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地铁通信直流电源电磁干扰的抑制办法

地铁通信直流电源电磁干扰分析及其抑制

引言

地铁通信直流电源系统承担全线通信设备供电, 由直流电源系统引发的电磁干扰(EMI)可以从尖峰干扰到完全失电之间进行变化,干扰形式包括电压变化、频率变化、波形失真、静电放电等,轻者会造成通信设备数据误码率增大或数据丢失,重者会造成通信设备的“死机” 或莫名其妙的关机,严重时,甚至会损坏通信硬件设备,从而造成通信系统的中断。

1 直流电源电磁干扰产生的原因

通过直流电源进行传输并能够影响电子设备工作或造成其破坏的干扰,主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波,而静电放电等只要直流电源设备本身不产生停振、输出电压跌落等现象,就不会对用电设备造成影响。

据铁道直流电源专家团队的长期研究发现,直流电源电磁干扰产生的可能原因如下:

(1)由电感性或电容性负载的开关、功率因数补偿电容的切换、空载电动机的断开引起的直流电源瞬变;

(2)来自不带隔离变压器的UPS、逆变直流电源或变频器等所产生的调制干扰;

(3)架空电力线或UPS外接电池的空间电缆感应的电磁辐射干扰;

(4)由直流电源零线对地线的电位过高引起的干扰;

(5)由高频开关直流电源引起的干扰, 功率开关器件的高额开关动作是导致开关直流电源产生电磁干扰(EMI)的主要原因;

(6)由雷击所引起的直流电源跌落或高能瞬态浪涌,雷电能量集中分布在工频附近, 直流电源线引入感应雷击,通过阻性耦合方式经中线及地线破坏设备。

2 抑制直流电源电磁干扰的措施

在直流电源中要消除外来的瞬态浪涌、频率波动和各种电磁干扰所带来的不利影响,为此,直流电源团队工程师建议采用以下措施:

2.1抑制零线电磁干扰

直流电源系统的零线对地线的电位过高时,在计算机通信接口插入连线时,轻者会造成计算机“死机”,重者会造成CPU被烧毁。在地铁实际环境中,理想的地线是不存在的,当电流流过时必然会产生电压降。根据地线中干扰形成机理注意以下两点:第一,尽量降低系统接地阻抗和直流电源馈线阻抗;第二,正确选择接地方式和阻隔地环路。

2.2 抑制开关直流电源干扰

使直流电源干扰不对电子设备造成危害的根本办法是削弱噪声发生源,或者切断直流电源噪声和电子设备之间的耦合途径。高频开关型稳压直流电源产生的电磁干扰辐射频率主要是直流电源工作频率的基波和二、三次谐波。

开关管快速通断产生的浪涌电流和尖峰电压,是开关直流电源产生电磁干扰及开关损耗的主要原因。软开关技术是减小开关器件损耗和改善开关器件电磁兼容特性(EM C)的重要方法。使用软开关技术,使开关管在零电压、零电流时, 吸收开关管或高频变压器初级线圈两端的尖峰电压, 能有效地改善电磁兼容特性。

对开关直流电源二根进线而言, 直流电源线干扰可以使用直流电源线滤波器滤除,一个合理有效的滤波器应该对直流电源线上差模干扰和共模干扰都有较强的抑制作用。普通直流电源滤波器是由一些无损耗电抗元件构成的,能阻止频带以外的其他信号通过,而把一部分信号反射回信号源,这样反而导致干扰电平的增加而不是减小,有些直流电源产品使用群脉冲干扰对抗器,采用吸收与反射相结合的原理,克服了滤波器的上述缺点。

抑制辐射噪声的有效方法就是屏蔽,为了防止变压器的磁场泄露,使变压器初次级耦合良好,可以利用闭合磁环形成磁屏蔽,开关直流电源的连接线、直流电源线都应该使用具有屏蔽层的导线,尽量防止外部干扰耦合到电路中,或者使用磁珠、磁环等EMC元件,滤除直流电源及信号线的高频干扰。整个开关直流电源的外壳尤其接缝处也需要有良好的屏蔽特性。

2.3选择正确的接地方式

单点接地主要适用于频率低于1MHz的低频电路,为防止工频电流及其他杂散电流在信号地线上各点之间产生地电位差,信号地线与直流电源及安全地线隔离,在直流电源线接大地处单点连接。地铁车站沿线的主变压器处作可靠的单点接地,确保接地阻抗达到电气规范要求。同时将接地点引出到屏蔽笼子的外面,保证地电位为零电位,消除因电荷泄漏不完全而出现地电位漂浮的现象。

2.4选配高品质的UPS供电系统。

不同类型的UPS提供不同级别的抗干扰保护。目前,可供选择的UPS可大体分为两大类,非在线式和在线式UPS。

(1)非在线式UPS包括后备式、在线互动式和Delta变换器型。对于后备式和在线互动式UPS来说,当电网输入正常时,利用位于交流旁路通道上的稳压电路进行调压控制,向用户提供稳压精度为10% ~15% 的直流电源。对于Delta变换型UPS来说,它利用Delta变换器对位于主供电通道上的“补偿变压器”执行Delta数量级(10%~1 5%标称输出电压)的“补偿” 电压调控,提供稳压精度为1% 的直流电源。在此条件下,直流电源输入端与UPS输出端是没有电隔离的。仅当外电供电不正常时,上述3种UPS才向用户提供高质量的逆变器直流电源。显然,这3种UPS的主要设计功能是针对解决输人电压的波动问题,并不能解决直流电源的频率和谐波失真和其他干扰问题。

(2)在线式UPS首先将输入直流电源变成稳压的直流直流电源, 然后经逆变器变成稳定的纯净的高质量直流电源。

值得注意的是,为适应不同的用户需求,在线式UPS有不同的设计方案, 向用户提供的抗干扰保护的级别也有所不同。按UPS可提供的抗干扰保护的完善程度由高向低排序为:双原边绕组输出变压器的在线式UPS;带输出隔离变压器的在线式UPS;不带输出隔离变压器的在线式UPS等。带双原边绕组隔离变压器的UPS,中线对地线电位极低, 并可切断任何从电网串人的干扰。

因此,选配高品质的UPS供电系统是直流电源系统的最佳设计。

2.5 直流电源雷击防护

雷电是浪涌电压的一种,雷电对线路的感应和地电位反击是造成设备损坏的重要的原因,直流电源雷击的防护措施主要有:

(1)等电位连接,等电位连接的目的,在于减小防雷空间内各金属部件和各系统之间的电位差,即将机房内的主机金属外壳、UPS及电池箱金属外壳、金属地板框架、金属门框架、设施管路、电缆桥架、铝合金窗的等电位连接,并以最短的线路连到最近的等电位连接带或其他已做了等电位连接的金属物上,且各导电物之间尽量附加多次相互连接;

(2)室外直流电源线金属屏蔽及重复接地,对室外直流电源线,避免架空导线直接进入机房设备,尽可能埋地缆进入,并用金属导管屏蔽,屏蔽金属管在进入建筑物或机房前重复接地,最大限度衰减从各种导线上引入雷电高电压;

(3)加装防雷器,对线路中的瞬态过电流、过电压进行有效的抑制,直流电源防雷器分为B、C、D三级,地铁通信系统中采用D级。

3 结束语

地铁通信各系统的安全正常运行, 与直流电源系统的电磁兼容性能息息相关,随着地铁线路的不断增加,直流电源系统的电磁兼容性问题的重要性越来越受到重视,这就需要不断提高地铁直流电源系统的电磁兼容性。

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