抗电磁干扰技术

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1、抗电磁干扰技术 一 电磁干扰 1.电磁干扰的定义： （1）电磁骚扰（EMD: ElectroMagnetic Disturbance） 电磁骚扰是“任何可能引起装置、设备或系统性能降级或对有生命或无生命产生作用的电磁现象。电磁骚扰可能是电磁噪声、无用信号或传输媒介自身的变化”。 2 电磁干扰（EMIElectroMagnetic Interference） 电磁干扰是“电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降”。电磁骚扰仅仅是电磁现象。即客观存在的一种物理现象，它可能引起设备性能的降级或损害，但不一定已经形成后果。而电磁干扰是由电磁骚扰引起的后果。 2.电磁干扰对人类活动有三大危害 电磁干

2、扰会破坏或降低电子设备的工作性能 电磁干扰能量可能引起易燃易爆物的起火和爆炸 电磁干扰能量可对人体组织器官造成伤害，危及人类的身体健康 3.EMI 的产生原因 各种形式的电磁干扰是影响电子设备兼容性的主要原因。因此，了解电磁干扰的产生原因是抑制电磁干扰，提高电子产品电磁兼容性的重要前提。电磁干扰的产生可以分为： A. 内部干扰-内部电子元件之间的相互干扰 1 工作电源通过线路的分布电源和绝缘电阻产生漏电造成的干扰。 2 信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合，或导线之间的互感造成的影响。 3 设备或系统内部某些元件发热，影响元件本身及其他元件的稳定性造成的干扰。 4 大功率和高电压部件产生

3、的磁场、电场通过耦合影响其他部件造成的干扰。 B. 外部干扰电子设备或系统以外的因素对线路、设备或系统的影响。 1 外部高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统。 2 外部大功率的设备在空间产生很强的磁场，通过互感耦合干扰电子线路、设备或系统。 3 空间电磁对电子线路或系统产生的干扰。 4 工作环境温度不稳定，引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰。 4.电磁干扰三要素： 理沦和实践的研究证明，不管复杂系统还是简单装置，任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件：干扰源、干扰传播途径或耦合途径、敏感设备。 1 干扰源指产生电磁干扰的任何元件、器件、设备、系统或自然现象；

4、 2 干扰传播途径或耦合途径 指将电磁干扰能量传输到受干扰设备的通道或媒介； 3 敏感设备（对电磁干扰发生响应的设备）； 其简单示意图如下图所示 传导耦合 干扰源干扰传播途径 辐射耦合敏感设备 5.电磁干扰传输方式 一般而言，从各种电磁干扰源至敏感设备的通路或媒介，即电磁干扰传播途径，有两种形 1 式: 传导传输方式和辐射传输方式。 1 传导传输方式 ：传导传输必须在干扰源和敏感器之间有完整的电路连接，干扰信号沿着这个连接电路传递到敏感器，发生干扰现象。 2 辐射传输方式 ：辐射传输是通过介质（例如空气等）以电磁波的形式传播，干扰能量按电磁场的规律向周围空间发射。（当干扰源频率较高，且干扰信号

5、波长比被干扰对象结构尺寸小，则干扰信号可认为是辐射场，以平面电磁波形式向外辐射电磁场能量，并进入被干扰对象的通路。） （例如：电吹风产生的电磁波干扰以两种途径到达电视机：一是通过共用的电源插座，二是以空间电磁场传输的方式由电视机的天线接收，应设法切断这些干扰途径。） 二 电磁兼容 1. 电磁兼容（EMC）概念 事实上，电磁干扰在我们的生活中无处不在，为了减少或者避免不必要的危害，我国从世纪 80 年代至今已制定了上百个电磁兼容的国家标准，强制要求多数电气设备必须通过相关电磁兼容标准的性能测试，否则为不合格产品。 电磁兼容是指电子系统在规定的电磁干扰环境中能正常工作的能力，而且也不向处于同一环境

6、的其它设备释放超过允许范围的电磁干扰 。即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中的其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级，它也不会使同一电磁环境中其他设备分系统、系统因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级。 电磁兼容性和我们所熟悉的安全性一样，是产品质量最重要的指标之一。安全性涉及人身和财产，而电磁兼容性则涉及人身和环境保护。电子设备在结构上和选料等问题，都决定电磁兼容是否有问题。 2.抗电磁干扰技术电磁兼容控制技术 针对破坏干扰途径的目标，常用的抗干扰技术有滤波、接地、屏蔽、隔离等技术。 滤波技术：根据频率选择性地抑制干扰信号 接地技术：保护人身和设备安全；提供参考零电位；阻隔地环路 屏蔽技

7、术：可抑制电磁干扰在空间的传播，并切断辐射干扰的传播途径 隔离技术：阻断干扰信号传导通路，并抑制干扰信号强度 A. 滤波技术 滤波的实质：从混有噪声或干扰的原信号中，提取到有用信号，或者说是将信号频谱划分成有用频率分量和干扰频率分量两段，剔除干扰部分。滤波主要用来防止传导干扰。滤波器是实现滤波的元器件。滤波器的作用就是要限制接收装置的频带，使得在不影响有用信号的前提下抑制无用信号。滤波器的技术指标包括插入损耗、频率特性、阻抗特性、额定电压、额定电流、外形尺寸、工作环境、可靠性等。 滤波器频率特性分类： 高通: 只通过高频有用成分，剔除截止频率以下的干扰成分 低通: 只通过低频有用成分，抑制或削

8、弱高于截止频率的成分 带通: 只通过某一频带宽度的频率成分，低于或高于带宽的频率成分均不让通过，加以抑制或衰减 带阻: 抑制某一频率宽度范围内的频率成分，带宽以外的频率分量都可以通过 按滤波器对干扰信号的处理方式分类：反射式、吸收（损耗式） B. 接地技术： 2 接地就是一个系统内电气与电子元件至地参考点之间的电传导路径。接地除了提供设备的安全保护地以外，还提供设备运行所必需的信号参考地。理想的接地平面是一个零电位、零阻抗的物理体，它可作为电路中所有信号点评的参考点，并且任何干扰信号通过它，都不会产生电压降。但是，理想的接地平面是不存在的，这就需要我们考虑和分析地电位分布，进行接地设计与研究，

9、找出合适的接地电位。 接地的目的在不同的情况下是不一样的，常见的有： （1） 建立与大地相连的低阻抗通路，使雷击电流、静电放电电流等从接地通路直接流 入大地，而不致影响设备或系统的正常工作及人身安全。 （2） 建立设备外壳与附近金属导体之间的低阻抗通路，当设备中存在漏电流时，不致 于危及人身安全。 （3） 设备或系统的各部分都连接到一个公共点或等位面，以便于有一个公共的参考电 位，消除两个悬浮电路之间可能存在的干扰电压。 （4） 将屏蔽体接地，使屏蔽发挥作用。 （5） 将滤波器接地，使滤波器能起到抑制共模干扰的作用。 （6） 印制电路板上的信号电路接到地平面，以提供一个信号的返回通路。 （7）

10、 汽车、飞机上的非重要电路接车体或机体的金属外壳，以提供一个电流返回通路。 接地的方式可分为：浮地、单点接地、多点接地、混合接地。对于电路系统来说可选择：电路接地、电源接地和信号接地等方法。 C. 屏蔽技术： 就是对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是利用金属材料制成屏蔽体，将需要防护的元部件、电路、组合件、电缆或整个系统包围起来，可以防止电场或磁场耦合干扰的方法。因为屏蔽体对来自导线、电缆、元部件、电路或系统等外部的干扰电磁波和内部电磁波均起着吸收能量（涡流损耗）、反射能量（电磁波在屏蔽体上的界面反射）和抵消能量（电磁感应在

11、屏蔽层上产生反向电磁场，可抵消部分干扰电磁波）的作用，所以屏蔽体具有减弱干扰的功能。 屏蔽可分为静电屏蔽、低频磁屏蔽和高频磁屏蔽等几种。根据不同的对象，使用不同的屏蔽方式。屏蔽技术是用来防止辐射干扰，其作用是在干扰信号到达被保护电路之前将其衰减。 1静电屏蔽：静电屏蔽是用铜或铝等导电性良好的金属为材料制作成封闭的金属容器，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的电力场不影响其内部的电路，反之，若封闭的金属容器与地线连接，容器内电路产生的电力线也无法影响外电路。不仅能防止静电干扰，也能防止交变电场干扰。静电屏蔽的容器壁上允许有较小的孔洞（作为引线孔或调试孔），它对屏蔽的影响不大。（例如：开关电

12、源采用带孔的屏蔽外壳，既可散热，又可防止电磁干扰外泄。信号线外裹屏蔽层） （2）低频磁屏蔽：当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。 低频磁屏蔽主要用来隔离低频（一般指 50Hz）磁场和固定磁场（也称静磁场，其幅度、方向不随时间变化，如永久磁铁产生的磁场）耦合产生的干扰。 3 静电屏蔽线或静电屏蔽盒对低频磁场不起隔离作用。必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线只从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使低频磁屏蔽层内部的电路免受低频磁场耦合干扰的影响。有时还将屏蔽线穿在接地的铁质蛇皮管或普通铁管内，同时达到静电屏蔽和低频屏蔽的目的。

13、例如：多数仪器的外壳采用导磁材料（例如：铁质机壳）作屏蔽层，让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使受外壳保护的内部电路免受低频磁场耦合干扰的影响。如果将外壳接地，则同时达到静电屏蔽和低频磁屏蔽的目的。 （3）高频磁屏蔽：当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。 高频磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将被保护的电路包围在其中。它屏蔽的干扰对象是高频（40kHz 以上）磁场。 干扰源产生的高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时，就在其外表面感应出同频率的电涡流，从而消耗了高频干扰源磁场的能量。其次

14、，电涡流也将产生一个新的磁场，抵消了一部分干扰磁场的能量，从而使电磁屏蔽层内部的电路免受高频干扰磁场的影响。 高频磁屏蔽层所需的厚度与干扰频率有关。 1）f f 1MHz 时，用 0.05mm 厚的金属制成的屏蔽体可将场强度减为原场强的 1/100 左右 2） f f 10MHz 时，用 0.01mm 厚的金属制成的屏蔽体可将场强度减为原场强的 1/100甚至更低 3） f f 100MHz 时，可在塑料壳体上镀或喷以铜层或银层制成屏蔽体。 若将高频屏蔽层接地，就同时具有静电屏蔽的功能，也常成为电磁屏蔽。 D. 隔离技术 变压器隔离：变压器主要由绕在共同铁心上的两个或多个绕组组成。当在一个绕组

15、上加上交变电压时，由于电磁感应而在其它绕组上感生交变电压。因此变压器的几个绕组之间是通过交变磁场互相联系的，在电路上是互相隔离的。其隔离的介电强度取决于几个绕组之间以及它们对地的绝缘强度。采用隔离变压器，可以隔离低频干扰信号（只能传输交流信号） 扼流圈隔离：利用线圈电抗与频率成正比关系，可扼制高频交流电流，让低频交流和直流通过。根据频率高低，采用空气芯、铁氧体芯、硅钢片芯等。 光电耦合隔离：光电隔离是一种电光电耦合器件，采用光电耦合器来实现，即通过半导体发光二极管（LED）的光发射和光敏半导体（光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等）的光接收，来实现信号的传递。由于发光二极管和光敏半导

16、体是互相绝缘的，从而实现了电路的隔离。 继电器隔离：实现强、弱电器件间的隔离，驱动大功率设备，一般采用中间继电器作为电路中起控制与隔离作用的执行部件。但有触点，通断时会产生火花或电弧引起干扰。晶闸管隔离：可代替继电器驱动负载，不会产生火花或电弧干扰。 随着我国铁路运输向高速、高密度、重载方向的飞速发展，高速铁路信号系统对铁路信号设备的安全性、可靠性、可维护性、互换性等方面都有了更高的要求。而今，高速铁路信号系统采用大量的低功耗、高速度、高集成度的电子电路，然而，这些电子电路使信号设 4 备易受到电磁干扰的威胁。高速铁路信号系统始终处于一个复杂的电磁环境中，为了保证高速铁路信号系统能正常、安全地

17、工作，必须要防电磁干扰，需要在电磁兼容方面做充分考虑，并采取必要的措施。 例如：计算机联锁系统对道岔、信号机、轨道电路等现场设备的控制通过继电器接点组成的结合电路实现，通过输出接口驱动安全型继电器，使其按规定吸起和落下，同时通过继电器的接点采集室外设备的状态，作为联锁运算的数据。 计算机联锁系统设备在实际使用时常常同其他系统如列控中心系统、TDCS 列车调度系统设备、CTC 调度集中系统等设备联合使用，几种设备系统通常被集中放在一个微机室里，空间非常有限，有时相互间的距离很小。这样的使用环境存在很多导致系统电磁兼容性恶化的条件，如:周围电源屏等发出的 50HZ 工频磁场干扰及静电干扰、微机室外

18、部大功率设备及机车牵引电流产生的电磁场干扰、雷电冲击干扰、周围相邻设备产生的辐射干扰、设备与其他系统的接口电缆产生的传导干扰等。这些都会影响设备的电磁兼容性能。另外，设备本身的内部配置也对系统的电磁兼容性能有较大的影响， 所谓计算机联锁系统的电磁兼容性，是指该系统设备在给定的电磁环境下能正常工作而不影响周围设备正常工作的能力。该能力包括以下三个方面的含义: 该联锁系统能够抵御给定电磁环境中的电磁骚扰，且有一定安全余量 该联锁系统所产生的电磁骚扰不能超过相关标准或技术文件的规定 给定的电磁环境未能对该联锁系统造成影响，系统可以正常工作。 电磁干扰三要素 骚扰源：高频的电源或电流是产生干扰的根源。

19、另外，还有一些电磁噪声来自自然界，比如来自银河系的噪声、雷电、静电放电及热噪声等。除此之外，还有一些人为噪声，比如铁路中的电力牵引系统带来的噪声等。 耦合途径：辐射耦合和传导性耦合。辐射耦合以空间为媒体，以电磁波为现象。变化的电场和磁场都会产生辐射干扰，而且频率越大，辐射越强。传导性耦合是通过设备间的地线、电源线等传输的电磁耦合，它以导线为媒体，以电流为现象。在电磁骚扰的实际传播中，传导祸合和辐射祸合常常是同时存在的。 敏感源：计算机联锁设备既是干扰源同时也是敏感设备。 举例：针对计算机联锁系统的抗电磁干扰技术： 抑制干扰源、切断/减少干扰源和受扰设备之间的耦合路径、提高设备的抗干扰能力。设计

20、工程师在采取 EMC 措施前，分析得出计算机联锁的主要骚扰源有： 设备本身所使用的开关电源等（这种电源的开启和断开瞬间会产生巨大的冲击电流，而这种强烈的电流变化极易产生大幅度、宽频带的电磁干扰。） 周围相邻设备的干扰：计算机联锁设备现场工作时周围相邻设备有 CTC调度集中系统、TDCS列车调度系统、ATS 自动列车监控系统、DCS集散控制系统、TCC列控中 5心及电源屏等，正常工作时需与相关设备进行信息交换等。有时由于现场条件限制，该联锁设备经常与周围信号设备紧密相贴，这样相邻设备产生的干扰就容易影响联锁设备。另外，由于系?彻魇毙璐拥缭雌烈虢弧绷鞯缭矗渌褂玫牡缭聪咄晌扇糯闹匾浇椤馐且蛭暗缭聪叩

21、某劝璞傅牡缭唇吆偷缌涞募芸障哐由煸谀谧阋怨钩缮淦敌藕诺挠行欢煜摺薄?静电干扰：主要发生在设备维护或调试人员直接接触设备或接触相邻设备时。在一些干燥地区，人体极易产生并积累静电。当人体接触设备时，静电通过空气释放出来，可能会产生瞬间的高压和微小的电流，从而影响电路，甚至导致电路损坏。另外，当人体接触相邻设备时释放的静电电流会通过耦合的方式进入电路，从而影响设备。等骚扰源。 一电源防雷滤波技术 为减少雷电灾害等产生的影响，各站信号室一般都有防雷设施，且针对室外引入的信号线设立了防雷分线柜，防雷分线柜对每一根信号线都进行了防雷保护，且在防雷分线柜的底部针对有些电源线加装了电源滤波器。这些举措虽然能在

22、一定程度上起到作用，但是这种电磁兼容防护仍然不是完备的，仍然会有一些电磁骚扰如传导骚扰进入设备。因此计算机联锁设备综合柜在交流 220V 电源引入端子处设计了滤波和防雷电路。从电源屏送来的交流 220V 电要先经过一个滤波器和防雷器件后才能进入 UPS不间断稳压电源，UPS 的输出再送给联锁柜、监控机等设备。 根据电源的工作频率、要抑制信号的频率及干扰源和负载电路的阻抗、电路额定电压和额定工作电流等筛选确定滤波器的类型，为防止滤波器的输入和输出端线路发生耦合，滤波器的输入和输出线均采用了双绞线，且在配线时规定输入线和输出线分开扎线，严禁困扎在一起。 为防止雷击等干扰，在电源输入端增加了防雷器件

23、。当雷电发生时，防雷器件可以快速由高阻抗转变为低阻抗，为雷电提供泄泻通道，并可以使高压瞬变干扰脉冲抑制到预定电压，从而有效保护设备和敏感器件不受损坏，保证电路正常工作。 二接地技术 合理的接地技术是实现系统或设备的电磁兼容性的最经济有效的途径。接地是为了给电流返回信号源提供一个低阻抗通道，是为了给电路或系统提供一个等电位点或等电位面，同时也是为了给噪声提供一个低阻抗通路。接地可以防止强电流对人体产生感应电流、可以防止漏电产生的火灾、可以防止弱电流产生的杂因。接地可分为工作接地和保护接地两大类。前者是指为了保护人身和设备安全，避免雷击、静电和漏电的危害而必须接大地。后者是为了提供基准电位以保证电

24、路的正常工作，为信号电流流回信号源提供低阻抗通路。 1.悬浮接地 为有效遏制雷害影响，在综合柜交流电引入端子处及 24V 电源组合输出端子排加装了横向、纵向防雷器件，在综合柜加装了交流电源隔离变压器，还对联锁机柜、扩展机柜进行了浮地设计，即系统地悬浮，与大地绝缘。 TYJ L-ADX 系统机柜联锁柜内的 FCX 机笼、FFC 机笼、扩展柜内的 FFC 机笼、以及相关通信设备全部浮置安装十机柜内，严禁与现场外部地线相连接。联锁柜、扩展柜的所有机笼周围与机架之间都装有垫绝缘衬条。另外，为保证绝缘效果，还使用绝缘材料定制了螺钉隔离垫，用十机笼与机柜间的固定螺钉上 联锁柜、扩展柜的电路系统对地电阻很大

25、，做到了真正意义上的悬浮，可有效遏制外部共模干扰。因此当设备在现场使用时，悬浮接地可以有效降低联锁柜、扩展柜的电路免受雷击影响。 2.单点接地 如同大多数电子装置一样，ADX 系统联锁/扩展柜是由以电路板为代表的电子线路，放置电子线路的架以及外框架构成。 6 为使柜内各 FCX 机笼、FFC 机笼、滤波器、电源等相互之间的基准电压相等，同时为了避免地面产生影响，机柜设计时采用了单点接地手段，如图 3-4 所示。 对于每层机笼 POWER 板的 SG 均先接到机柜左侧的竖向汇流条上，然后再通过竖向汇流条与机柜底部的汇流条相连，即使用了串联单点接地的方法。 每层机笼的框架 FG 及通信电缆屏蔽层单

26、端引到每层机笼前部汇流条，再各由一根铜编织线与机柜底部的汇流条相连，实际上也是采用了串联单点接地的方法。 联锁机柜与扩展机柜各机柜底部汇流条之间用用一根较粗的铜编织网线连接，相当于不同机柜之间采用了并联单点接地的方法，这样可以有效防止柜间的共模干扰。为降低接地阻抗，图 3-4 中的竖 n 汇流条和机柜底部汇流条材质选用紫铜，各地线也采用阻抗较小的铜编织线，将各接地点与机柜底部汇流条之间的阻抗有效降低在 0.5 欧姆以内，在保证各电子线路的基准电压的同时也降低了各机笼内的电子单兀间的干扰。 注意联锁机柜和扩展机柜的竖向汇流条和底部汇流条与机柜壳体之间是绝缘的，且汇流条最终并不与外部连接，即不接入

27、真正意义上的大地，以达到前一节悬浮接地的目的。 综合柜也采用了单点接地方式，柜内的监控机 A、监控机 B、光交换机 A/B 及其电源、UPSA UPSB 等都通过一根 6 平方黄绿多股线与综合柜机柜底部汇流条相连接，最终再由机柜底部汇流条与室外大地相连，以防止雷击、静电、漏电流等危害。 三隔离技术 电路中采用隔离技术目的是切断耦合路径，抑制干扰。其中隔离方法有:“变压器隔离法、继电器隔离法、光电耦合隔离法、直流电压隔离法、线性隔离放大器隔离法、A/D 转换器隔离法”。 计算机联锁设备中主要采用了变压器隔离法、继电器隔离法和光电隔离法。 在计算机联锁设备综合柜底部设置了 2 个功率为 1KW 的

28、变压器，作用是将经防雷滤波后的 AC220V 电源转化为 ACl00V，再送到联锁柜底部的电源网络组合，供联锁柜内电源板、电源模块的输入用。这样可以使一次危险侧输送的 AC220V 电压经过该变压器的采集、放大、运算及抗干扰处理后，隔离出标准的 ACl00V 电压，安全送给二次侧的关键器件和设备使用。 计算机联锁系统控制室外现场设备，如信号机、道岔、轨道电路、轨道电码化等，是通过继电器接点组成的结合电路实现的。计算机联锁系统通过输出接口驱动安全型继电器，使其按规定吸起和落下，同时通过继电器的接点采集室外设备的状态，作为联锁运算的数据。继电器接点电路与室外设备通过信号电缆进行远程连接。通过这种方式可以有效隔离室内、室外信号，防止误动作，保证行车安全。 该联锁系统的联锁柜底部设置了两个光电转化器，作用是将送来的电信号转换成光信号送到综合柜上的光交换机，光交换机再将光信号转换为电信号，最终完成联锁机与监控机 A、监控机 B .