鐵路通信信號(hào)產(chǎn)品的電磁兼容檢測(cè)技術(shù)

范季陶 李天石 蘇立軒

范季陶:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 副研究員 100081 北京

李天石:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 助理研究員 100081 北京

蘇立軒:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院通信信號(hào)研究所 助理研究員 100081 北京

隨著電氣、電子產(chǎn)品在鐵路系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，各系統(tǒng)、設(shè)備之間的電磁兼容性顯得尤為重要。為保證系統(tǒng)的安全性、可靠性和穩(wěn)定性，在鐵路通信、信號(hào)產(chǎn)品的市場(chǎng)準(zhǔn)入中，電磁兼容性成為了一項(xiàng)極為重要的技術(shù)指標(biāo)，各設(shè)備生產(chǎn)商的研發(fā)、設(shè)計(jì)及測(cè)試人員應(yīng)在一定程度上掌握電磁兼容檢測(cè)技術(shù)。

1 電磁兼容概念及標(biāo)準(zhǔn)

電磁兼容(EMC，Electro Magnetic Compatibility)，是研究在有限的空間、時(shí)間、頻譜資源條件下，各種用電設(shè)備可以共存，并不引起其性能降級(jí)的一項(xiàng)技術(shù)。產(chǎn)品電磁兼容性指標(biāo)包括EMI指標(biāo)和EMS指標(biāo)。EMI即電磁干擾度，是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中，對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定限值，即該設(shè)備的工作不能影響周?chē)渌O(shè)備的工作;EMS稱為電磁抗擾度或電磁敏感度，是指設(shè)備對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，是對(duì)周?chē)h(huán)境的適應(yīng)能力，即設(shè)備能否在電磁環(huán)境中正常工作，能否抵御周?chē)碾姶鸥蓴_。

之前，TB/3073-2003《鐵道信號(hào)電氣設(shè)備電磁兼容性試驗(yàn)及其限值》和TB/T3034-2002《機(jī)車(chē)車(chē)輛電氣設(shè)備電磁兼容性試驗(yàn)及其限值》2項(xiàng)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，普遍用于指導(dǎo)我國(guó)鐵路通信信號(hào)產(chǎn)品的電磁兼容檢測(cè)工作。之后，國(guó)標(biāo)GB/T24338.5-2009《軌道交通——電磁兼容，第4部分:信號(hào)和通信設(shè)備的發(fā)射與抗擾度》和GB/T24338.4-2009《軌道交通——電磁兼容，第3-2部分:機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備》發(fā)布以后，成為我國(guó)鐵路通信信號(hào)產(chǎn)品電磁兼容檢測(cè)的主要依據(jù)。其中GB/T24338.5-2009主要對(duì)安裝在信號(hào)樓及軌旁的通信信號(hào)設(shè)備電磁兼容性指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定;GB/T24338.4-2009主要對(duì)車(chē)載信號(hào)設(shè)備的電磁兼容性指標(biāo)進(jìn)行規(guī)定。

在上述標(biāo)準(zhǔn)中，鐵路通信信號(hào)設(shè)備的端口可分為機(jī)箱端口、電源端口、I/O端口和接地端口，其中電源端口又細(xì)分為交流、直流電源端口和蓄電池端口;I/O端口包括信號(hào)、通信、過(guò)程測(cè)量和控制端口等。常用EMI和EMS測(cè)試項(xiàng)目及對(duì)應(yīng)的端口試驗(yàn)等級(jí)如表1所示。

2 電磁兼容試驗(yàn)

2.1 EMS抗擾度試驗(yàn)

1．靜電放電抗擾度試驗(yàn)。對(duì)機(jī)箱端口進(jìn)行的試驗(yàn)，是模擬帶靜電的人員或物體直接接觸設(shè)備，或接觸鄰近物體放電產(chǎn)生的對(duì)受試設(shè)備的干擾。靜電放電分為直接和間接放電。直接放電是對(duì)受試設(shè)備的外殼進(jìn)行接觸放電或空氣放電;間接放電是通過(guò)耦合板對(duì)受試設(shè)備進(jìn)行放電測(cè)試。直接放電試驗(yàn)時(shí)，放電點(diǎn)位只施加在正常使用時(shí)，人員可以接觸到受試設(shè)備上的點(diǎn)和面，可對(duì)金屬外殼或螺絲釘施加接觸放電，對(duì)指示燈和縫隙施加空氣放電。

表1 鐵路通信信號(hào)產(chǎn)品常用電磁兼容測(cè)試項(xiàng)目及試驗(yàn)等級(jí)描述

靜電放電試驗(yàn)設(shè)備異常應(yīng)主要從放電回路中查找原因。放電電荷總是從阻抗最小的路徑通過(guò)，產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)，要保證設(shè)備可能的放電點(diǎn)位與外殼的電氣連續(xù)性，并將外殼可靠接地。由于靜電放電電流波形很窄，頻率分量很高，所述電氣連續(xù)性和接地均應(yīng)滿足高頻條件下的低阻抗要求。

2．電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)。它是為了驗(yàn)證設(shè)備對(duì)來(lái)自切換瞬態(tài)過(guò)程(切換感性負(fù)載、繼電器觸電彈跳等)各種瞬變騷擾的抗擾度，其波形單個(gè)脈沖上升時(shí)間為5 ns，脈寬為50 ns，重復(fù)周期為5 kHz或100 kHz。該測(cè)試模擬了現(xiàn)實(shí)環(huán)境中電感性負(fù)載接通或斷開(kāi)時(shí)在電網(wǎng)上產(chǎn)生的干擾。

對(duì)脈沖群抗擾度的防護(hù)技術(shù)可分為“疏”和“堵”2種辦法?！笆琛笔鞘褂闷帘坞娎|并良好接地，為干擾提供泄放回路，使其在進(jìn)入系統(tǒng)之前泄放入地，也可以在線-地間安裝瞬態(tài)抑制器件(如TVS管);“堵”是使脈沖群濾除在設(shè)備之外，由于試驗(yàn)波形上升沿很陡，包含了豐富的高頻成分，可采用磁環(huán)(或共模扼流圈)進(jìn)行防護(hù)，通過(guò)改變磁環(huán)的繞線圈數(shù)，來(lái)改變磁環(huán)的阻抗特性，從而調(diào)整磁環(huán)的高頻濾波特性，起到很好的濾波效果。脈沖群抗擾度均以共模方式施加，使用屏蔽措施進(jìn)行防護(hù)時(shí)，可采用360°環(huán)接方式，將屏蔽層可靠接地。

3．電涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn)。電涌抗擾度測(cè)試是評(píng)估受試設(shè)備對(duì)大能量電涌(沖擊)的抵御能力。一方面是模擬間接雷擊產(chǎn)生的強(qiáng)電流或強(qiáng)電磁場(chǎng)在線路上感應(yīng)地電壓和電流;另一方面模擬切換瞬變，如大容量感性負(fù)載的通斷、主電源系統(tǒng)切換時(shí)產(chǎn)生的干擾等。電涌通常有2種組合波形，對(duì)于電源線和短距離信號(hào)線端口，應(yīng)使用1.2/50 μs組合波發(fā)生器;對(duì)于通信端口，應(yīng)使用10/700 μs組合波發(fā)生器。試驗(yàn)時(shí)，電涌信號(hào)施加通過(guò)線-線(差模)、線-地(共模)2種方式。

系統(tǒng)對(duì)電涌防護(hù)最好是選用電涌抑制器，安裝、更換非常方便，且便于拆下進(jìn)行絕緣測(cè)試。對(duì)于防護(hù)電壓的選擇，應(yīng)在系統(tǒng)正常工作電壓以上，考慮電源電壓波動(dòng)等因素，留有少許余量即可。在使用電涌抑制器時(shí)，要保證其接地良好，否則起不到保護(hù)作用，建議地線截面至少4mm2以上。

4．射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗(yàn)。射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾是模擬受試設(shè)備抵御外部射頻發(fā)射機(jī)產(chǎn)生電磁場(chǎng)的抗干擾能力。雖然受試設(shè)備的外觀尺寸要比頻率較低的干擾波長(zhǎng)小得多，但設(shè)備引線長(zhǎng)度可能與干擾頻率的幾個(gè)波長(zhǎng)相當(dāng)，這樣設(shè)備引線就變成被動(dòng)天線，接收射頻場(chǎng)的感應(yīng)，形成傳導(dǎo)干擾侵入設(shè)備內(nèi)部。

射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)頻率為150 kHz～80 MHz，試驗(yàn)信號(hào)為用1 kHz正弦波對(duì)載頻進(jìn)行80%的調(diào)幅。對(duì)于電源端口，通常采用耦合去耦網(wǎng)絡(luò)直接注入;對(duì)于其他不便于直接注入的端口(如CAN線、串口線)，可采用電磁鉗注入。

射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾對(duì)信號(hào)產(chǎn)品影響較大，是一項(xiàng)比較難通過(guò)的項(xiàng)目，經(jīng)常造成通信中斷、設(shè)備死機(jī)、指示燈閃亮、繼電器誤動(dòng)等問(wèn)題。一般常用處理方法如下:在端口安裝磁環(huán)，磁環(huán)對(duì)高頻干擾有很好的抑制效果;使用屏蔽電纜，采用360°環(huán)接方式可靠接地，最好采用雙端接地;在端口安裝濾波器并可靠接地;采取隔離措施，提高系統(tǒng)的電磁兼容性;當(dāng)以上措施均不能有效解決時(shí)，可增加外屏蔽，將屏蔽層兩端接地，通過(guò)2次屏蔽濾除干擾。

5．射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)。用于測(cè)試系統(tǒng)對(duì)射頻電磁干擾的抵抗能力，這些射頻干擾通常來(lái)自附近以電磁波原理工作的設(shè)備，如無(wú)線電臺(tái)、雷達(dá)等，也可能來(lái)自電焊機(jī)、晶閘管、熒光燈等設(shè)備的雜散輻射，測(cè)試頻率通常在80 MHz～1 GHz。近年來(lái)，由于無(wú)線電話等發(fā)射裝置的使用顯著增加，為保護(hù)設(shè)備抵抗數(shù)字無(wú)線電話的干擾，在800～960 MHz和1.4～2 GHz頻段內(nèi)規(guī)定了新的試驗(yàn)要求。

射頻電磁波進(jìn)入設(shè)備的途徑有2種:一是直接通過(guò)孔縫耦合進(jìn)入系統(tǒng)電路;另一種是端口電纜充當(dāng)了接收天線。因此最好的抑制方法是屏蔽，對(duì)外殼的散熱孔采用通風(fēng)波導(dǎo)的方式，對(duì)端口線纜采用屏蔽線并良好接地，也可以在機(jī)柜入口處安裝磁環(huán)。另外，盡量使用平衡電路傳輸信號(hào)，布線時(shí)注意線路的對(duì)稱性。

6．工頻、脈沖磁場(chǎng)抗擾度試驗(yàn)。工頻磁場(chǎng)抗擾度一般模擬電網(wǎng)中大功率設(shè)備運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)工頻電磁場(chǎng);脈沖磁場(chǎng)抗擾度一般模擬電力設(shè)備故障、雷擊等產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖磁場(chǎng)，2項(xiàng)測(cè)試都比較容易通過(guò)。只有利用磁感應(yīng)原理工作的器件，才比較容易受到磁場(chǎng)的影響。對(duì)于這些系統(tǒng)，應(yīng)注意系統(tǒng)的屏蔽完整性，并可靠接地。

7．電壓暫降、短時(shí)中斷和電壓變化抗擾度試驗(yàn)。電壓暫降、短時(shí)中斷是由電網(wǎng)、變電設(shè)施故障或接入電網(wǎng)的負(fù)荷突然出現(xiàn)大的變化引起的;電壓變化是由連接到電網(wǎng)中的負(fù)荷連續(xù)變化引起的。該測(cè)試對(duì)電源端口進(jìn)行，一般鐵路信號(hào)產(chǎn)品都配有在線式UPS，測(cè)試容易通過(guò)，沒(méi)有UPS的系統(tǒng)需設(shè)計(jì)儲(chǔ)能電路，依靠電源模塊中的大電容和電感維持輸出電壓。

2.2 EMI電磁干擾試驗(yàn)

1．電源端口傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試。檢驗(yàn)的是設(shè)備通過(guò)電源線向供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)射電磁干擾的強(qiáng)度是否超過(guò)了限值，限值超標(biāo)會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染，對(duì)使用同一電網(wǎng)中的其他設(shè)備產(chǎn)生干擾。該項(xiàng)測(cè)試時(shí)，使用人工電源網(wǎng)絡(luò)(AMN)串入設(shè)備電源線，測(cè)試150 kHz～30 MHz的傳導(dǎo)騷擾，如果測(cè)試超標(biāo)，最有效的解決辦法是安裝電源濾波器，也可以采用隔離變壓器，但成本較高。

使用濾波器時(shí)，需要選擇合適的電壓等級(jí)和功率，要按標(biāo)準(zhǔn)的濾波器安裝方法進(jìn)行安裝，其輸入、輸出引線應(yīng)分別走線，嚴(yán)禁交叉，以避免線間耦合，使過(guò)濾后的電源被再次污染。濾波器的接地應(yīng)使用短而粗的接地銅線，最好將濾波器的外殼和接地平面良好接觸。另外，電源端口如需進(jìn)行電涌、脈沖群等抗擾度實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)考慮濾波器的選型能否耐受。

2．輻射發(fā)射測(cè)試。檢驗(yàn)設(shè)備以電磁輻射的形式向空間發(fā)射的干擾強(qiáng)度是否超過(guò)限值，是否會(huì)對(duì)周?chē)碾姶琶舾性O(shè)備產(chǎn)生影響，目前測(cè)試頻率為30 MHz～1 GHz。解決輻射發(fā)射問(wèn)題最有效的方法是屏蔽，應(yīng)將系統(tǒng)內(nèi)部的輻射源封裝在屏蔽外殼中，在進(jìn)、出端口上進(jìn)行濾波或隔離，進(jìn)出線盡量采用屏蔽線并雙端接地，測(cè)試時(shí)將多余的輸入、輸出線放置在機(jī)柜中，減少引出線的長(zhǎng)度，且引出線不要直接放置在地板上，否則其輻射的能量經(jīng)大地反射后會(huì)被測(cè)試天線接收。另外還要注意輔助設(shè)備產(chǎn)生的輻射影響，可將輔助設(shè)備放置在吸波材料的后方。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)介紹鐵路通信信號(hào)產(chǎn)品在電磁兼容檢測(cè)中經(jīng)常遇到的測(cè)試項(xiàng)目、問(wèn)題和常用的整改方案，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)產(chǎn)品的研發(fā)、測(cè)試人員有所幫助。鐵路通信信號(hào)產(chǎn)品的電磁兼容性是影響鐵路系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性和可靠性的重要指標(biāo)，是產(chǎn)品市場(chǎng)準(zhǔn)入的必要條件，鐵路通信信號(hào)產(chǎn)品在獲準(zhǔn)(認(rèn)定、認(rèn)證)進(jìn)入市場(chǎng)之前必須要通過(guò)嚴(yán)格的電磁兼容測(cè)試，之后還需定期接受監(jiān)督抽查測(cè)試以保證持續(xù)滿足技術(shù)要求，各設(shè)備生產(chǎn)商的研發(fā)、設(shè)計(jì)及測(cè)試人員應(yīng)在一定程度上掌握電磁兼容檢測(cè)技術(shù)。

［1］中華人民共和國(guó).GB/T24338.4-2009軌道交通電磁兼容.第3－2部分:機(jī)車(chē)車(chē)輛設(shè)備［S］．2009.

［2］中華人民共和國(guó).GB/T24338.5-2009軌道交通電磁兼容第4部分:信號(hào)和通信設(shè)備的發(fā)射與抗擾度［S］．2009.

［3］尚開(kāi)明．電磁兼容(EMC)設(shè)計(jì)與測(cè)試［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2013.

［4］沙斐．機(jī)電一體化系統(tǒng)的電磁兼容技術(shù)［M］．北京:中國(guó)電力出版社，1999.