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铁路地面信号设备接地设计——铁路信号设备地线干扰抑制方法的研究(四)

铁路地面信号设备是列车运行的安全保障性关键设备,该设备现场抗电磁干扰能力的高低,直接关系到列车行驶与人民生命财产安全。因此,铁路地面信号设备的抗干扰设计极其重要。其中,接地设计是铁路地面信号设备电磁兼容设计中最复杂、最难掌握、最重要的电磁干扰抑制方法。本文结合铁路现场的电磁干扰情况,介绍了地线干扰抑制方法在铁路信号设备线缆屏蔽层的接地方面的实际应用。

本文是电子元件技术网网友原创博文《铁路信号设备地线干扰抑制方法的研究》系列第四章,全文从电气电子设备接地重要性与地线干扰形成机理入手,重点介绍电气电子设备接地点与接地方式选择、增加地环路阻抗、降低接地阻抗等方法,来消除公共阻抗耦合、地环路等地线干扰,实现电气电子设备良好的电磁兼容。最后,针对铁路现场电磁骚扰源特性与耦合方式,成功地将地线干扰抑制方法应用于某铁路信号设备的电磁兼容设计中。

全文第一章为:EMC接地的概念与分类 

全文第二章为:EMC地线干扰形成的机理 

全文第三章为:PCB设计中地线干扰抑制方法详解 

5 铁路地面信号设备接地设计

随着铁路电力系统自动化设备的广泛应用和技术的发展,设备越来越复杂,特别是模拟电路和数字电路混合的情况日渐增多、电路的工作频率愈来愈高,电磁兼容问题越来越突出。7.23动车追尾事故证明,铁路地面信号设备是列车运行的安全保障性关键设备,该设备现场抗电磁干扰能力的高低,直接关系到列车行驶与人民生命财产安全。


因此,铁路地面信号设备的抗干扰设计极其重要。其中,接地设计是铁路地面信号设备电磁兼容设计中最复杂、最难掌握、最重要的电磁干扰抑制方法。

5.1 铁路电磁干扰源

干扰源是电磁兼容问题的三要素之一,干扰源的研究,有利于铁路信号设备的电磁兼容设计与现场抗干扰问题的处理,铁路信号设备主要电磁干扰源:

(1)自然干扰源
自然干扰源是指由于大自然现象所造成的各种电磁噪声。雷电是最常见的电磁干扰源。雷电的强电磁脉冲干扰不仅可能通过电源线、输入输出线以及接地装置侵入系统,而且强脉冲电磁场会产生强大的感应过电压而严重干扰甚至损坏系统设备。

(2)放电现象
放电现象包括,静电放电、电晕放电、弧光放电等。其中,静电放电属于瞬态放电,电晕放电、弧光放电属于持续放电。
铁路电力系统中,电动机车过分相点、升降弓,以及受电弓与接触网接触不良等,均会引起的弧光放电。

(3)半导体器件开关过程引起的干扰。电动机车整流器件开关过程中,都存在着高的di/dt,它们通过线路或元器件的引线电感引起瞬态电磁噪声。其频率可高达几十千赫兹至几百千赫兹乃至几兆赫兹,成为不可忽视的噪声源。

(4)工频牵引电流
电动机车的工频电流可高达1000A,这么大的电流,会在钢轨或牵引电流接地线旁边,产生很高的地电位。

5.2 干扰耦合途径分析

典型的铁路地面信号设备主要由人机接口(如显示器、鼠标、键盘、打印机)、AC220V电源适配器、传感器、执行机构、工业控制计算机(包括A/D采集板卡、输出控制板卡等)、执行机构(指示灯、道岔转辙机等)组成,如下图所示:

图 21 铁路地面信号设备组成示意图
图 21 铁路地面信号设备组成示意图

其中传感器负责采集钢轨电流电压信号,以及车轮信息等;工业控制计算机对传感器采集的信号进行滤波、放大、运算等信息处理,获得准确的、实时地轨道交通信息,并控制室外执行机构动作。

电磁干扰主要通过空间辐射耦合或传导耦合的途径进入被干扰设备中,但由于铁路地面信号设备一般会安装在带屏蔽与防雷功能的信号机房或机柜中,空间辐射耦合对设备本身的影响很有限,它主要通过设备的外拖信号线缆接收空间的电磁波,并传导进入室内信号设备中。

由铁路地面信号设备组成示意图可知,AC220V电源线、传感器输入信号线缆、输出信号线缆、远程监控通信端口等,是电磁干扰进入铁路地面信号设备的主要耦合途径。

5.3 铁路信号设备接地设计

针对铁路信号设备电磁干扰的特点,通过合理的接地设计(浮地、隔离、滤波等)方法切断或改变电磁干扰流向,提高铁路信号设备的抗干扰性能。

在铁路信号设备中,接地设备须满足如下两点:

(1)接地系统具有很低的公共阻抗,使系统中各路电流,通过该公共阻抗产生的直接传导噪声电压最小。在有高频电流的场合,保证“信号地”对“大地”有较低的共模电压,使通过“信号地”产生的辐射噪声最低。

(2)保证地线与信号线构成的电流回路具有最小的面积,避免由地线构成“地回路”,使外界干扰磁场穿过该回路产生的差模干扰电压最小,同时,也避免地电位差通过地回路引起过大的地电流,造成传导干扰。

铁路信号设备一般会通过光电、磁电、混合接地等措施,来消除共阻抗耦合或地环路耦合等地线干扰:

(1)电源端口的隔离

外部电源通过电源隔离变压器或带隔离功能的UPS给铁路信号设备提供220V电源,设备与电网只有磁的耦合,无电的直接联系,实现电的隔离,消除了共阻抗耦合,增强系统对电网的抗干扰能力。

(2)开关量、模拟量的输入输出口要采用光电耦合器、变压器、继电器、共模扼流圈等隔离,切断地环路干扰。

其中,光电、磁电隔离由于器件存在寄生电容,主要应用于300KHZ以下的低频电磁干扰的抑制,其高频电磁干扰的衰减效果可能不佳,此时可在信号线缆上串联共模扼流圈,切断低频噪声与高频干扰的地环路干扰,提高设备I/O端口的抗干扰能力。

在以太网通信端口中,利用变压器的磁电隔离原理,切断低频电磁干扰的传播途径;利用共模电感或变压器中集成的共模扼流圈,能有效地增大高频电磁干扰的地环路阻抗,避免变压器的原边高频电磁干扰通过其原/副边的寄生电容传输副边或敏感芯片侧,此外,原边C12也起共模滤波作用。

以太网的高频/低频的共模或地环路干扰抑制方法如下图所示:

图 22 以太网的高频/低频共模干扰抑制方法

图 22 以太网的高频/低频共模干扰抑制方法

(3)远程监控设备通信端口,采用光纤通信,以加强接口的隔离度,提高信号传输的可靠性。
(4)设备接地点选择,应尽量远离大电流、高电压工作的电气设备,减少静电感应和电磁感应。
(5)信号线缆屏蔽层的接地

将信号线缆的屏蔽层两端分别接地,电力机车牵引电流造成的电位差,可能通过屏蔽层形成干扰电流,即地环路干扰,导致信号采集设备无法正常工作。

因此,为了消除工频牵引电流的地线干扰影响,通常会在设备(设备的接地点一般距离钢轨3米以上),将信号线缆屏蔽层单点接地。
如果屏蔽层采用单点接地的信号线缆,暴露在高频强电场中,也可能会感应出很高的干扰电压,引起设备功能失常,因此,对存在高频电磁干扰的应用场合,电缆屏蔽层需要双端接地。

针对上述问题,屏蔽层采用混合接地方案,即将轨道传感器侧的信号线缆的屏蔽层,通过10nF或4.7nF的高压电容旁路接地,设备侧的信号线缆屏蔽层采用单点接地,如下图所示:

图 23 信号线缆混合接地
图 23 信号线缆混合接地

实际经验证明,铁路信号线缆屏蔽的混合接地方法,既可以有效抑制工频牵引电流的地环路干扰,也来可靠地衰减高频电磁干扰对信号通道的不利影响。

(6)主控板的接地设计

工控机的主板为高速电路,在印制线路板上设置完整的地平面,缩短高速信号的回流径路,提高其信号完整性。主板地平面通过多个螺钉孔与一块完整的金属面板相连接,不仅可以抑制电路板对外部的电磁骚扰,还可以将I/O口引入的电磁干扰低阻抗的导向金属面板,避免其干扰敏感的主控芯片。

6 结论

本文概述了接地意义,公共阻抗耦合、地环路等地线干扰形成机理。根据地线干扰形成的机理差异,重点介绍了光电隔离、继电器隔离、磁电隔离、共模扼流圈隔离、单点接地、多点接地、浮地、混合接地等方法,在消除或抑制电气电子设备的地线干扰的应用原理。
最后,结合铁路现场的电磁干扰情况,介绍了地线干扰抑制方法在铁路信号设备线缆屏蔽层的接地方面的实际应用。

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