高速铁路信号系统的抗电磁干扰技术研究

高速铁路信号系统的抗电磁干扰技术研究

发表时间：2019-06-21T16:03:58.057Z 来源：《防护工程》2019年第6期作者：刘磊

[导读] 作为高速移动的复杂巨系统，高速列车在高速运行的过程中，整个系统受到了数量众多的电磁干扰，且相关干扰多为突发性脉冲干扰。

中铁建电气化局集团南方工程有限公司湖北武汉市 430074

摘要：作为高速移动的复杂巨系统，高速列车在高速运行的过程中，整个系统受到了数量众多的电磁干扰，且相关干扰多为突发性脉冲干扰。另一方面，高速铁路采用的综合接地方式、共用的接地钢轨使得电磁骚扰传输耦合途径错综复杂，这些均对高速铁路信号系统的抗电磁干扰提出了较高挑战，由此可了解本文研究具备的较高现实意义。

关键词：高速铁路；信号系统；抗电磁干扰技术；研究

1高速铁路信号系统抗电磁干扰技术措施

1.1基本抑制措施

高速铁路信号系统的抗电磁干扰技术措施一般由三个方面入手，以高速铁路车载信号系统为例，具体的抑制措施如下：①骚扰源：高速铁路的电磁噪声在1.88~2.6GHz频段基本不会对设备的孔缝、信号端口、电源线端口造成影响，设备的天线端口也不会受到影响，因此仅需要考虑实际工程中的具体设备以采用针对性措施。②耦合途径：需考虑电缆的合理布线和接地，并保证不同类别的电缆间隔敷设，不同类别电缆之间的最小距离应遵循（表1）规定，同时保证电缆间互为直角；如出现不同类别间电缆最小距离无法满足情况，需设法将电缆隔开，一般采用连接整体屏蔽、金属电缆槽、金属板、金属管的方式，在信号电缆和电力电缆共存情况下，还需要重点关注电路馈线与回流电缆的敷设距离，保证二者尽可能拉近，将在接近导电的机车结构处安装电缆能够有效抑制电缆的发射场，一般情况下电缆屏蔽层需接地，且需要关注机箱屏蔽，机箱孔缝尺寸需满足最小波长要求，必要时可通过安装金属密闭塾片、导电性填料进行改善，接地线应短而宽并与接地面实现可靠搭接，电缆合理的接地和布线可有效提升其抗电磁干扰能力。③敏感设备：信号设备的电磁兼容性也需要得到重视，由于高速铁路车载信号系统本身属于敏感设备，该设备本身的防护措施必须得到重视，这种重视需体现在设计层面。具体来说，通信系统在设计阶段应选择适当的接收电平，电磁兼容设计需使用，浪涌防护器件设置电压限幅环节，瞬变电压抑制器、压敏电阻、硅雪崩二极管、放电管均属于常用的浪涌防护器件，此种措施下冲击电流可得到较好抑制（如雷电、变电所过流保护开关瞬时开闭引发的相关现象）。

表1 不同类别电缆之间的最小距离

同样以车载信号系统为例，其处理流程可概括为：“故障现象分析→现场实际测试→干扰耦合途径验证→敏感设备分析→抗干扰措施实施→验证试验”，通过列举可能导致故障现象的因素、选择针对性较强的仪器设备、围绕典型干扰传输耦合途径开展分析、建立被干扰信号系统电磁抗扰度模型，即可完成高质量的电磁干扰故障处理，最终合理应用抗干扰措施并验证其有效性，即可有效解决电磁干扰导致的故障问题。为取得优秀的高速铁路信号系统抗电磁干扰效果，一般需同时应用屏蔽、接地、滤波技术，但如果三种技术存在应用不当情况，则很容易引起更为严重的电磁干扰问题，因此必须保证抗干扰措施应用的针对性、定制性，并从整个系统角度思考问题，避免解决问题的过程引入新的电磁干扰耦合，结合故障实际和相关经验属于其中关键，这些必须得到相关业内人士的重点关注。

2实例分析

2.1故障现象分析

为提升研究的实践价值，本文选择了某高速列车作为研究对象，在通过某一位置时，该高速列车出现了ATP（车载自动列车防护系统）和多次报人机交互单元DMI出现通信超时故障，结合故障现象开展分析，技术人员初步确定了电磁骚扰源及其耦合途径，具体判断如下：①由于DMI临近的弱电设备未出现类似故障（通信超时故障报警时），因此可初步判断空间的辐射电磁场骚扰与主要电磁干扰信号基本不存在联系。②与DMI共用电源的弱电设备未出现类似故障，因此来自电源线的传导电压/电流骚扰与主要电磁干扰信号基本不存在联系。③ATP与DMI间的Profibus总线平行于220V交流输电线平行走线，且长度为23m，电压骚扰信号进入Profibus总线因此获得可行性较高的方式，即线间的容性耦合方式，ATP与DMI之间的数据传输也很容易出现误码故障，因此可初步判断信号线的传导电压骚扰为干扰源。

2.2敏感设备分析

图1为车载ATP系统基本结构图，结合该图不难发现，主机柜内的设备主要有JRU单元、BTM单元、DC/DC电源、车载电台、ATP核心运算单元，主机柜外则安装有天线、速度传感器、DMI单元等设备，ATP与DMI间的数据传输采用Profibus总线，设备的连接采用菊花链结构，在ATP核心运算单元支持下，总线可实现间隔性的DMI状态查询，必要时需上报DMI通信超时故障，如出现多次无法收到响应数据包的

情况。总线采用RS485物理层传输协议，而结合实测发现，DMI信号的幅度、周期分别为2.5V、0.07ms，其上升沿时间、持续时间则分别为1μs的方波信号、0.035ms。ATP系统核心单元与DMI单元信号电平处于2～6V区间，不存在电磁干扰激励时，ATP接收到的DMI信号如图2所示。

图3 信号传输模型

基于图3开展分析，可确定电源线与信号传输模型，并属于220V信号传输模型，其纤芯、屏蔽层厚度分别为0.75mm2、0.5mm，其他信号线采用图4所示的布线方式，为双绞屏蔽线缆，其屏蔽层厚度、线芯分别为0.5mm、1mm2。结合上述判断，可确定图5所示的烦扰信号，其中电压骚扰信号的主要来源为列车过分相时主断路器开关开闭瞬间，开展仿真计算，可得出图5右所示的被干扰信号。

图5 电源线中典型的干扰信号（左）、计算所得的被干扰信号（右）

结合图5不难发现，相较于正常的通信信号，总线上差模干扰电压的幅度的值明显偏高，偏高的幅度为2.5V，这使得DMI与ATP之间的信号传输质量大大下降。

2.4现场电磁骚扰测量

为提升研究的实践价值，证明上文分析得出的结论，开展了实测验证，总线差模骚扰电压、空间辐射骚扰场强属于主要测量对象。在具体的实测验证中，技术人员在多次出现故障的位置开展了环境电磁场测量，其中电场的最大场强值为600V/m、磁场的最大场强值为1.8μT/m，结合现行电磁兼容标准，现场测得的磁场最大值远低于车载设备应具备的磁场抗扰度；总线差模骚扰电压的测量围绕主机端DMI 监测端口开展，图6为实测被干扰信号波形，结合该图不难发现，上文分析计算结果与实测结果完全相同，过高的总线上差模干扰电压幅值引发了DMI通信超时故障。