簡述；

◆簡述保證系統(tǒng)電磁兼容的維護(hù)要求。

3 滬通鐵路站后工程電磁兼容控制技術(shù)

3.1 屏蔽技術(shù)

采用機(jī)箱、屏閉罩等屏蔽和設(shè)備內(nèi)部某些元器件的屏蔽用于切斷騷擾通過空間傳播的途徑。設(shè)備采用金屬機(jī)箱或在塑料機(jī)箱內(nèi)噴涂一層金屬作為屏蔽層。但實(shí)際上機(jī)箱上總是存在各式各樣的孔和縫隙，例如通風(fēng)孔、進(jìn)出線孔、面板器件安裝孔、機(jī)箱各板的連接縫隙、機(jī)箱蓋和箱體之間的縫隙等。這些孔、縫都可能造成電磁波的嚴(yán)重泄漏，因此在設(shè)計(jì)中要遵循下面的經(jīng)驗(yàn)公式：

設(shè)備機(jī)箱孔縫直徑d<λ<2；

屏蔽效能可達(dá)20 dB以上。

為提高機(jī)箱的屏蔽效能，在接縫處可使用導(dǎo)電襯墊，通風(fēng)窗可使用波導(dǎo)管，顯示屏可使用屏蔽玻璃。

3.2 濾波技術(shù)

用于切斷沿導(dǎo)線傳播的傳導(dǎo)騷擾。電源線、信號線和控制線端口采用低通濾波器來濾除頻率較高的共模騷擾（線--地間騷擾）和差模騷擾（線--線間的騷擾）。濾波器的安裝很關(guān)鍵，直接影響到濾波性能。濾波器應(yīng)該安裝在機(jī)箱入口處，金屬外殼和屏蔽機(jī)箱緊密搭接，搭接面積越大越好，以保證良好的低阻抗接地通道。同時濾波器的輸入輸出線要最大限度地相互隔離，不能靠近和平行走線。

3.3 接地技術(shù)

接地可以理解為一個等電位點(diǎn)或等電位面，是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。為了防止共地線干擾，每個設(shè)備中可能有多種接地線，但概括起來可以分成三類：以安全為目的的保護(hù)地線，通常與金屬機(jī)架機(jī)殼相連接；為設(shè)備中各個電路提供穩(wěn)定的零基準(zhǔn)電位的工作地線；為了抑制噪聲，電纜、變壓器等的屏蔽層需接地，相應(yīng)的地線稱為屏蔽地線；各系統(tǒng)的聯(lián)合接地。

3.4 隔離技術(shù)

隔離技術(shù)是切斷地環(huán)路干擾的關(guān)鍵技術(shù)。在傳輸線上插入隔離變壓器或光電耦合器，它們只能傳輸有用的差模信號，不能傳輸共模信號，從而切斷了地環(huán)路。光電耦合器重量輕、體積小，響應(yīng)速度快，又可傳輸直流和低頻信號，因此，已廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號的傳輸中。例如用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其數(shù)字輸入模塊大多采用光電耦合器。

3.5 平衡傳輸

設(shè)備之間的信號傳輸如果能從不平衡方式改變成為平衡傳輸方式并與隔離技術(shù)結(jié)合，將可以進(jìn)一步抑制地環(huán)路干擾。具體作法可以是傳輸線中的兩條線都不接地、對地平衡、發(fā)送端和接收端都采用平衡差分電路。這樣，兩條線上的共模電流對地是平衡的，因此在負(fù)載端不能轉(zhuǎn)變成差模電流而干擾設(shè)備的正常工作。

4 結(jié)束語

研究電磁兼容(EMC)的目是控制和消除電磁干擾，使電子設(shè)備或系統(tǒng)與其它設(shè)備聯(lián)系在一起工作時，不會引起設(shè)備或系統(tǒng)任何部分的工作性能惡化或降低。因此電磁兼容須在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工、設(shè)備制造的工程中進(jìn)行綜合考慮，這樣可以達(dá)到事半功倍的效果。