地铁列车电磁干扰的处理- 『集成电路(IC)电磁兼容(EMC)和电磁干扰(EMI ...企业库|免费b2b网站

地铁列车电磁干扰的处理- 『集成电路(IC)电磁兼容(EMC)和电磁干扰(EMI ...

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摘要本文从基础理论上详细介绍了现在地铁列车中造成电磁干扰的原因，以及对电磁于扰的处理办法及注意事项，并列举了部分实际情况进行例证。
关键词电磁兼容;干扰;接地;屏蔽;滤波
随着科学技术的发展，电子和电气设备密度急剧增加，系统设备的电磁兼容性越来越重要。在地铁环境区域内，除了地铁列车的电气设备，还存在无线发射站等多种无线电磁干扰源。此外，其它机电设备，如显示器、开关电源等都将产生电磁干扰。所有这些$ A( z+ S3 @! U( B5 `
将导致地铁环境内电气设备空间的电磁环境相当恶劣，可能会导致地铁设备误动作，甚至出现系统通讯网络频繁出现故障，网络降级运行，电子元器件受到损坏8 h9 y3 Z1 O  N( m1 m! q1 C
等情况。为了使系统达到电磁兼容，必须以系统的电磁环境为依据，要求每个用电设备不产生超过一定限度的电磁辐射，同时又要求它具有一定的抗干扰能力。
只有对每个设备做这两方面的约束，才能保证系统达到xx兼容。8 G8 |4 b* I& k( i: P
地铁中电磁兼容性是指系统设备在电磁环境内正常工作以及对其它设备不构成电磁干扰的性能。干扰源一般有列车电力牵引逆变器、辅助电源逆变器、电机、广播通信发射设备、计算机设备、照明等。地铁环境中实际的机电设备均具有较大的惯性时间常数，' [: V4 t7 Q9 o; v+ x  k+ w2 N
较容易受到电磁干扰的设备有数据通讯干线、信号输入、信号输出、计算机、控制器、显示器等。针对地铁环境内的电磁干扰，采用接地、屏蔽、滤波等处理方法，来{zd0}可能减少地铁的电磁干扰对设备的影响。
1改善接地系统
合理的接地是最经济有效的电磁兼容设计技术，在设计的一开始就考虑布局与地线是解决EMI问题最廉价有效的方法。设计良好的地线系统并不会增加成本，既能提高抗扰度，又能够减少干扰发射。对于电力电子设备，将接地线直接接人大地或接在一个作为
参考电位的导体上，当电流通过该参考电位时，不应产生电压降。$ \' l# v: p  I& |1 y8 h6 V
根据地线中干扰形成机理，改善接地系统方法可归结为以下两点:
W尽量降低系统接地阻抗和电源馈线阻抗;
(2)正确选择接地方式和阻隔地环路。地铁环境中实际的机电设备一般属于低频电路，适用单点接地。为防止工频电流及其他杂散电流在信号地线上各点之间产生地电位差，信号地线与电源及安全地线隔离，在电源线接地处单点连接。! l# c/ K- b/ e% D, _3 I* j( ?
1.1接地方式的分类8 r3 P, K3 w$ d: @) r- F
地铁车站沿线的主变压器处作可靠的单点接地，确保接地阻抗达到电气规范要求，同时将接地点引出到屏蔽笼子的外面，保证地电位为零电位，xx因电荷泄漏不xx而出现地电位漂浮的现象。单点接地是把整个电路系统中某一结构点作为接地基准点，其他# n( H+ g- Y1 {9 _+ ^
各单元的信号地连接到这一点上，接地方法见图1,图2。多点接地是指设备或分系统中各个接地点都直接接到距它最近的接地面上，使引线长度最短，接地方法见图3。由于多点接地系统中存在着各种地线回路，它们对于设备内较低电平的信号单元可能产生不) I8 S! \4 \9 `' L! ^/ B% F
良影响，为此需要采取混合接地。根据不同的工作频率采用相应的接地方式，接地方法见图40) u) w: F6 B* y1 x/ y- n  V* W
1.2接地系统设计准则8 x+ J' D2 K* X  Q) \
(1)对工作频率很宽的系统要用混合接地。
(2)出现地线环路问题时，可用浮地隔离(如变压器、光电)。
(3)所有接地线要短。' Y- a" ?7 W& a: l5 R+ X
(4)接地线要导电良好，避免高阻性。+ v; P& ~8 Q" b* k/ ^" N" {' [
(5)对信号线、信号回线、电源系统回线及底板- Z4 Y5 E! g3 Y0 W0 a
或机壳都要有单独的接地系统，或者有单独的接地回线，以减少对其他电路的瞬态祸合。1 I) a9 }6 J7 a
(6)低电平电路的接地线必须交叉的地方，要使导线互相垂直。

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(}>使用平衡差分电路，以尽量减少接地电路干: R' ^4 O( s5 {0 L7 H8 a5 s- k
扰的影响。
(8>交流线、直流线不能绑扎在一起。端接电缆0 x8 R& ~$ J1 f/ \9 A% J, |
屏蔽层时，避免使用屏蔽层辫状引出线。需要用同轴$ @4 x% f* m% a1 M; O) {& _( C
电缆传输信号时，要通过屏蔽层提供信号回路。低频2 C1 \! |9 M% b
电路可在信号源端单点接地，高频电路则采用多点接% H5 l4 d& y, r9 o* i# g) F! o
地。屏蔽层接地不能用辫状接地，而应当让屏蔽层包
裹芯线，然后再让屏蔽层360。接地。0 C+ D/ v" p# J3 r
(9)从安全出发，测试设备的地线直接与被测设- R6 v, y& |  W0 R, r4 k- I
备的地线连接，要确保接地连接装置能应付意外的故+ B, T5 d/ c& d, t' J; U
障电流。在室外终端接地时，要能承受雷击电流的冲' @, g( i. y" g8 n( S0 F7 j
击。
广州地铁四号线的应答器天线受干扰严重，致使  n8 f" Z  Q4 L$ _0 T
无法正常工作，将应答器天线出线处的电缆接头进行( f4 e; s; A: r6 O$ Z; N8 y
屏蔽接地处理后，受干扰程度明显减弱，这就体现出5 w. p; ^- O7 q# R) \* o
合理的接地方式可以有效提高系统的电磁兼容性。
2屏蔽3 x: o, x& R7 x1 k+ O3 y
屏蔽就是对两个空间区域之间采用屏蔽体进行隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。屏蔽是提高电子系统和电子设备电磁兼容性的重要措施之一，它能有效的抑制通过空间传播的各种电磁干扰。屏蔽既可阻止或减少电子设
备内部的辐射电磁能对外的传输，又可阻止或减少外部辐射电磁能对电子设备的影响。运用主动屏蔽的方式，大部分的电磁兼容的问题都可以通过电磁屏蔽解决。屏蔽通常包括两种:一种是电场屏蔽，主要用于防止静电场和恒定磁场的影响;另一种是电磁屏蔽，) O7 ?/ G: b) [" v# Q9 r/ T3 o
主要用于防止交变场、交变磁场及交变电磁场的影响。
2.1电场屏蔽的设计应注意问题
(1)屏蔽板以靠近受保护物为好，而且屏蔽板的接地必须良好;
(2)屏蔽板的形状对屏蔽效能的高低有明显影响，0 X% Q+ J7 O+ y
全封闭的金属盒{zh0}，但是工程中很难做到;
(3)屏蔽板的材料为良导体，但对厚度无要求，2 e- M- I0 N9 |! u/ \$ ?- s" v
只要有足够的强度既可。& I. |4 U4 E! c$ _7 J/ g2 d% g
2.2磁场屏蔽的设计应注意问题
磁场屏蔽通常只是指直流或低频磁场的屏蔽，其
屏蔽效能远不如电场屏蔽和电磁屏蔽，磁场屏蔽是系
统集成工程的重点。磁场屏蔽时应注意以下几点:* N& v9 _1 f! T9 L8 _3 e
(1)磁屏蔽体应选用高磁导率的铁磁性材料，如
坡莫合金，以防止磁饱和。
(2)被屏蔽的物体不要安排在紧靠屏蔽体的位置，/ W+ m: {1 B* n6 R; {: T5 M
以尽量减少通过被屏蔽物体体内的磁通;被屏蔽物与
屏蔽体内壁应留有一定的间隙，防止磁短路现象发生。6 ^; X* [$ ~- O$ k
(3)可增加屏蔽体壁厚，以减少屏蔽体的磁阻。- R+ S! s" F: ^2 B# ^
单层屏蔽体壁厚不宜超过1.5 mm，若单层屏蔽体的屏! h( n0 H! f9 b
蔽效果不好，可采用双层屏蔽甚至三层屏蔽，也可防/ r  F# p$ z; }3 c: b# [
止磁饱和。
(4)注意屏蔽体的结构设计，凡接缝、通风孔等均可能增加屏蔽体磁阻，从而降低屏蔽效果。应使屏蔽体的接缝与孔洞的长边平行与磁场分布的方向，现在地铁车上屏蔽体需要开缝的地方都尽量开小圆孔，圆孔的排列方向要使磁路增加量最小，目的是尽可能4 N' S# K( A9 s7 q$ Y4 @
不阻断磁通的通过。7 H+ p. J# Q, B8 S
(5)屏蔽体加工成型后都要进行退火处理。
(6)从磁屏蔽的激机理而言，屏蔽体不需接地，
但为了防止电场感应，一般还是要接地。
(7)对于强磁场的屏蔽可采用双层磁屏蔽体的结构，则屏蔽体的外层选用不易饱和的材料，如硅钢;而内部可选用容易达到饱和的高导磁材料，如坡莫合金等;反之，如果要屏蔽内部强磁场时，则材料的排列次序要倒过来。在安装内、外两层屏蔽体时，要注6 P9 X# n3 h6 g
意彼此的绝缘。当没有接地要求时，可用绝缘材料做支撑件。若需要接地时，可选用非铁磁材料(如铜、铝)做支撑件。+ U8 K& R5 ^4 R9 y& f
一般来说，磁屏蔽不需要接地，但为防止电场感应，还是接地为好。电磁场在通过金属或对电磁场有衰减作用的阻挡时，会受到一定程度的衰减，即产生对电磁场的屏蔽作用。在地铁车辆上的设备，可通过设备的金属外壳来实现屏蔽，金属外壳要做好接地。
3采用光电技术! ~% Y+ R1 D9 O  @2 C, }" q$ i3 ~
光电技术不但可以较好地解决传输距离的问题，还可实现测量电路的隔离和干扰信号的滤波，有效地切断地回路的干扰，避免地线与其它线路形成环路，产生感应电势，影响测量精度和系统通信。地铁环境内重要的信息通道，如通迅信号系统、火灾报警系统、自动售票系统、车站设备监控系统等重要的信息传输通& _( k+ Y+ I8 y2 M  J" p( r

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道，采用光纤作为传输媒介，以避免电磁效应对主要长距离传输信息通道的影响。通讯网络干线采用光纤接口连接器件，并在接口处进行有效地屏蔽处理，xxxx了电磁干扰的影响。' _' @& |+ f, m: K
4滤波处理技术
滤波指将各类信号按照频率特性分类并控制他们的方向，是对某些频率点范围内的信号提供传输极点，而对另一些频率点范围内的信号提供传输零点的技术。; M' X" ~ ]1 n+ ^
滤波是抑制干扰和防止干扰的一项重要措施，采用滤波技术可以显著减少传导干扰的电平，因为干扰频谱成分不等于有用信号的频率，滤波对于这些与有用信号频率不同的成分有良好的抑制能力，从而起到其他抗干扰抑制技术难以起到的作用。所以，采用滤波网络无论抑制干扰源和xx干扰祸合，或是增强接受设备的抗干扰能力，都是有力的措施。4 T4 l9 @7 {; X7 a
4.1滤波器工作原理及分类
滤波技术的基本功能是选择信号和抑制干扰，为实现这两大功能而设计的网络都称为滤波器。滤波器的工作原理是在电磁波的传输路径上形成很大的特性阻抗不连续，将电磁波中的大部分能量反射回源处。常用的滤波器有低通滤波器、高通滤波器和带通滤波$ w& k% t; o7 r
器。低通滤波器用在接人交流电源线上，旨在让50 Hz的交流电顺利通过，将其他高频噪声导人大地。高通、带通滤波器则应根据系统中对信号的处理要求选择使用(图5)07 {6 R5 U2 |1 L3 r1 X, g
滤波是抑制传导干扰最直接有效的办法。另外，由于良好的滤波抑制了干扰源的泄漏，所以对辐射干扰的抑制也会起到良好的效果。车辆的牵引逆变器、辅助电源装置的设计均采用滤波技术，有效抑制对外界的辐射干扰。
4.2滤波器安装注意事项7 H h; B* m/ O6 Z3 ]
滤波器的安装质量对实际衰减特性影响很大，只有正确的安装才能获得预期的衰减特性。滤波器的安装应遵循:
(1)电源供电线的滤波器应安装在设备或屏蔽壳沐的电源人口处，并予以屏蔽。9 \8 T" J' |8 e8 p5 }! J( j. T1 W
(2)滤波器中电容器引线应尽可能短，以免其感抗与容抗在较低频率上谐振。电容器和其他元件间应正交安装，减小相互藕合。' X. M2 O6 ~! F2 A! `7 s: L" P1 @
(3)滤波器要进行良好的接地。
(4)焊接在同一插座上的每根导线都必须进行滤波，否则会破坏滤波器的有效性。
(5)滤波器的输入和输出引线之间应予以屏蔽，更不得往返交叉，否则输人和输出引线之间的祸合将导致滤波器抑制特性下降。. U# `5 R8 X8 j. \4 Y; K1 H$ m1 u
广州地铁四号线前照灯电源初期的产品电源品质不够好，输出的纹波不够稳定，为了提高其电源品质，在电源的输出端及输人端增加电容滤波装置，经过这些滤波装置的滤波后，再检测其电源品质，就有明显改善，输出纹波较以前稳定，输出电压幅值变化较小。这说明增加合理的滤波装置也可以提高系统的电磁兼容性。: D+ \2 d! |9 T9 c
还有一个很好的例子就是广州地铁四号线三菱的SN和VWF的电磁辐射过大，不符合EN50121标准。于是我们与三菱共同对SN和VWF进行整改，使其电磁兼容性达到合格标准。
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(4)我们对整车采取措施，将直线电机处的电机6 {7 Y1 y$ c. X# x
电缆用铜丝屏蔽网缠绕屏蔽，然后在屏蔽网外面再用
铝箔屏蔽体包扎，并最终将铜丝屏蔽网和铝箔屏蔽体
可靠接地;同时SIV直流输人和输出电缆采用铝箔分
别包扎，并进行可靠接地。
在SIV内部中增加电容和铁氧体进行滤波，对其外部的电缆增加屏蔽层并进行可靠接地，降低了对外界的电磁辐射。整改以后，整车的电磁兼容性达到EN50121标准，这说明合理的滤波与屏蔽措施是解决设备电磁兼容性问题很好的途径。
S线间藕合
在电子设备中线间藕合也是造成干扰的重要原因，因为频率的因素，可大体分为高频祸合与低频祸合。
因祸合方式不同，其整改方法也不同，具体如下:! o$ `: ~) @* o
5.1低频祸合2 a; Q! v7 H$ B7 C
低频祸合是指导线长度等于或小于1/161(波长)的情况，低频祸合又可分为电场藕合和磁场藕合，电
场祸合的物理模型是电容祸合，磁场祸合的物理模型
是电感祸合。因此在走线时应尽量减小或破坏藕合量。
具体方法有:
(1)增大电路间距来减小分布电容和线间互感;
(2)强电电缆与弱电电缆分离进行综合布线;
(3)采用屏蔽电缆，并使屏蔽层单点接地，能有" S0 @0 L/ [& Y  _9 ^* J
效地抑制低频电场干扰;
(4)追加滤波器可减小两电路间的祸合量;
(5)降低输入阻抗。例如CMOS电路的输人阻抗
很高，对电场干扰极其敏感，可在允许范围内在输入  t% G( V  \4 c/ D6 c
端并接一个电容或阻值较低的电阻;. ~2 `3 q8 ~' K- F  o( J
(6)若有可能，尽量使敏感回路与源回路平面正6 {6 J8 ?' v- D: ^( g9 [$ \/ x
交或接近正交来降低两电路的祸合量。
5.2高频揭合
高频祸合是指长于1/4a(波长)的走线。由于电) E+ X- h7 H6 ^0 M6 ]
路中出现电压和电流的驻波，会使祸合量增强，可采' z. G% f. p+ T; r' m5 i( E
用下述办法加以解决:
(1)尽离缩短接地线，与外壳接地尽量采用面接5 S) E2 V* Y2 H3 S+ Z0 W
触的方式;, \/ m  C* m7 x! n& w% u- D
(2)重新整理滤波器的输入输出线，防止输入输出线间祸合，确保滤波器的滤波效果不变差;
(3)屏蔽电缆屏蔽层采用多点接地;4 V$ u7 h  {  _9 M  M+ Y0 q
(4)将连接器的悬空插针接到地电位，防止天线效应。
‘结束语
地铁电磁兼容技术涉及的范围很宽，包括工程学、自然科学、医学、经济学、社会学等多方面的基础科学理论，且其理论体系也有一定的特殊性。随着地铁技术的迅速发展，电子技术的应用广泛，地铁电磁兼容造成的方方面面问题也日益凸显出来，电磁兼容工作渗透到每一个电气、电子系统及设备中，只有通过总体设计部门管理协调，才能最终解决电磁兼容问题。' e. ^* ^+ [  S9 K: R3 P! {2 i! f

  在地铁车辆的电磁兼容设计中，合理的布线，使受干扰源和干扰源尽可能远离;输出与输人端口妥善分隔;高电压电缆及脉冲引线与低电压电缆分别敷设。
牵引逆变器、辅助逆变器输出的DC和AC主电源线，应当与其他传输线分开布线。优化线路布局，尤其高频连接线尽量短，接地电阻尽量小，必要时再加上适当的屏蔽和滤波等措施。就可以很好的解决现阶段地车列车中存在的电磁干扰问题。

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