鐵路通信信號產品的電磁兼容檢測技術

范季陶 李天石 蘇立軒

范季陶:中國鐵道科學研究院通信信號研究所 副研究員 100081 北京

李天石:中國鐵道科學研究院通信信號研究所 助理研究員 100081 北京

蘇立軒:中國鐵道科學研究院通信信號研究所 助理研究員 100081 北京

隨著電氣、電子產品在鐵路系統的廣泛應用，各系統、設備之間的電磁兼容性顯得尤為重要。為保證系統的安全性、可靠性和穩定性，在鐵路通信、信號產品的市場準入中，電磁兼容性成為了一項極為重要的技術指標，各設備生產商的研發、設計及測試人員應在一定程度上掌握電磁兼容檢測技術。

1 電磁兼容概念及標準

電磁兼容(EMC，Electro Magnetic Compatibility)，是研究在有限的空間、時間、頻譜資源條件下，各種用電設備可以共存，并不引起其性能降級的一項技術。產品電磁兼容性指標包括EMI指標和EMS指標。EMI即電磁干擾度，是指設備在正常運行過程中，對所在環境產生的電磁干擾不能超過一定限值，即該設備的工作不能影響周圍其他設備的工作;EMS稱為電磁抗擾度或電磁敏感度，是指設備對所在環境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，是對周圍環境的適應能力，即設備能否在電磁環境中正常工作，能否抵御周圍的電磁干擾。

之前，TB/3073-2003《鐵道信號電氣設備電磁兼容性試驗及其限值》和TB/T3034-2002《機車車輛電氣設備電磁兼容性試驗及其限值》2項鐵路行業標準，普遍用于指導我國鐵路通信信號產品的電磁兼容檢測工作。之后，國標GB/T24338.5-2009《軌道交通——電磁兼容，第4部分:信號和通信設備的發射與抗擾度》和GB/T24338.4-2009《軌道交通——電磁兼容，第3-2部分:機車車輛設備》發布以后，成為我國鐵路通信信號產品電磁兼容檢測的主要依據。其中GB/T24338.5-2009主要對安裝在信號樓及軌旁的通信信號設備電磁兼容性指標進行規定;GB/T24338.4-2009主要對車載信號設備的電磁兼容性指標進行規定。

在上述標準中，鐵路通信信號設備的端口可分為機箱端口、電源端口、I/O端口和接地端口，其中電源端口又細分為交流、直流電源端口和蓄電池端口;I/O端口包括信號、通信、過程測量和控制端口等。常用EMI和EMS測試項目及對應的端口試驗等級如表1所示。

2 電磁兼容試驗

2.1 EMS抗擾度試驗

1．靜電放電抗擾度試驗。對機箱端口進行的試驗，是模擬帶靜電的人員或物體直接接觸設備，或接觸鄰近物體放電產生的對受試設備的干擾。靜電放電分為直接和間接放電。直接放電是對受試設備的外殼進行接觸放電或空氣放電;間接放電是通過耦合板對受試設備進行放電測試。直接放電試驗時，放電點位只施加在正常使用時，人員可以接觸到受試設備上的點和面，可對金屬外殼或螺絲釘施加接觸放電，對指示燈和縫隙施加空氣放電。

表1 鐵路通信信號產品常用電磁兼容測試項目及試驗等級描述

靜電放電試驗設備異常應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，產品在設計時，要保證設備可能的放電點位與外殼的電氣連續性，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，所述電氣連續性和接地均應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。它是為了驗證設備對來自切換瞬態過程(切換感性負載、繼電器觸電彈跳等)各種瞬變騷擾的抗擾度，其波形單個脈沖上升時間為5 ns，脈寬為50 ns，重復周期為5 kHz或100 kHz。該測試模擬了現實環境中電感性負載接通或斷開時在電網上產生的干擾。

對脈沖群抗擾度的防護技術可分為“疏”和“堵”2種辦法。“疏”是使用屏蔽電纜并良好接地，為干擾提供泄放回路，使其在進入系統之前泄放入地，也可以在線-地間安裝瞬態抑制器件(如TVS管);“堵”是使脈沖群濾除在設備之外，由于試驗波形上升沿很陡，包含了豐富的高頻成分，可采用磁環(或共模扼流圈)進行防護，通過改變磁環的繞線圈數，來改變磁環的阻抗特性，從而調整磁環的高頻濾波特性，起到很好的濾波效果。脈沖群抗擾度均以共模方式施加，使用屏蔽措施進行防護時，可采用360°環接方式，將屏蔽層可靠接地。

3．電涌(沖擊)抗擾度試驗。電涌抗擾度測試是評估受試設備對大能量電涌(沖擊)的抵御能力。一方面是模擬間接雷擊產生的強電流或強電磁場在線路上感應地電壓和電流;另一方面模擬切換瞬變，如大容量感性負載的通斷、主電源系統切換時產生的干擾等。電涌通常有2種組合波形，對于電源線和短距離信號線端口，應使用1.2/50 μs組合波發生器;對于通信端口，應使用10/700 μs組合波發生器。試驗時，電涌信號施加通過線-線(差模)、線-地(共模)2種方式。

系統對電涌防護最好是選用電涌抑制器，安裝、更換非常方便，且便于拆下進行絕緣測試。對于防護電壓的選擇，應在系統正常工作電壓以上，考慮電源電壓波動等因素，留有少許余量即可。在使用電涌抑制器時，要保證其接地良好，否則起不到保護作用，建議地線截面至少4mm2以上。

4．射頻場感應的傳導騷擾抗擾度試驗。射頻場感應的傳導騷擾是模擬受試設備抵御外部射頻發射機產生電磁場的抗干擾能力。雖然受試設備的外觀尺寸要比頻率較低的干擾波長小得多，但設備引線長度可能與干擾頻率的幾個波長相當，這樣設備引線就變成被動天線，接收射頻場的感應，形成傳導干擾侵入設備內部。

射頻場感應的傳導騷擾試驗頻率為150 kHz～80 MHz，試驗信號為用1 kHz正弦波對載頻進行80%的調幅。對于電源端口，通常采用耦合去耦網絡直接注入;對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。

射頻場感應的傳導騷擾對信號產品影響較大，是一項比較難通過的項目，經常造成通信中斷、設備死機、指示燈閃亮、繼電器誤動等問題。一般常用處理方法如下:在端口安裝磁環，磁環對高頻干擾有很好的抑制效果;使用屏蔽電纜，采用360°環接方式可靠接地，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，提高系統的電磁兼容性;當以上措施均不能有效解決時，可增加外屏蔽，將屏蔽層兩端接地，通過2次屏蔽濾除干擾。

5．射頻電磁場輻射抗擾度試驗。用于測試系統對射頻電磁干擾的抵抗能力，這些射頻干擾通常來自附近以電磁波原理工作的設備，如無線電臺、雷達等，也可能來自電焊機、晶閘管、熒光燈等設備的雜散輻射，測試頻率通常在80 MHz～1 GHz。近年來，由于無線電話等發射裝置的使用顯著增加，為保護設備抵抗數字無線電話的干擾，在800～960 MHz和1.4～2 GHz頻段內規定了新的試驗要求。

射頻電磁波進入設備的途徑有2種:一是直接通過孔縫耦合進入系統電路;另一種是端口電纜充當了接收天線。因此最好的抑制方法是屏蔽，對外殼的散熱孔采用通風波導的方式，對端口線纜采用屏蔽線并良好接地，也可以在機柜入口處安裝磁環。另外，盡量使用平衡電路傳輸信號，布線時注意線路的對稱性。

6．工頻、脈沖磁場抗擾度試驗。工頻磁場抗擾度一般模擬電網中大功率設備運行時，產生的穩態強工頻電磁場;脈沖磁場抗擾度一般模擬電力設備故障、雷擊等產生的瞬態脈沖磁場，2項測試都比較容易通過。只有利用磁感應原理工作的器件，才比較容易受到磁場的影響。對于這些系統，應注意系統的屏蔽完整性，并可靠接地。

7．電壓暫降、短時中斷和電壓變化抗擾度試驗。電壓暫降、短時中斷是由電網、變電設施故障或接入電網的負荷突然出現大的變化引起的;電壓變化是由連接到電網中的負荷連續變化引起的。該測試對電源端口進行，一般鐵路信號產品都配有在線式UPS，測試容易通過，沒有UPS的系統需設計儲能電路，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

1．電源端口傳導發射測試。檢驗的是設備通過電源線向供電網絡發射電磁干擾的強度是否超過了限值，限值超標會對電網產生污染，對使用同一電網中的其他設備產生干擾。該項測試時，使用人工電源網絡(AMN)串入設備電源線，測試150 kHz～30 MHz的傳導騷擾，如果測試超標，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，需要選擇合適的電壓等級和功率，要按標準的濾波器安裝方法進行安裝，其輸入、輸出引線應分別走線，嚴禁交叉，以避免線間耦合，使過濾后的電源被再次污染。濾波器的接地應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，電源端口如需進行電涌、脈沖群等抗擾度實驗時，應考慮濾波器的選型能否耐受。

2．輻射發射測試。檢驗設備以電磁輻射的形式向空間發射的干擾強度是否超過限值，是否會對周圍的電磁敏感設備產生影響，目前測試頻率為30 MHz～1 GHz。解決輻射發射問題最有效的方法是屏蔽，應將系統內部的輻射源封裝在屏蔽外殼中，在進、出端口上進行濾波或隔離，進出線盡量采用屏蔽線并雙端接地，測試時將多余的輸入、輸出線放置在機柜中，減少引出線的長度，且引出線不要直接放置在地板上，否則其輻射的能量經大地反射后會被測試天線接收。另外還要注意輔助設備產生的輻射影響，可將輔助設備放置在吸波材料的后方。

3 結束語

通過介紹鐵路通信信號產品在電磁兼容檢測中經常遇到的測試項目、問題和常用的整改方案，希望能夠對相關產品的研發、測試人員有所幫助。鐵路通信信號產品的電磁兼容性是影響鐵路系統安全性、穩定性和可靠性的重要指標，是產品市場準入的必要條件，鐵路通信信號產品在獲準(認定、認證)進入市場之前必須要通過嚴格的電磁兼容測試，之后還需定期接受監督抽查測試以保證持續滿足技術要求，各設備生產商的研發、設計及測試人員應在一定程度上掌握電磁兼容檢測技術。

［1］中華人民共和國.GB/T24338.4-2009軌道交通電磁兼容.第3－2部分:機車車輛設備［S］．2009.

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

［3］尚開明．電磁兼容(EMC)設計與測試［M］．北京:電子工業出版社，2013.

［4］沙斐．機電一體化系統的電磁兼容技術［M］．北京:中國電力出版社，1999.