电气化干扰对计算机联锁系统的影响和防护.doc

电气化干扰对计算机联锁系统的影响和防护杨世武吴运熙(北方交通大学电子信息工程学院，北京 100044)摘要分析了电气化铁道的电磁干扰对计算机联锁系统产生的影响，结合目前的现状和有关测试数据，重点讨论了对电源和地电位升等干扰的防护措施，并提出了电磁兼容性设计的基本要求.关键词电磁干扰计算机联锁系统电磁兼容性分类号TN973.3Electromagnetic Design for Computer-based InterlockingSystem on Electric RailwaysYang ShiwuWu Yunxi(College of Electronics and Information Engineering, Northern Jiaotong University, Beijing 100044)AbstractIn this paper, we firstly analyze the influence caused by electric railways on computer-based interlocking system. Based on the current situation and relating data, the anti-interference measures especially about power supply and grounding potential rise tare submitted. The basic rules of EMC design are also discussed.Key wordselectromagnetic interferencecomputer-based interlocking systemelectromagnetic compatibility(EMC)1电气化铁道电磁干扰对计算机联锁系统的影响1.1电气化铁道的电磁干扰电气化铁道具有牵引功率大、效率高和环境污染小等诸多优越性，是铁路牵引动力现代化的主要方向.目前，随着京广、津秦、哈大等干线电气化改造的实施，侯月、南昆、宝中等线路的新建，以及京沪高速电气化铁路的筹建，预计到2000年，我国电气化铁道将达到1.5万km，在国民经济中将发挥出更加重要的作用.另一方面，我国电气化铁道采用工频交流制供电，接触网额定工作电压为25kV，电力牵引采用直供、AT和BT三种供电方式，牵引电流不同程度地要以钢轨（大地）为回路.这种高电压和电力机车运行时产生的含有丰富谐波的大电流会对周围电磁环境产生严重的电磁干扰（EMI）.尤其是随着计算机联锁等计算机化信号设备越来越广泛地被采用，系统的抗电气化干扰或电磁兼容性（EMC）就成为一个非常迫切的问题.事实上，目前应用于电气化区段的计算机联锁等设备已经发生过运行故障甚至烧损.不但给铁路现场的维护带来非常大的困难，还浪费了大量的人力和材料，而且直接影响了铁路运输安全和效率.电气化铁道产生的电磁干扰是一种客观存在，并有其内在的规律.如果不研究和采取有效措施解决这些问题，在很大程度上会阻碍计算机系统在电气化铁道的应用和推广，并威胁到铁路信号的安全和可靠.根据耦合途径，电气化铁道干扰可分为辐射和传导性干扰两种.对于计算机联锁系统来说，可按照以下主要形式来讨论：电磁辐射和感应性干扰对传输通道和系统的干扰；电源干扰；地电位升的影响.1.2电磁兼容性设计电磁兼容性是指干扰可以在不损害信息的前提下与有用信号共存，对电磁干扰的抑制原则及措施可包括3个方面：抑制噪声源；消除或减小噪声源和受扰设备之间的耦合；提高受扰设备抵抗电磁干扰的能力.在具体进行电磁兼容性设计时，有3个步骤：通过分析和定量测量，掌握电磁环境的噪声和干扰的物理特性，这是设计的基本依据；根据设备所处的特定环境和各种测量数据，适当地采用屏蔽、接地、滤波、隔离等措施；遵循国际或国家标准，采用适宜的试验方法和设备，对处于电磁环境中的受扰设备的特性作出评价，得出设备能承受的电磁干扰的极限值.计算机联锁系统作为一种弱电系统，以高速运行和传送逻辑信号为特征.在应用于电气化铁道时，其EMC设计是重要的和必须的.即通过EMC设计，使系统可以在所处的电磁环境中避免电磁干扰，可靠地工作.目前铁道部电务局发布的“微机联锁系统暂行技术条件”有关电源和接地的要求中，引用了TB1774(继电式电气集中技术条件)和GB 2887（计算站场地技术条件）.对于计算机联锁系统在电气化铁道中的应用，还没有制定全面和具体的标准.本文就几种主要干扰形式，提出相应的防护措施.2计算机联锁系统对电气化干扰的防护2.1电源干扰及其防护电源系统对计算机的稳定工作具有关键的作用，同时又是干扰进入设备的主要途径之一.统计数据表明大多数计算机故障是由电源引起.电力机车在换相、受电弓与接触网断续接触、启动、升降弓等情况时，由于电网电流的瞬时突变，造成电源电压波动和脉冲干扰.由于计算机联锁系统和电力机车的供电来自同一电网，电源波动范围会出现超过220V10%.现场控制用的计算机电网50 Hz正弦波上可能出现上千伏的尖峰电压，在大秦线重载试验中经常可测到500 V的脉冲.在种种干扰中，浪涌和瞬态脉冲干扰对计算机联锁系统威胁最为严重.计算机系统组成以数字电路为主，在总线上的二进制信息对脉冲干扰非常敏感；而一般的直流稳压电源对瞬态干扰衰减能力较弱.因而尖脉冲可能进入系统的逻辑电路，引起软件故障，严重时造成停机甚至损坏器件.对各种电源干扰，一般可根据其持续时间t来选择相应的防护对策：t1 s时，属过压、欠压、停电干扰，采用不间断电源（UPS）和稳压措施.t10 ms时，属浪涌或下陷，采用快速响应的交流电源调压器和浪涌吸收器等抑制.t为 s级时，属尖峰干扰，采用隔离变压器等进行抑制.t为 ns级时，属射频干扰，采用滤波器进行抑制.GB2887对电源的电压波动、频偏和波形失真率等指标提出了等级要求.IEC1000-4系列标准对电动装置的抗快速脉冲干扰和浪涌干扰规定了测试方法和等级.计算机联锁系统电源应根据电气化区段电源屏的供电性能和计算机设备的要求，对电源的抗干扰指标进行全面的电磁兼容测试.2.2地电位升的防护和接地接地系统应当做到：以尽可能短的接地路径建立一个对有关装置都是等电位的接地导线系统.不构成接地环路.避免电源零线引入干扰.(1)地电位升的防护牵引电流由钢轨和大地返回变电所时，会漏泄到大地中.随着牵引电流的加大，地电位就会升高.这种地电位的变化，有可能反窜到系统中，影响系统的各种地线电位，在计算机控制的数字系统中，会干扰工作地线的逻辑电位，影响系统的可靠工作.对地电位升的防护有隔离和远离接地等技术.隔离实质是将计算机设备的地线系统与大地隔离，隔离方法有两种：一种是用变压器隔离；另一种采用光电隔离技术.这两种方法要求计算机设备单独供电，并且要进行良好的屏蔽.远离接地是基于离钢轨越远处、地电位升越小的原理.根据大秦线测试数据，距离为500 m以上时，则地电位的变化很小.因此可将计算机设备地线的接地点设置在离铁路较远处，并用绝缘导线引至设备工作地点.(2)接地 计算机联锁系统有多种地线，如数字地、模拟地、安全地、防雷地、屏蔽地等.接地技术已有成熟的理论和规范，具体到计算机联锁系统，主要问题在于：是采用联合接地还是分散接地；系统工作地是直接接地还是浮地；如何合理选择接地点、接地装置和接地电阻.防雷地、屏蔽地和保护地等采用联合或集中接地，容易获得较小的接地电阻值，并且占地少，节省金属材料.采用分散接地的优点在于，当一种地线放电时，其接地电阻上的压降不会全部耦合到其他类型的接地设备，尤其是在防雷地上通过较大的泄放电流等情况时.相对而言，后者是一种较为稳妥的方案.考虑到计算机联锁系统在工程中接地电阻等具体问题，用分散接地为宜.“信号维护规则”对接地点距离等有比较明确的规定.但如果限于场地条件等无法实施时，应考虑联合接地.系统地为系统各部分提供稳定的基准电位.计算机化系统等电子设备都不用大地作为信号返回路径，系统地是否要接大地和如何接大地，则与设备的工作稳定性有密切关系.其接地方式有3种：浮地方式.即系统地悬浮，与大地绝缘.当浮地系统对地电阻很大、对地分布电容很小时，由外部共模干扰引起的流过电路的干扰电流很小.缺点是由于浮地方式的有效性取决于实际的悬浮程度，当设备工作速度提高、规模增大、感应增强时，都会增大对地电容，增加位移干扰电流；当发生雷击或静电感应时，在信号回路与金属箱体和柜壳之间产生很高的电位差，可能使绝缘薄弱部分击穿甚至电弧放电.直接接地方式.其特点与上述方式相反，设备有较大对地电容时，应抑制其影响.电容接地方式.即经电容把系统地与大地相连.接地电容对高频干扰分量提供对地通路，但对低频仍是断路，浮地方式的部分缺点仍然存在.当系统地与大地间可能有直流或低频电位差时，这种方式是有效的，电容应具有良好的高频特性和足够的耐压.计算机联锁系统可采用浮地方式，但应保证足够的绝缘电阻和良好的屏蔽，必要时对电路进行静电涂覆，以防止静电危害.接地点和接地电阻显著影响接地的效果.弱电抗干扰接地极要远离强电设备的接地极，一般保持的最小距离为15 m20 m.接地电阻可参照GB 2887要求，为4，其理想值为零.减小接地电阻在一定程度上能提高接地效果，特殊情况可应用降阻剂，但没有必要追求过小的接地电阻.一个重要问题是要定期进行检查，必要时校正接地电阻值.2.3电磁感应和辐射的抑制电磁感应和辐射主要是对信息传输通道和计算机系统产生干扰.接触网产生的交变电磁场通过耦合或辐射，在计算机联锁信息传输线上产生感应电动势，造成对传输信号的干扰，使传输线中随机噪声（或者称杂音）加大，影响信号的正常传输.牵引电流的变化会产生瞬时突变干扰，如脉冲噪声、相位抖动、信号幅度突跳及瞬时中断.在数字信息中造成成串（即连续）误码.根据测试结果，直供方式产生的干扰较为严重，BT方式次之，AT方式最小；杂音电压、纵向电动势随牵引电流的增加而增加.对传输通道的干扰的防护措施有：提高信号的发送电平，使信噪比提高.采取隔离措施.隔离技术是减小脉冲干扰的主要措施之一，其方法是加隔离变压器或光电隔离器件.采用规程传输和纠错编码.采用相对较短的帧传输以避开突发的脉冲干扰.传输通道采用平衡式电路，可大大消除线路上的共模干扰.计算机联锁系统的工作环境应符合GB2887标准.根据文献1的测试数据，在电气化铁道10 m处的受扰值远小于GB2887要求的容限值120 dBV/m.2.4系统自身的EMC设计系统结构设计和印制电路板（PCB）设计也是提高系统的抗扰度和防止系统误动的重要手段.包括选用器件、布局和采用目前一些新的技术，如多面印制版、可编程逻辑器件等.3结论和建议计算机联锁等系统在电气化铁道中应用是大势所趋，对系统的电磁兼容性设计也必须重视，尤其是电源、接地和系统自身的设计.1997年5月大秦线茶坞站计算机联锁大面积烧损的重大事故已经清楚地