電磁兼容設計在鐵路信號設備中的應用

劉尚峰

（北京鐵路信號有限公司，北京 102613）

1 概述

隨著用戶需求的增加，鐵路信號設備能夠實現的功能越來越多，多種設備集成到一套產品中也成為了廠家的賣點，正因如此，導致設備內外的電磁環境日趨惡化，所以電磁兼容性能是鐵路信號設備設計中需要解決的關鍵問題。

電磁兼容（EMC）是指設備自身產生的電磁干擾信號（EMI）及其抵抗電磁干擾（EMS）的能力，它是衡量設備質量的重要指標之一。EMC的設計規則就像交通規則一樣。盡管不遵守交通法規可能不會導致交通事故，但風險將不可避免地增加。EMC設計也是如此，不遵守規則可能會通過測試，但是如果不遵守這些規則，失敗的風險也將不可避免地增加。因此，在產品設計中引入風險意識是非常有必要的。

2 產品設計

2.1 結構設計與EMC

2.1.1 結構設計方式

良好的結構設計是解決EMC問題的關鍵手段，在進行產品電磁兼容結構設計前除了要充分考慮設備要面臨的電磁干擾源和電磁干擾途徑外，還要同時分析電磁屏蔽的措施，通過屏蔽材料、優化結構布局等措施最大限度降低外部的電磁干擾和內部的輻射發射量。設備中結構屏蔽設計如下。

1）屏蔽設計的關鍵是電氣連續性，具有全封閉的金屬殼體是最優化連續性的屏蔽體。但是在實際應用中這一點很難實現，通常會存在出線孔、散熱孔等，因此如何合理地設計散熱孔、出線孔也是屏蔽設計的一大要點。屏蔽體結構設計盡量保持簡潔，除去必要的通風孔外，避免不必要的其他孔洞和額外的縫隙。通風孔采用圓孔并陣列排放設計，避免開細長孔。

2）屏蔽件對內部電磁波和外部的干擾電磁波均能起到吸收能量、抵消能量和反射能量的作用，因此屏蔽體具有降低干擾的功能。通常采用屏蔽件將設備、線纜乃至整個系統包圍起來，以盡量隔絕設備內外的電磁干擾信號。

3）為了減少縫隙的輻射泄漏，需使用屏蔽材料對組匣、單板、機柜結構件的縫隙處進行屏蔽，較為常用的屏蔽材料是指形彈簧或金屬屏蔽條等，用來處理縫隙。其中連接器的電纜也應采用帶有屏蔽的連接器，以更好地對機箱進行屏蔽。

2.1.2 結構設計案例

1）問題描述

在對某產品進行輻射發射試驗時，輻射值超過限定值導致測試不通過。

2）問題排查

檢查柜內設備、線纜接地是否可靠，將設備接地線調整至最短；

重新整理產品柜內、柜外線纜走線，將電源線、信號線、地線盡量拉開距離；

在完成以上整改后重新進行試驗，輻射值雖然有所降低但依然未通過試驗。隨后分別在機柜柜門打開和關閉的情況下進行輻射發射試驗，結果輻射值基本一致，可以確定機柜結構未起到屏蔽效果。為使產品設計更為美觀，機柜的主體結構及內部結構件均噴涂了顏色為428C的絕緣漆，導致機柜結構屏蔽效果較差、輻射泄漏較多。機柜結構噴漆設計如圖1所示。

圖1 噴漆結構示意Fig.1 Schematic diagram of painting structure

3）解決方案

將機柜的主體結構和大部分內部結構件由普通噴漆鋼板改為鍍鋁鋅板如圖2所示，雖然此方案成本較高，但能夠大幅提高產品的屏蔽性能。隨后在新柜體基礎上進行裝配，重新進行輻射發射試驗，最終輻射值低于限定值，通過了輻射發射試驗。

圖2 鍍鋁鋅板示意Fig.2 Schematic diagram of aluminized zinc plate

2.2 線纜設計與EMC

2.2.1 線纜設計方式

線纜是產品中必不可少的組成部分，每個產品都少不了線纜，然而產品的孔縫會影響系統的屏蔽性能，因此如何降低孔縫泄漏的干擾是線纜設計的重點。在設備工作時線纜會產生輻射干擾，主要是線纜與設備的連接處容易出現電磁泄漏，所以此處也是需要重點關注的地方。產品在進行設計時，電磁發射比較強的設備信號線纜要進行特殊處理，如RS-422、CAN通信、網絡通信等。線纜最好采用雙絞屏蔽線，產品結構采用屏蔽處理，以保證產品外殼的導電連續性，提高整個系統的屏蔽性能。提升線纜的電磁兼容效果主要有以下幾種方式。

1）通過屏蔽連接器轉接，該方式的屏蔽效果主要取決于插頭的屏蔽效果，為了增強線纜的屏蔽效果，需配合使用屏蔽線纜并將線纜屏蔽層與插頭銜接處進行可靠連接。在系統外應用時，應盡量多點接地，以減小不必要的電磁耦合和串擾的不良影響。

2）信號線纜接地，選用屏蔽電纜線，為確保更好的電磁屏蔽效果，屏蔽網編織覆蓋率應盡量大，線纜屏蔽層盡量采用360°可靠環接的接地方式。

3）在電路中安裝濾波器，即電源電路中串接電源濾波器，信號線采用信號線濾波器進行連接。此種方式不僅可以濾波，又可達到屏蔽效果。安裝濾波器時需要將濾波器外殼緊緊的與設備外殼連接在一起，此舉可以增加濾波效果。若線纜較多時，此方式成本會比較高。

2.2.2 線纜設計案例

1）問題描述

在對某產品的輸入線纜進行電快速脈沖群測試時，出現了設備對信號的誤采現象，導致試驗不通過。

2）問題排查

對輸入線纜重新進行接地調整，保證其屏蔽層接地面積盡量充分；

整理輸入線纜走線，保證輸入線纜與其他線纜盡量空間隔離；

在完成以上整改后重新進行試驗，但是誤采現象依然存在。隨后將輸入線纜屏蔽層與其他線纜屏蔽層進行對比，發現其屏蔽層密度較為稀疏，如圖3所示。

圖3 低密度屏蔽層線纜Fig.3 Low density shield cable

3）解決方案

如圖4所示，將原屏蔽層密度為40%的線纜更換為屏蔽層密度為75%的線纜重新進行試驗，誤采現象消失，最終通過試驗。

圖4 高密度屏蔽層線纜Fig.4 High density shield cable

2.3 裝配設計與EMC

2.3.1 裝配設計方式

對于產品的電磁兼容設計，設備的裝配也是重點之一。在進行系統結構設計時，設備的布局也要依據一定原則，將較重的設備放置于機柜的下方，如UPS、工控機、電源模塊等設備，將重量較輕的設備放置在機柜的上方，如板卡、顯示器、交換機等設備。電磁發射較強的設備應布局在離地比較近的位置，如圖5所示。

圖5 機柜布置示意Fig.5 Cabinet layout

在產品設計中，設備的種類、數量、結構、安裝位置都已經固定。但配線沒有固定，線纜可以走左邊線槽，也可以走右邊的線槽，從不同路徑走線，相應的抗干擾性是不一樣的。系統設備的配線一般分為電源線、信號線和地線，每種線纜在空間上應拉開距離，避免對線纜交叉耦合。電源線一般從機柜的后視左側進入機柜，經過浪涌保護、濾波后為設備供電。經浪涌保護、濾波隔離前的電源線嚴禁與濾波、防雷隔離后的電源線交叉、綁扎在一起。對于浪涌保護器的使用原則為在系統的入口處安裝，以保護系統設備。其中浪涌保護器的接地宜采用較粗的導線（建議截面積為4 mm2以上），并直接連至接地銅排，如圖6所示。

圖6 電源端子排布置示意Fig.6 Power terminal block layout

2.3.2 裝配設計案例

1）問題描述

在對某產品進行輻射發射試驗時，輻射值超過限定值，導致測試不通過。

2）問題排查

檢查柜內設備、線纜接地是否可靠，將設備接地線調整至最短后重新進行測試，但是輻射值降低有限，試驗依然未通過；

檢查產品柜內、柜外線纜走線，發現機柜風扇安裝在機柜頂部，而其電源線則連接至最下方的電源端子排。電源線從最底部到最頂部貫穿整個機柜，其間與通信信號線綁扎在一起，如圖7所示。違背了電源線與通信信號線分開走線的原則，線纜集中綁扎的方式易造成線間耦合，出現輻射值超標的現象。

圖7 線纜集中綁扎示意Fig.7 Schematic diagram of cable concentrated binding

3）解決方案

如圖8所示，對線纜布置進行整改，將信號線與電源線空間上進行隔離、分開綁扎，隨后重新進行測試，最終輻射值達標，通過試驗。

圖8 線纜單獨綁扎示意Fig.8 Schematic diagram of cable separated binding

2.4 接地設計與EMC

2.4.1 接地設計方式

良好的接地設計是解決EMC問題最便宜、最有效的方法。接地原則是路徑短、導電面積大，接地設計不僅可以提高抗干擾度,還能降低電磁發射。接地在實際應用中相當復雜，從電路參考點的角度來看，接地可以分為浮地、單點接地、多點接地和混合接地。

1）浮地是將電路或設備與可能引起環流的公共接地或公共導線隔離，使設備的接地系統與殼體結構電氣絕緣。其優點是電路不受大地電氣特性的影響。浮地會使電源接地（強電接地）和信號接地（弱電接地）之間的隔離電阻非常大，可以避免電磁干擾從接地電路耦合至設備中。浮地的缺點是容易產生靜電積聚和靜電放電,在雷電環境下，可能會在單元電路和機箱間產生飛弧,甚至使操作人員造成電擊。為避免此問題，需要在浮地設備和地間接入大電阻進行放電。當設備采用浮地設計時，如果電網相線和機箱短路，則有觸電的危險。因此在實際應用中，除非是大地或系統附近有強干擾電流或是系統無法接地，通常不采用浮地方式。

2）單點接地是指在一個電路中僅存在一點被定義為接地參考點，而所有需要接地的設備都通過該點接地。其優點是接地不易產生回路。產品是否采用單點接地，主要由系統工作的信號頻率以及地線長度決定，即L/λ，公式為L/λ=L×f/c，L代表地線長度/m；λ代表信號波長/m，c代表電磁場的傳播速度/（m/s），f代表設備的工作頻率/Hz；當L/λ≤0.1時，宜采用單點接地。所以，低頻設備適用單點接地，應用頻率通常在300 kHz以內。

3）多點接地是指產品中每個設備都直接與大地連接，此方法為所有設備均直接提供了一條低阻抗路徑。系統中的每個接地點都需要連接到最靠近它的大地，以使接地線的長度最短。因為接地導線的電感與頻率和長度成正比，因此在工作頻率較高時，公共接地阻抗會增加，從而增加了由接地阻抗產生的電磁干擾，所以要求地線長度盡可能短。一般來說，當電路的工作頻率高于10 MHz時，應采用多點接地。

4）混合接地是單點接地與多點接地的結合。如果電路工作的頻帶較寬，則低頻設備需采用單點接地，而高頻設備需要進行多點接地，所以此時最適宜采取混合的方式。在復雜的系統中，簡單的接地方式已經不能滿足電磁兼容的需要。所以，產品應用中混合接地更為普遍。混合接地的應用頻率在50 kHz ～ 10 MHz 范圍內。

2.4.2 接地設計案例

1）問題描述

在對某產品電源端口進行傳導發射測試時，由于測試值超過限定值導致測試不通過。

2）問題排查

整理該電源端口電源線，盡量將濾波前和濾波后的電源線拉開距離，整改后測試值雖有好轉但并未通過試驗；

更換該電源端口的濾波器重新進行測試，測試值基本與更換前一致；

檢查濾波器接地，發現濾波器接地并不可靠，濾波器外殼并未與機柜結構完全搭接，如圖9所示，導致輻射不能有效瀉放。

圖9 改造前示意Fig.9 Schematic before modification

3）解決方案

更改濾波器安裝方式：截斷導軌，將濾波器直接安裝在端子安裝板上，如圖10所示，使濾波器與屏蔽安裝板充分接觸，擴充瀉放通道。隨后重新進行試驗，最終輻射值符合標準。

圖10 改造后示意Fig.10 Schematic after modification

3 結語

在自然界中，EMI無所不在，無論采取什么措施，都無法完全消除EMI的影響。只能通過全面考慮各種限制因素，并將其對鐵路信號設備的影響降至最低。