城軌通信網電磁兼容性分析

賈賢業

近幾年來,我國電磁兼容技術發展較快,在城軌通信網中對電磁兼容性的要求也越來越高。根據上海城軌 9號線通信建設經驗,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.傳導耦合:干擾源和被干擾電路共享一個傳導通道。

5.電磁輻射:電路結構以天線的方式接收和發送能量。

某一時刻,可以有不止一種的耦合機制。

在地鐵環境中,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備,已知的噪聲源有:牽引電路、開關操作引入的電感負載,半導體閘流管等用于開關模式的半導體元件,大電流導體,熒光燈、霓虹燈、廣播、便攜式無線電收發機、滑動觸點、導電弓產生的電弧和瞬變電流、廣播電感線圈等。

2 電磁兼容設計

2.1 性能要求

1.所有電子系統應遵循 EMC規范。電子設備外殼接地;為避免地電流影響,必要時電源系統不接地;屏蔽或鎧裝軌道旁設備和信號電纜;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、列車和軌旁設備采用抑制措施;對于敏感電路采用瞬變脈沖抑制設備;遵循國內、國際無線設備標準;敏感電子設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;考慮建設過程中所使用設備的 EMC問題,車站設備還應安裝在可以隔離外部電磁干擾的房間內。

2.系統和子系統的所有設計步驟須遵循電子系統內部和外部接口的 EMC;展示系統的安全性和正常工作不受電磁干擾的影響,不會因此導致功能和數據的喪失及對無線通信的干擾;在干擾和抗干擾方面,考慮與相鄰的系統和設備的關系,以及建設過程中所使用設備的 EMC問題。

2.2 設計思路

1.設備安裝。每個設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,內部裝置接地,防止成為干擾信號的天線。電子設備放在屏蔽的機柜中,可以避免過多地對周圍電磁場環境造成影響。

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,保證屏蔽的連續性。

3.內部電纜。設備內部應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.電路設計。邏輯電路和時鐘脈沖的上升時間應盡可能縮短,以滿足功能要求。

7.系統劃分。系統中的每一個設備按照 EMC的影響,可分為關鍵部件和非關鍵部件。

8.光纖隔離器。可用于內外部線路的隔離。

9.接地原理和等電位。所有設備都需要通過適當的方式接保護地,保護地與主接地系統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,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;設備房以及車站區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控制應當從電路板級的設計開始,如果設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在較高的層面上。

1.電路板類型的選擇。取決于時鐘、數據的速率、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.在設計階段考慮的規則。接地平面是實現良好 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字電路,將模擬電路放在一個分離的區域,最好其四周圍繞一個接地區域。

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信號應放在連接器的邊緣或在 2個 0V插腳之間。

電纜與屏蔽設備的連接需特別關注,非屏蔽電纜的終結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質量的重要因素,它在系統中長度最長,可形成接收和發射電磁波的最大環路面積。感應產生的環路總電壓是環路中各小段電壓的總和,而雙絞線可以減少環路中的磁場耦合。因為每一小段雙絞線中,兩根線的感應電流相位相反,可互相抵消,導致總電壓接近于零。屏蔽電纜是一種被廣泛用于減少 EMC影響的技術,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 EMC要求,將城軌中通信設備的安裝環境分為 4種區域。

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

2.區域 2(中心區域):設備沒有安放在軌旁區域或存在干擾噪聲源的特殊區域,這是工業環境。

3.區域 3(特殊區域):車站中存在電磁干擾噪聲源的特殊區域,其要求高于工業環境。

4.區域 4(居民區域):設備處于與居民區的干擾環境類似的區域,要求較低的工業環境。

應根據設備所處的區域位置,確定設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相關的風險,地鐵環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風險的潛在區域。在項目的各階段,應根據出現的風險和措施的進展狀況進行更新。

各個子系統的位置和所處的區域,可以作為判斷電磁兼容性要求的依據。在實施過程中,還應制定電磁兼容控制文件,適用于通信建設系統開發各個階段,以保證整個通信系統的電磁兼容性。

表 1 電磁兼容分析表格示例

(責任編輯:諸 紅)