基于铁道信号设备瞬态脉冲干扰产生及抑制措施研究

基于铁道信号设备瞬态脉冲干扰产生及抑制措施研究

【摘要】瞬态脉冲干扰是铁路信号设备急需抑制和屏蔽的信号，本文分析铁道信号设备瞬态脉冲干扰产生，提出了相应抗干扰措施，从而提高铁道信号设备的安全性。

【关键词】铁道信号；瞬态脉冲；干扰；静电放电

引言

常见的瞬态脉冲干扰（需要通过试验验证）包括各类浪涌、静电放电（esd）、电网中由于感性负载切换时产生的各种电快速瞬变脉冲群（eft）等，瞬态脉冲干扰以电磁感应、辐射和传导的方式影响设备中的敏感电路。在产品的实际应用周期中，以现在的技术条件对瞬态脉冲干扰没有方法避免，唯一能做的是将所设计的产品抗干扰能力提高，使其表现出较高的抗干扰能力，在干扰中正常“生存”。

1 瞬态干扰信号分析

为了测试设备对于瞬态脉冲干扰的敏感性，人们在对瞬态脉冲干扰信号进行观察分析的基础上，制定了一系列标准，在标准中对瞬态脉冲干扰信号的波形、幅值等指标做了明确规定。无论从耦合途径，还是通过滤波或其他措施消除干扰信号，对干扰信号进行频域分析是非常必要的。瞬态脉冲干扰信号虽然各不相同，但是它们也有共同点，均为快速上升的尖峰，之后缓慢再下降，不同的是波前时间和半峰时间差别很大，如电快速瞬变脉冲群与浪涌达到几个数量级。通过标准[1，2，3]给出的波形参数的具体指标，可以采用

双指数函数[4]对瞬态脉冲干扰信号进行建模，归一化的双指数函数如公式（1）所示，采用傅氏变换把双指数函数从时域到频域转换，得到幅值频谱表达公式（2）。

式中：v 为归一化幅度；k 为波形校正系数；α为波前衰减系数；β为波尾衰减系数；具体的数值如表 1 所示。

由公式（2）得到幅频最大值包络图如图 1 所示，第一拐点频率和第二拐点频率如表 2 所示。

从表 2 几种瞬态脉冲信号的频谱拐点可以看出，瞬态脉冲干扰信号波形的波前时间越短，则其所包含的频带越宽，频率分量也就越丰富。对铁道信号设备电磁兼容来说，高频是辐射干扰的主要原因。eft 的第一拐点频率达 3.2 mhz、第二拐点为32.0 mhz，esd 的第一拐点频率达 5.3 mhz、第二拐点达 159.2 mhz，这么高的频率对于设备的正常运行是极大的挑战。

理论分析表明，浪涌 90% 能量在第二拐点频率以下，从表 2 可以看出浪涌呈现低频特征，即主要能量集中在频率较低的频段。但是由于信号的能量特别大，如果干扰信号经过设备内部的敏感电路，轻则容易造成设备死机或工作出现异常，重则损坏设备。

3 瞬态脉冲干扰的对策

3.1 静电放电防护对策

静电放电首先可以考虑通过屏蔽和接地给静电电流提供一个阻

抗足够小的泄放途径，对静电电流进行泄放。在泄放途径的设计中，必须考虑静电泄放途径的等效电感和等效电容；当泄放途径的阻

抗无法做到足够低时，需要考虑在电路板中采取对静电电流进行钳位、滤波、单点接地等措施，防止静电电流进入 pcb 内部。通过表 1 可以看出，静电放电的高频分量非常丰富，在一定的条件下需要考虑产生的电磁辐射对pcb 的影响。这需要对 pcb 进行良好的设计，在pcb 的布线中，尽量防止大的电流环路，以防止感应磁场。对于端接高阻抗的布线，需要使布线尽可能短，以防止感应电场。对于连接有长导线的印刷电路板，则需要在端口处进行滤波或使用去耦电容，防止导线上接收的静电骚扰传入印刷电路板。

3.2 电快速瞬变脉冲群防护对策

抑制电快速瞬变脉冲群的措施主要有滤波、屏蔽和接地，在实际应用中有时需要几种措施结合起来使用，才能达到预期的效果。为提高设备的抗干扰能力，一般采取以下措施。

1）用金属连接器代替塑料连接器（对屏蔽电缆）。

2）在电源端口安装滤波器。

3）使用共模铁氧体环（使用时最好绕 2 到3 匝）。

4）设备内部敏感电路，使用屏蔽罩或其他措施来加强防护。

对使用屏蔽电缆来说，最好使用 360°完全屏蔽连接，否则影响电缆的屏蔽效果；金属连接器和pcb 线路板一定要接地或机壳；安装电源滤波器要保证与机壳与保护地相连，尽量靠近电源口，并保证输入线和输出线的分离，避免线路受到二次干扰。同时要注意电源滤波器的阻抗匹配问题，最大不匹配规定：电容两端存在高阻抗，电感两端存在低阻

抗。电源滤波器的基本电路如图 2 所示。

由图 2 可见，差模滤波电容跨接在 l 线和 n 线之间，对差模电流起旁路作用，通常电容值在 0.1 ～1μf 之间。共模滤波电容跨接在 l 线或 n 线与机壳地之间，对共模电流起旁路作用，电容值不能过大。否则，会超过安全标准中对漏电流的限制要求。共摸扼流圈主要作用是滤除低频共模干扰，电感量范围一般在 1 mh 至几十 mh，抑制频率越低需要的电感量越大。

3.3 浪涌防护对策

浪涌的特点是频率低、能量特别大，普通的滤波器和抗干扰磁芯对浪涌干扰的抑制无能为力，而必须采用吸波器件将浪涌尖峰干扰电压吸收掉。吸波器件有一个共同特点，即在阀值电压以下呈现高阻抗，而一旦超过阀值，则阻抗急剧下降，因此，对浪涌有一定的抑制作用。这类吸波器件主要有气体放电管、压敏电阻、瞬态抑制二极管（tvs）、固体放电管等，不同的吸波器件对浪涌电压有各自的局限性，有时需要根据具体电路将几种吸波器件组合使用，来达到电路防护的目的。

4 结束语

瞬态脉冲干扰是铁路信号设备急需抑制和屏蔽的信号，对瞬态脉冲干扰信号进行频域分析为防护电路设计提供理论基础，是设计出来的防护电路能够安全发挥作用的保障，极大的减少设备在不良电磁环境中出现故障或性能降低问题，为铁路安全行车保驾护航。参考文献

[1] gb/t17626.4-2006 电磁兼容试验和测量技术电快速瞬变脉冲群抗扰度试验 [s].

[2] gb/t17626.5-2006 电磁兼容试验和测量技术浪涌（冲击）抗扰度试验 [s].

[3] gb/t17626.2-2006 电磁兼容试验和测量技术静电放电抗扰度试验 [s].

[4] noack f，pospiech j，brocke retal.reliable overvoltageprotection of electronic devices in low-voltage power systems[c].international symposium on electromagnetic compati-bility，1999.