城轨通信网电磁兼容性分析

贾贤业

近几年来,我国电磁兼容技术发展较快,在城轨通信网中对电磁兼容性的要求也越来越高。根据上海城轨 9号线通信建设经验,对电磁兼容性进行如下分析,并提出判断和处理电磁干扰问题的方法。

1 城轨环境中的干扰

如果噪声源的电压和电流与控制电路的线缆或元件之间存在某种耦合,那么干扰源的电磁噪声就将被耦合到被干扰电路,产生电磁干扰。耦合的形式存在以下 5种可能。

1.电容耦合:电路中电压的变化,通过互连的电容传递到被干扰电路。

2.电感耦合:电路中电流的变化,通过互感传递到被干扰电路。

3.静电耦合:充电的物体向被干扰物体放电。

4.传导耦合:干扰源和被干扰电路共享一个传导通道。

5.电磁辐射:电路结构以天线的方式接收和发送能量。

某一时刻,可以有不止一种的耦合机制。

在地铁环境中,主要的电子噪声源是会引起快速和大幅度电压或电流变化的电子或电机设备,已知的噪声源有:牵引电路、开关操作引入的电感负载,半导体闸流管等用于开关模式的半导体元件,大电流导体,荧光灯、霓虹灯、广播、便携式无线电收发机、滑动触点、导电弓产生的电弧和瞬变电流、广播电感线圈等。

2 电磁兼容设计

2.1 性能要求

1.所有电子系统应遵循 EMC规范。电子设备外壳接地;为避免地电流影响,必要时电源系统不接地;屏蔽或铠装轨道旁设备和信号电缆;电源电路和信号电路分开;当线路与电力线路平行时,按需采用抗电磁干扰的光纤传送视频和音频信号;针对感性电路、列车和轨旁设备采用抑制措施;对于敏感电路采用瞬变脉冲抑制设备;遵循国内、国际无线设备标准;敏感电子设备的供电采用特殊电源;对于屏蔽电缆,在两端使用连接端子,并对每个端点的信号和通信电缆进行铠装;考虑建设过程中所使用设备的 EMC问题,车站设备还应安装在可以隔离外部电磁干扰的房间内。

2.系统和子系统的所有设计步骤须遵循电子系统内部和外部接口的 EMC;展示系统的安全性和正常工作不受电磁干扰的影响,不会因此导致功能和数据的丧失及对无线通信的干扰;在干扰和抗干扰方面,考虑与相邻的系统和设备的关系,以及建设过程中所使用设备的 EMC问题。

2.2 设计思路

1.设备安装。每个设备都安装在金属机箱中,避免外部的电磁干扰;采用 EMC垫圈保证各部件接触良好;所有的金属部件按要求接地;金属架被金属覆盖,内部装置接地,防止成为干扰信号的天线。电子设备放在屏蔽的机柜中,可以避免过多地对周围电磁场环境造成影响。

2.外部电缆。保证都是屏蔽的,电缆的屏蔽层通过插头与插座相连,保证屏蔽的连续性。

3.内部电缆。设备内部应避免信号和电源电缆平行,必要时采用屏蔽电缆双绞线对。

4.滤波器。AC/DC电源输入端设计专门的电源线滤波器,信号输入和输出线上的滤波器可以限制干扰,并抑制瞬变和浪涌干扰。

5.印制电路板。在电路板布局时,需要评估EMC,保证不同类型的电路分离并互相屏蔽。

6.电路设计。逻辑电路和时钟脉冲的上升时间应尽可能缩短,以满足功能要求。

7.系统划分。系统中的每一个设备按照 EMC的影响,可分为关键部件和非关键部件。

8.光纤隔离器。可用于内外部线路的隔离。

9.接地原理和等电位。所有设备都需要通过适当的方式接保护地,保护地与主接地系统之间需要有许多交叉点,这样在故障情况下保证电压的升高在安全范围内,并且能提供足够的接地故障电流。需要特别注意对抗氧化和耐腐蚀要求高的接地连接点,减少性能恶化的影响;设备房以及车站区域的所有金属部件需要接地,特别是当屏蔽电缆和铠装电缆只在一端接地的情况下,接地连接可以避免形成大地回路。

2.3 电路板措施

EMC控制应当从电路板级的设计开始,如果设计人员在较低的层次就提出 EMC问题的解决方案,则干扰问题就不会出现在较高的层面上。

1.电路板类型的选择。取决于时钟、数据的速率、封装的密度、干扰要求的限值,以及满足敏感性要求和价格。

2.在设计阶段考虑的规则。接地平面是实现良好 EMC布局最有效的工具,可使用附加的接地去耦合线和平面。在整个开发周期中,选择适当类型的板子可避免 EMC问题,多层板比 2层板好,2层板比单层板好。在多层板的边缘使用一个接地带。

3.电路板布局规则。良好的 EMC布局要求尽量缩短元件之间连线的长度,高频的连线必须最短。如果同时存在模拟和数字电路,将模拟电路放在一个分离的区域,最好其四周围绕一个接地区域。

4.连接器的插脚分配。这对于电缆中的信号去耦合也很重要。也就是说,高频信号电缆应当放在连接器的边缘或在 2个接地级之间,至少 10%的插脚应当是 0V,并交错放在信号和时钟插脚之间,信号和接地插脚也应交错布置;将接口和高速元件尽可能靠近连接器放置;I/O信号应放在连接器的边缘或在 2个 0V插脚之间。

电缆与屏蔽设备的连接需特别关注,非屏蔽电缆的终结对于提供足够的屏蔽非常重要,因为周围的干扰场可以由此进入屏蔽电缆。电缆是影响EMC质量的重要因素,它在系统中长度最长,可形成接收和发射电磁波的最大环路面积。感应产生的环路总电压是环路中各小段电压的总和,而双绞线可以减少环路中的磁场耦合。因为每一小段双绞线中,两根线的感应电流相位相反,可互相抵消,导致总电压接近于零。屏蔽电缆是一种被广泛用于减少 EMC影响的技术,而同轴电缆是常被用于较高频率的屏蔽电缆。

3 电磁兼容问题分析

依据 EMC要求,将城轨中通信设备的安装环境分为 4种区域。

1.区域 1(轨旁区域):在离最近铁轨的中心线3m以内,或者与 30 m长的电缆相连,且距离轨道区域 3m以内。这种环境比工业环境条件更恶劣。

2.区域 2(中心区域):设备没有安放在轨旁区域或存在干扰噪声源的特殊区域,这是工业环境。

3.区域 3(特殊区域):车站中存在电磁干扰噪声源的特殊区域,其要求高于工业环境。

4.区域 4(居民区域):设备处于与居民区的干扰环境类似的区域,要求较低的工业环境。

应根据设备所处的区域位置,确定设备的干扰限值和抗干扰性能要求,并进行分析处理。对于整个系统中存在电磁干扰问题时,需要具体问题具体分析。为减少 EMC相关的风险,地铁环境可以采用可控和可接受的管理方式管理。表 1为存在的EMC风险的潜在区域。在项目的各阶段,应根据出现的风险和措施的进展状况进行更新。

各个子系统的位置和所处的区域,可以作为判断电磁兼容性要求的依据。在实施过程中,还应制定电磁兼容控制文件,适用于通信建设系统开发各个阶段,以保证整个通信系统的电磁兼容性。

表 1 电磁兼容分析表格示例

(责任编辑:诸 红)