铁路通信信号产品的电磁兼容检测技术

范季陶 李天石 苏立轩

范季陶:中国铁道科学研究院通信信号研究所 副研究员 100081 北京

李天石:中国铁道科学研究院通信信号研究所 助理研究员 100081 北京

苏立轩:中国铁道科学研究院通信信号研究所 助理研究员 100081 北京

随着电气、电子产品在铁路系统的广泛应用，各系统、设备之间的电磁兼容性显得尤为重要。为保证系统的安全性、可靠性和稳定性，在铁路通信、信号产品的市场准入中，电磁兼容性成为了一项极为重要的技术指标，各设备生产商的研发、设计及测试人员应在一定程度上掌握电磁兼容检测技术。

1 电磁兼容概念及标准

电磁兼容(EMC，Electro Magnetic Compatibility)，是研究在有限的空间、时间、频谱资源条件下，各种用电设备可以共存，并不引起其性能降级的一项技术。产品电磁兼容性指标包括EMI指标和EMS指标。EMI即电磁干扰度，是指设备在正常运行过程中，对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定限值，即该设备的工作不能影响周围其他设备的工作;EMS称为电磁抗扰度或电磁敏感度，是指设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，是对周围环境的适应能力，即设备能否在电磁环境中正常工作，能否抵御周围的电磁干扰。

之前，TB/3073-2003《铁道信号电气设备电磁兼容性试验及其限值》和TB/T3034-2002《机车车辆电气设备电磁兼容性试验及其限值》2项铁路行业标准，普遍用于指导我国铁路通信信号产品的电磁兼容检测工作。之后，国标GB/T24338.5-2009《轨道交通——电磁兼容，第4部分:信号和通信设备的发射与抗扰度》和GB/T24338.4-2009《轨道交通——电磁兼容，第3-2部分:机车车辆设备》发布以后，成为我国铁路通信信号产品电磁兼容检测的主要依据。其中GB/T24338.5-2009主要对安装在信号楼及轨旁的通信信号设备电磁兼容性指标进行规定;GB/T24338.4-2009主要对车载信号设备的电磁兼容性指标进行规定。

在上述标准中，铁路通信信号设备的端口可分为机箱端口、电源端口、I/O端口和接地端口，其中电源端口又细分为交流、直流电源端口和蓄电池端口;I/O端口包括信号、通信、过程测量和控制端口等。常用EMI和EMS测试项目及对应的端口试验等级如表1所示。

2 电磁兼容试验

2.1 EMS抗扰度试验

1．静电放电抗扰度试验。对机箱端口进行的试验，是模拟带静电的人员或物体直接接触设备，或接触邻近物体放电产生的对受试设备的干扰。静电放电分为直接和间接放电。直接放电是对受试设备的外壳进行接触放电或空气放电;间接放电是通过耦合板对受试设备进行放电测试。直接放电试验时，放电点位只施加在正常使用时，人员可以接触到受试设备上的点和面，可对金属外壳或螺丝钉施加接触放电，对指示灯和缝隙施加空气放电。

表1 铁路通信信号产品常用电磁兼容测试项目及试验等级描述

静电放电试验设备异常应主要从放电回路中查找原因。放电电荷总是从阻抗最小的路径通过，产品在设计时，要保证设备可能的放电点位与外壳的电气连续性，并将外壳可靠接地。由于静电放电电流波形很窄，频率分量很高，所述电气连续性和接地均应满足高频条件下的低阻抗要求。

2．电快速瞬变脉冲群抗扰度试验。它是为了验证设备对来自切换瞬态过程(切换感性负载、继电器触电弹跳等)各种瞬变骚扰的抗扰度，其波形单个脉冲上升时间为5 ns，脉宽为50 ns，重复周期为5 kHz或100 kHz。该测试模拟了现实环境中电感性负载接通或断开时在电网上产生的干扰。

对脉冲群抗扰度的防护技术可分为“疏”和“堵”2种办法。“疏”是使用屏蔽电缆并良好接地，为干扰提供泄放回路，使其在进入系统之前泄放入地，也可以在线-地间安装瞬态抑制器件(如TVS管);“堵”是使脉冲群滤除在设备之外，由于试验波形上升沿很陡，包含了丰富的高频成分，可采用磁环(或共模扼流圈)进行防护，通过改变磁环的绕线圈数，来改变磁环的阻抗特性，从而调整磁环的高频滤波特性，起到很好的滤波效果。脉冲群抗扰度均以共模方式施加，使用屏蔽措施进行防护时，可采用360°环接方式，将屏蔽层可靠接地。

3．电涌(冲击)抗扰度试验。电涌抗扰度测试是评估受试设备对大能量电涌(冲击)的抵御能力。一方面是模拟间接雷击产生的强电流或强电磁场在线路上感应地电压和电流;另一方面模拟切换瞬变，如大容量感性负载的通断、主电源系统切换时产生的干扰等。电涌通常有2种组合波形，对于电源线和短距离信号线端口，应使用1.2/50 μs组合波发生器;对于通信端口，应使用10/700 μs组合波发生器。试验时，电涌信号施加通过线-线(差模)、线-地(共模)2种方式。

系统对电涌防护最好是选用电涌抑制器，安装、更换非常方便，且便于拆下进行绝缘测试。对于防护电压的选择，应在系统正常工作电压以上，考虑电源电压波动等因素，留有少许余量即可。在使用电涌抑制器时，要保证其接地良好，否则起不到保护作用，建议地线截面至少4mm2以上。

4．射频场感应的传导骚扰抗扰度试验。射频场感应的传导骚扰是模拟受试设备抵御外部射频发射机产生电磁场的抗干扰能力。虽然受试设备的外观尺寸要比频率较低的干扰波长小得多，但设备引线长度可能与干扰频率的几个波长相当，这样设备引线就变成被动天线，接收射频场的感应，形成传导干扰侵入设备内部。

射频场感应的传导骚扰试验频率为150 kHz～80 MHz，试验信号为用1 kHz正弦波对载频进行80%的调幅。对于电源端口，通常采用耦合去耦网络直接注入;对于其他不便于直接注入的端口(如CAN线、串口线)，可采用电磁钳注入。

射频场感应的传导骚扰对信号产品影响较大，是一项比较难通过的项目，经常造成通信中断、设备死机、指示灯闪亮、继电器误动等问题。一般常用处理方法如下:在端口安装磁环，磁环对高频干扰有很好的抑制效果;使用屏蔽电缆，采用360°环接方式可靠接地，最好采用双端接地;在端口安装滤波器并可靠接地;采取隔离措施，提高系统的电磁兼容性;当以上措施均不能有效解决时，可增加外屏蔽，将屏蔽层两端接地，通过2次屏蔽滤除干扰。

5．射频电磁场辐射抗扰度试验。用于测试系统对射频电磁干扰的抵抗能力，这些射频干扰通常来自附近以电磁波原理工作的设备，如无线电台、雷达等，也可能来自电焊机、晶闸管、荧光灯等设备的杂散辐射，测试频率通常在80 MHz～1 GHz。近年来，由于无线电话等发射装置的使用显著增加，为保护设备抵抗数字无线电话的干扰，在800～960 MHz和1.4～2 GHz频段内规定了新的试验要求。

射频电磁波进入设备的途径有2种:一是直接通过孔缝耦合进入系统电路;另一种是端口电缆充当了接收天线。因此最好的抑制方法是屏蔽，对外壳的散热孔采用通风波导的方式，对端口线缆采用屏蔽线并良好接地，也可以在机柜入口处安装磁环。另外，尽量使用平衡电路传输信号，布线时注意线路的对称性。

6．工频、脉冲磁场抗扰度试验。工频磁场抗扰度一般模拟电网中大功率设备运行时，产生的稳态强工频电磁场;脉冲磁场抗扰度一般模拟电力设备故障、雷击等产生的瞬态脉冲磁场，2项测试都比较容易通过。只有利用磁感应原理工作的器件，才比较容易受到磁场的影响。对于这些系统，应注意系统的屏蔽完整性，并可靠接地。

7．电压暂降、短时中断和电压变化抗扰度试验。电压暂降、短时中断是由电网、变电设施故障或接入电网的负荷突然出现大的变化引起的;电压变化是由连接到电网中的负荷连续变化引起的。该测试对电源端口进行，一般铁路信号产品都配有在线式UPS，测试容易通过，没有UPS的系统需设计储能电路，依靠电源模块中的大电容和电感维持输出电压。

2.2 EMI电磁干扰试验

1．电源端口传导发射测试。检验的是设备通过电源线向供电网络发射电磁干扰的强度是否超过了限值，限值超标会对电网产生污染，对使用同一电网中的其他设备产生干扰。该项测试时，使用人工电源网络(AMN)串入设备电源线，测试150 kHz～30 MHz的传导骚扰，如果测试超标，最有效的解决办法是安装电源滤波器，也可以采用隔离变压器，但成本较高。

使用滤波器时，需要选择合适的电压等级和功率，要按标准的滤波器安装方法进行安装，其输入、输出引线应分别走线，严禁交叉，以避免线间耦合，使过滤后的电源被再次污染。滤波器的接地应使用短而粗的接地铜线，最好将滤波器的外壳和接地平面良好接触。另外，电源端口如需进行电涌、脉冲群等抗扰度实验时，应考虑滤波器的选型能否耐受。

2．辐射发射测试。检验设备以电磁辐射的形式向空间发射的干扰强度是否超过限值，是否会对周围的电磁敏感设备产生影响，目前测试频率为30 MHz～1 GHz。解决辐射发射问题最有效的方法是屏蔽，应将系统内部的辐射源封装在屏蔽外壳中，在进、出端口上进行滤波或隔离，进出线尽量采用屏蔽线并双端接地，测试时将多余的输入、输出线放置在机柜中，减少引出线的长度，且引出线不要直接放置在地板上，否则其辐射的能量经大地反射后会被测试天线接收。另外还要注意辅助设备产生的辐射影响，可将辅助设备放置在吸波材料的后方。

3 结束语

通过介绍铁路通信信号产品在电磁兼容检测中经常遇到的测试项目、问题和常用的整改方案，希望能够对相关产品的研发、测试人员有所帮助。铁路通信信号产品的电磁兼容性是影响铁路系统安全性、稳定性和可靠性的重要指标，是产品市场准入的必要条件，铁路通信信号产品在获准(认定、认证)进入市场之前必须要通过严格的电磁兼容测试，之后还需定期接受监督抽查测试以保证持续满足技术要求，各设备生产商的研发、设计及测试人员应在一定程度上掌握电磁兼容检测技术。

［1］中华人民共和国.GB/T24338.4-2009轨道交通电磁兼容.第3－2部分:机车车辆设备［S］．2009.

［2］中华人民共和国.GB/T24338.5-2009轨道交通电磁兼容第4部分:信号和通信设备的发射与抗扰度［S］．2009.

［3］尚开明．电磁兼容(EMC)设计与测试［M］．北京:电子工业出版社，2013.

［4］沙斐．机电一体化系统的电磁兼容技术［M］．北京:中国电力出版社，1999.