城軌通信網(wǎng)電磁兼容性分析

賈賢業(yè)

近幾年來,我國電磁兼容技術(shù)發(fā)展較快,在城軌通信網(wǎng)中對電磁兼容性的要求也越來越高。根據(jù)上海城軌 9號線通信建設(shè)經(jīng)驗,對電磁兼容性進行如下分析,并提出判斷和處理電磁干擾問題的方法。

1 城軌環(huán)境中的干擾

如果噪聲源的電壓和電流與控制電路的線纜或元件之間存在某種耦合,那么干擾源的電磁噪聲就將被耦合到被干擾電路,產(chǎn)生電磁干擾。耦合的形式存在以下 5種可能。

1.電容耦合:電路中電壓的變化,通過互連的電容傳遞到被干擾電路。

2.電感耦合:電路中電流的變化,通過互感傳遞到被干擾電路。

3.靜電耦合:充電的物體向被干擾物體放電。

4.傳導(dǎo)耦合:干擾源和被干擾電路共享一個傳導(dǎo)通道。

5.電磁輻射:電路結(jié)構(gòu)以天線的方式接收和發(fā)送能量。

某一時刻,可以有不止一種的耦合機制。

在地鐵環(huán)境中,主要的電子噪聲源是會引起快速和大幅度電壓或電流變化的電子或電機設(shè)備,已知的噪聲源有:牽引電路、開關(guān)操作引入的電感負載,半導(dǎo)體閘流管等用于開關(guān)模式的半導(dǎo)體元件,大電流導(dǎo)體,熒光燈、霓虹燈、廣播、便攜式無線電收發(fā)機、滑動觸點、導(dǎo)電弓產(chǎn)生的電弧和瞬變電流、廣播電感線圈等。

2 電磁兼容設(shè)計

2.1 性能要求

1.所有電子系統(tǒng)應(yīng)遵循 EMC規(guī)范。電子設(shè)備外殼接地;為避免地電流影響,必要時電源系統(tǒng)不接地;屏蔽或鎧裝軌道旁設(shè)備和信號電纜;電源電路和信號電路分開;當線路與電力線路平行時,按需采用抗電磁干擾的光纖傳送視頻和音頻信號;針對感性電路、列車和軌旁設(shè)備采用抑制措施;對于敏感電路采用瞬變脈沖抑制設(shè)備;遵循國內(nèi)、國際無線設(shè)備標準;敏感電子設(shè)備的供電采用特殊電源;對于屏蔽電纜,在兩端使用連接端子,并對每個端點的信號和通信電纜進行鎧裝;考慮建設(shè)過程中所使用設(shè)備的 EMC問題,車站設(shè)備還應(yīng)安裝在可以隔離外部電磁干擾的房間內(nèi)。

2.系統(tǒng)和子系統(tǒng)的所有設(shè)計步驟須遵循電子系統(tǒng)內(nèi)部和外部接口的 EMC;展示系統(tǒng)的安全性和正常工作不受電磁干擾的影響,不會因此導(dǎo)致功能和數(shù)據(jù)的喪失及對無線通信的干擾;在干擾和抗干擾方面,考慮與相鄰的系統(tǒng)和設(shè)備的關(guān)系,以及建設(shè)過程中所使用設(shè)備的 EMC問題。

2.2 設(shè)計思路

1.設(shè)備安裝。每個設(shè)備都安裝在金屬機箱中,避免外部的電磁干擾;采用 EMC墊圈保證各部件接觸良好;所有的金屬部件按要求接地;金屬架被金屬覆蓋,內(nèi)部裝置接地,防止成為干擾信號的天線。電子設(shè)備放在屏蔽的機柜中,可以避免過多地對周圍電磁場環(huán)境造成影響。

2.外部電纜。保證都是屏蔽的,電纜的屏蔽層通過插頭與插座相連,保證屏蔽的連續(xù)性。

3.內(nèi)部電纜。設(shè)備內(nèi)部應(yīng)避免信號和電源電纜平行,必要時采用屏蔽電纜雙絞線對。

4.濾波器。AC/DC電源輸入端設(shè)計專門的電源線濾波器,信號輸入和輸出線上的濾波器可以限制干擾,并抑制瞬變和浪涌干擾。

5.印制電路板。在電路板布局時,需要評估EMC,保證不同類型的電路分離并互相屏蔽。

6.電路設(shè)計。邏輯電路和時鐘脈沖的上升時間應(yīng)盡可能縮短,以滿足功能要求。

7.系統(tǒng)劃分。系統(tǒng)中的每一個設(shè)備按照 EMC的影響,可分為關(guān)鍵部件和非關(guān)鍵部件。

8.光纖隔離器?？捎糜趦?nèi)外部線路的隔離。

9.接地原理和等電位。所有設(shè)備都需要通過適當?shù)姆绞浇颖Ｗo地,保護地與主接地系統(tǒng)之間需要有許多交叉點,這樣在故障情況下保證電壓的升高在安全范圍內(nèi),并且能提供足夠的接地故障電流。需要特別注意對抗氧化和耐腐蝕要求高的接地連接點,減少性能惡化的影響;設(shè)備房以及車站區(qū)域的所有金屬部件需要接地,特別是當屏蔽電纜和鎧裝電纜只在一端接地的情況下,接地連接可以避免形成大地回路。

2.3 電路板措施

EMC控制應(yīng)當從電路板級的設(shè)計開始,如果設(shè)計人員在較低的層次就提出 EMC問題的解決方案,則干擾問題就不會出現(xiàn)在較高的層面上。

1.電路板類型的選擇。取決于時鐘、數(shù)據(jù)的速率、封裝的密度、干擾要求的限值,以及滿足敏感性要求和價格。

2.在設(shè)計階段考慮的規(guī)則。接地平面是實現(xiàn)良好 EMC布局最有效的工具,可使用附加的接地去耦合線和平面。在整個開發(fā)周期中,選擇適當類型的板子可避免 EMC問題,多層板比 2層板好,2層板比單層板好。在多層板的邊緣使用一個接地帶。

3.電路板布局規(guī)則。良好的 EMC布局要求盡量縮短元件之間連線的長度,高頻的連線必須最短。如果同時存在模擬和數(shù)字電路,將模擬電路放在一個分離的區(qū)域,最好其四周圍繞一個接地區(qū)域。

4.連接器的插腳分配。這對于電纜中的信號去耦合也很重要。也就是說,高頻信號電纜應(yīng)當放在連接器的邊緣或在 2個接地級之間,至少 10%的插腳應(yīng)當是 0V,并交錯放在信號和時鐘插腳之間,信號和接地插腳也應(yīng)交錯布置;將接口和高速元件盡可能靠近連接器放置;I/O信號應(yīng)放在連接器的邊緣或在 2個 0V插腳之間。

電纜與屏蔽設(shè)備的連接需特別關(guān)注,非屏蔽電纜的終結(jié)對于提供足夠的屏蔽非常重要,因為周圍的干擾場可以由此進入屏蔽電纜。電纜是影響EMC質(zhì)量的重要因素,它在系統(tǒng)中長度最長,可形成接收和發(fā)射電磁波的最大環(huán)路面積。感應(yīng)產(chǎn)生的環(huán)路總電壓是環(huán)路中各小段電壓的總和,而雙絞線可以減少環(huán)路中的磁場耦合。因為每一小段雙絞線中,兩根線的感應(yīng)電流相位相反,可互相抵消,導(dǎo)致總電壓接近于零。屏蔽電纜是一種被廣泛用于減少 EMC影響的技術(shù),而同軸電纜是常被用于較高頻率的屏蔽電纜。

3 電磁兼容問題分析

依據(jù) EMC要求,將城軌中通信設(shè)備的安裝環(huán)境分為 4種區(qū)域。

1.區(qū)域 1(軌旁區(qū)域):在離最近鐵軌的中心線3m以內(nèi),或者與 30 m長的電纜相連,且距離軌道區(qū)域 3m以內(nèi)。這種環(huán)境比工業(yè)環(huán)境條件更惡劣。

2.區(qū)域 2(中心區(qū)域):設(shè)備沒有安放在軌旁區(qū)域或存在干擾噪聲源的特殊區(qū)域,這是工業(yè)環(huán)境。

3.區(qū)域 3(特殊區(qū)域):車站中存在電磁干擾噪聲源的特殊區(qū)域,其要求高于工業(yè)環(huán)境。

4.區(qū)域 4(居民區(qū)域):設(shè)備處于與居民區(qū)的干擾環(huán)境類似的區(qū)域,要求較低的工業(yè)環(huán)境。

應(yīng)根據(jù)設(shè)備所處的區(qū)域位置,確定設(shè)備的干擾限值和抗干擾性能要求,并進行分析處理。對于整個系統(tǒng)中存在電磁干擾問題時,需要具體問題具體分析。為減少 EMC相關(guān)的風險,地鐵環(huán)境可以采用可控和可接受的管理方式管理。表 1為存在的EMC風險的潛在區(qū)域。在項目的各階段,應(yīng)根據(jù)出現(xiàn)的風險和措施的進展狀況進行更新。

各個子系統(tǒng)的位置和所處的區(qū)域,可以作為判斷電磁兼容性要求的依據(jù)。在實施過程中,還應(yīng)制定電磁兼容控制文件,適用于通信建設(shè)系統(tǒng)開發(fā)各個階段,以保證整個通信系統(tǒng)的電磁兼容性。

表 1 電磁兼容分析表格示例

(責任編輯:諸 紅)