【導讀】鐵路地面信號設備是列車運行的安全保障性關鍵設備，該設備現場抗電磁干擾能力的高低，直接關系到列車行駛與人民生命財產安全。因此，鐵路地面信號設備的抗干擾設計極其重要。其中，接地設計是鐵路地面信號設備電磁兼容設計中最復雜、最難掌握、最重要的電磁干擾抑制方法。本文結合鐵路現場的電磁干擾情況，介紹了地線干擾抑制方法在鐵路信號設備線纜屏蔽層的接地方面的實際應用。
本文是電子元件技術網網友原創博文《鐵路信號設備地線干擾抑制方法的研究》系列第四章，全文從電氣電子設備接地重要性與地線干擾形成機理入手，重點介紹電氣電子設備接地點與接地方式選擇、增加地環路阻抗、降低接地阻抗等方法，來消除公共阻抗耦合、地環路等地線干擾，實現電氣電子設備良好的電磁兼容。最后，針對鐵路現場電磁騷擾源特性與耦合方式，成功地將地線干擾抑制方法應用于某鐵路信號設備的電磁兼容設計中。
全文第一章為：EMC接地的概念與分類
全文第二章為：EMC地線干擾形成的機理
全文第三章為：PCB設計中地線干擾抑制方法詳解
5 鐵路地面信號設備接地設計
隨著鐵路電力系統自動化設備的廣泛應用和技術的發展，設備越來越復雜，特別是模擬電路和數字電路混合的情況日漸增多、電路的工作頻率愈來愈高，電磁兼容問題越來越突出。7.23動車追尾事故證明，鐵路地面信號設備是列車運行的安全保障性關鍵設備，該設備現場抗電磁干擾能力的高低，直接關系到列車行駛與人民生命財產安全。
因此，鐵路地面信號設備的抗干擾設計極其重要。其中，接地設計是鐵路地面信號設備電磁兼容設計中最復雜、最難掌握、最重要的電磁干擾抑制方法。
5.1 鐵路電磁干擾源
干擾源是電磁兼容問題的三要素之一，干擾源的研究，有利于鐵路信號設備的電磁兼容設計與現場抗干擾問題的處理，鐵路信號設備主要電磁干擾源：
（1）自然干擾源
自然干擾源是指由于大自然現象所造成的各種電磁噪聲。雷電是最常見的電磁干擾源。雷電的強電磁脈沖干擾不僅可能通過電源線、輸入輸出線以及接地裝置侵入系統，而且強脈沖電磁場會產生強大的感應過電壓而嚴重干擾甚至損壞系統設備。
（2）放電現象
放電現象包括，靜電放電、電暈放電、弧光放電等。其中，靜電放電屬于瞬態放電，電暈放電、弧光放電屬于持續放電。
鐵路電力系統中，電動機車過分相點、升降弓，以及受電弓與接觸網接觸不良等，均會引起的弧光放電。
（3）半導體器件開關過程引起的干擾。電動機車整流器件開關過程中，都存在著高的di/dt，它們通過線路或元器件的引線電感引起瞬態電磁噪聲。其頻率可高達幾十千赫茲至幾百千赫茲乃至幾兆赫茲，成為不可忽視的噪聲源。
（4）工頻牽引電流
電動機車的工頻電流可高達1000A，這么大的電流，會在鋼軌或牽引電流接地線旁邊，產生很高的地電位。
5.2 干擾耦合途徑分析
典型的鐵路地面信號設備主要由人機接口（如顯示器、鼠標、鍵盤、打印機）、AC220V電源適配器、傳感器、執行機構、工業控制計算機（包括A/D采集板卡、輸出控制板卡等）、執行機構（指示燈、道岔轉轍機等）組成，如下圖所示：
圖 21 鐵路地面信號設備組成示意圖
其中傳感器負責采集鋼軌電流電壓信號，以及車輪信息等；工業控制計算機對傳感器采集的信號進行濾波、放大、運算等信息處理，獲得準確的、實時地軌道交通信息，并控制室外執行機構動作。
電磁干擾主要通過空間輻射耦合或傳導耦合的途徑進入被干擾設備中，但由于鐵路地面信號設備一般會安裝在帶屏蔽與防雷功能的信號機房或機柜中，空間輻射耦合對設備本身的影響很有限，它主要通過設備的外拖信號線纜接收空間的電磁波，并傳導進入室內信號設備中。
由鐵路地面信號設備組成示意圖可知，AC220V電源線、傳感器輸入信號線纜、輸出信號線纜、遠程監控通信端口等，是電磁干擾進入鐵路地面信號設備的主要耦合途徑。
5.3 鐵路信號設備接地設計
[page]
針對鐵路信號設備電磁干擾的特點，通過合理的接地設計（浮地、隔離、濾波等）方法切斷或改變電磁干擾流向，提高鐵路信號設備的抗干擾性能。
在鐵路信號設備中，接地設備須滿足如下兩點：
（1）接地系統具有很低的公共阻抗，使系統中各路電流，通過該公共阻抗產生的直接傳導噪聲電壓最小。在有高頻電流的場合，保證“信號地”對“大地”有較低的共模電壓，使通過“信號地”產生的輻射噪聲最低。
（2）保證地線與信號線構成的電流回路具有最小的面積，避免由地線構成“地回路”，使外界干擾磁場穿過該回路產生的差模干擾電壓最小，同時，也避免地電位差通過地回路引起過大的地電流，造成傳導干擾。
鐵路信號設備一般會通過光電、磁電、混合接地等措施，來消除共阻抗耦合或地環路耦合等地線干擾：
（1）電源端口的隔離
外部電源通過電源隔離變壓器或帶隔離功能的UPS給鐵路信號設備提供220V電源，設備與電網只有磁的耦合，無電的直接聯系，實現電的隔離，消除了共阻抗耦合，增強系統對電網的抗干擾能力。
（2）開關量、模擬量的輸入輸出口要采用光電耦合器、變壓器、繼電器、共模扼流圈等隔離，切斷地環路干擾。
其中，光電、磁電隔離由于器件存在寄生電容，主要應用于300KHZ以下的低頻電磁干擾的抑制，其高頻電磁干擾的衰減效果可能不佳，此時可在信號線纜上串聯共模扼流圈，切斷低頻噪聲與高頻干擾的地環路干擾，提高設備I/O端口的抗干擾能力。
在以太網通信端口中，利用變壓器的磁電隔離原理，切斷低頻電磁干擾的傳播途徑；利用共模電感或變壓器中集成的共模扼流圈，能有效地增大高頻電磁干擾的地環路阻抗，避免變壓器的原邊高頻電磁干擾通過其原/副邊的寄生電容傳輸副邊或敏感芯片側，此外，原邊C12也起共模濾波作用。
以太網的高頻/低頻的共模或地環路干擾抑制方法如下圖所示：
圖 22 以太網的高頻/低頻共模干擾抑制方法
（3）遠程監控設備通信端口，采用光纖通信，以加強接口的隔離度，提高信號傳輸的可靠性。
（4）設備接地點選擇，應盡量遠離大電流、高電壓工作的電氣設備，減少靜電感應和電磁感應。
（5）信號線纜屏蔽層的接地
將信號線纜的屏蔽層兩端分別接地，電力機車牽引電流造成的電位差，可能通過屏蔽層形成干擾電流，即地環路干擾，導致信號采集設備無法正常工作。
因此，為了消除工頻牽引電流的地線干擾影響，通常會在設備（設備的接地點一般距離鋼軌3米以上），將信號線纜屏蔽層單點接地。
如果屏蔽層采用單點接地的信號線纜，暴露在高頻強電場中，也可能會感應出很高的干擾電壓，引起設備功能失常，因此，對存在高頻電磁干擾的應用場合，電纜屏蔽層需要雙端接地。
針對上述問題，屏蔽層采用混合接地方案，即將軌道傳感器側的信號線纜的屏蔽層，通過10nF或4.7nF的高壓電容旁路接地，設備側的信號線纜屏蔽層采用單點接地，如下圖所示：
圖 23 信號線纜混合接地
實際經驗證明，鐵路信號線纜屏蔽的混合接地方法，既可以有效抑制工頻牽引電流的地環路干擾，也來可靠地衰減高頻電磁干擾對信號通道的不利影響。
（6）主控板的接地設計
工控機的主板為高速電路，在印制線路板上設置完整的地平面，縮短高速信號的回流徑路，提高其信號完整性。主板地平面通過多個螺釘孔與一塊完整的金屬面板相連接，不僅可以抑制電路板對外部的電磁騷擾，還可以將I/O口引入的電磁干擾低阻抗的導向金屬面板，避免其干擾敏感的主控芯片。
6 結論
本文概述了接地意義，公共阻抗耦合、地環路等地線干擾形成機理。根據地線干擾形成的機理差異，重點介紹了光電隔離、繼電器隔離、磁電隔離、共模扼流圈隔離、單點接地、多點接地、浮地、混合接地等方法，在消除或抑制電氣電子設備的地線干擾的應用原理。
最后，結合鐵路現場的電磁干擾情況，介紹了地線干擾抑制方法在鐵路信號設備線纜屏蔽層的接地方面的實際應用。
相關閱讀：
PCB設計中地線干擾抑制方法詳解
EMC地線干擾形成的機理
EMC接地的概念與分類
高速印制電路板的EMC設計
三方面有效控制EMC
