内蒙古伊泰准东铁路有限责任公司 内蒙古鄂尔多斯 010300
摘要：目前国外对电缆串扰的研究主要集中在多导体传输线和单层屏蔽电缆，研究模型中信号回路通常默认为是双端接地，而在铁路现场，许多信号电缆已采用双层屏蔽，同时信号回路大多数为浮地设计。因此目前关于电缆串扰的研究成果并不能直接用于指导铁路现场的工程实践。国内对铁路现场信号电缆屏蔽方式、接地方式及接地工艺对电磁干扰影响的研究暂时还处于起步阶段，有关技术标准的规定不够明确，甚至相互矛盾。
关键词：信号电缆；串扰；电磁拓扑；屏蔽；接地
引言
在铁路运营系统中，正常的铁路信号，是保障其平稳运行的关键。安全事故的发生，给铁路运营方面，造成了巨大的经济损失，通过调查发现，很多时候铁路的事故均是由外部原因造成的，像雷击外电力系统的干扰，还有电力机车内部各电子设备间的互相干扰，都对铁路信号的正常运作造成了负面的影响。随着铁路运行速度的不断提高，铁路信号上存在的电磁安全隐患，可能会造成不小的阻碍，因此，针对铁路信号干扰的探讨和研究，必须要进行适当的加强，消除强电磁对铁路信号的影响。
1 铁路信号干扰
铁路作为交通运输的骨千，肩负起了全国大部分的客货运载，为国家发展和社会进步做出了巨大的贡献。在铁路运载系统中，不同系统间能量与信息的传输和交换主要通过电缆来实现的。当电缆上有电流流过时，会在其周围产生电磁场，而周围电缆由于电磁感应的作用会在其表面产生感应电流，从而在电缆连接的电路系统和终端设备中产生电磁干扰，这种干扰是铁路系统中最常见的干扰模式之一。
1.1 雷电电磁干扰
①直击雷，其通常是对被保护物进行放电，破坏性巨大，对于信息系统中电子设备的损坏也比较大，火车站内的铁路信号多是集中在信号机械实的附近，战场的主要设备像信号微机联锁等设备就集中在信号机械楼上。针对这一点，相关部门多是采用安装避雷针的方法进行防治，当然，尽管避雷针的应用，可以在一定程度上降低雷击的损害，但是由于铁路信号中相关仪器设备的精密度越来越高，电子化程度越来越深入，仅靠避雷针已经不能完全消除强电磁对铁路信号内容的影响。②感应雷，就是指在其进行放电的过程中，并没有直接集中铁路信号系统，但是由于其在放电的过程里，产生了巨大的磁场变化，这就相应的会使其附近的导体，生成强大的电磁脉冲，这些电磁脉冲，会沿着导体进行传导，并且在其传导过程中，对电路中的元器件的灵敏度造成影响。由于铁路信号系统中，电器元件的集成度比较高，感应雷所带来的电磁脉冲，可能会对铁路系统的信息传导内容，造成严重的损失。
1.2 电磁频谱宽
铁路系统中有用信号和电磁干扰覆盖的频率范围很宽，低至直流的轨道电路，高至几GHz的无线通信。低频电磁问题通常采用基于电路模型的“路”的方法求解。高频电磁问题通常采用基于麦克斯韦方程的“场”的方法求解。“路”的方法通常基于电路模型，利用MultisiiruProtel等电路仿真软件，来求解系统的电磁响应。“场”的方法则是基于各种电磁数值分析方法，如矩量法（MoM）、有限差分时域法（FDTD）及有限元法（FEM）等，来研究系统内的场分布。然而，铁路系统内的电磁干扰既有低频传导问题，又有高频辐射问题。虽然理论上都可以用电磁数值分析方法进行求解，但对于复杂系统，会由于求解单元数量大而导致计算周期过长，甚至得不出计算结果；如果单纯采用路的方法，则对高频问题的分析误差过大。
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1.3 干扰以瞬态脉冲为主
高速铁路是强电系统和弱电系统组成的开放式复杂电磁系统。高速铁路系统的干扰源可能来自静止的铁轨、接触网、移动基站或是运动的机车。耦合途径可能是导线传导、近场耦合或辐射耦合。敏感设备则可能是机车上的电子设备，或是轨旁静止的电子设备。雷电脉冲、受电弓离线放电火花、短路故障电流等瞬态干扰是高铁现场危害最大的、也是较为常见的电磁千扰源，其特点是这类干扰往往具有偶发性和瞬时性，因此很难确定具体的电磁干扰源及耦合方式，电磁干扰防护措施也就无处谈起。
2 铁路信号电缆屏蔽及接地方式
2.1 敏感电路浮地
在铁路现场，通常存在的主要是5KHz以下的频率分量，因此对于铁路现场信号电缆之间的磁场耦合，单层屏蔽电缆屏蔽层单端接地或双端接地均不能起到很好的屏蔽效果。为了解决该问题，提出一种新的接地方式：敏感回路信号电缆采用双层屏蔽，并将外屏蔽层双端接地，内屏蔽层单端接地。其结构图如图所示，此方法是针对屏蔽层中的串扰电流对芯线产生附加电容耦合而提出，其能够有效抑制频率在5KHz附近的附加电容耦合，完善了单纯双端接地时屏蔽效能的不足。下面着重介绍该方法实现屏蔽功能的原理。由上述分析可知，将外屏蔽层双端接地，电场稱合和频率在以上的磁场耦合通过外屏蔽层就能被屏蔽掉；当频率在3KHz-5KHz范围内，由于外屏蔽层内侧存在电流，此时如果只是单层屏蔽，将会对芯线产生电场耦合，此时在外屏蔽层与芯线之间再加一个内屏蔽层，将内屏蔽层单端接地，则内屏蔽层的电位为零，外屏蔽层产生的电场耦合被内屏蔽层有效屏蔽掉，可以进一步减小信号电缆芯线所受电磁干扰。然而，该方法虽然能够有效抑制频率在5KHz附近的磁场耦合，但是依然不能有效屏蔽低频段的磁场耦合，因为在低频段屏蔽层中的电流很小，屏蔽层不能有效起到屏蔽电磁干扰的作用。
2.2 双层屏蔽
从电缆成本及接地施工方便的角度，信号电缆通常采用单层屏蔽。不论敏感电路是否接地，其电缆屏蔽层采用何种接地方式，均不能同时兼顾低频和高频的磁场屏蔽。而测试及仿真结果同时表明，通常情况下电缆间的串扰恰恰是以磁场耦合为主。这是铁路现场信号电缆屏蔽层不论采取什么接地方式，频繁出现被干扰的主要原因。为此目前国内部分信号设备电缆已采用双层屏蔽。
2.3 单层屏蔽
对于单层屏蔽电缆串扰的测试，将非屏蔽电缆共轴测试中敏感回路的其中一条电缆变为单层屏蔽电缆，另外一条电缆变为铜线来模拟接地，其他设备参数与接线情况与非屏蔽电缆共轴测试时一致，并且将敏感回路分为接地和浮地两种情况，分别对屏蔽层双端浮地、单端接地、双端接地的串扰大小进行测试。当敏感回路接地，实测中屏蔽层单端接地的耦合系数与屏蔽层双端浮地时基本一致，屏蔽层并没有起到串扰的屏蔽作用；而屏蔽层双端接地之后，耦合系数明显减小，说明屏蔽层起了作用，两回路之间的串扰降低。当屏蔽层均双端接地，敏感回路浮地比敏感回路接地具有更好的串扰屏蔽效能，这是因为敏感回路浮地消除了地环路的影响，明显降低了两回路间的串扰。
结束语
综上所述，为了使信号电缆同时实现低频和高频磁场屏蔽，可采用双层屏蔽电缆结构，其外屏蔽层双端接地，内屏蔽层单端接地。仿真结果表明，对于敏感电路接地的情况，这种结构的屏蔽效果在整个频段要优于单层屏蔽结构，但在几千赫磁的低频段，其屏蔽效果的改善依然不够明显。与此矛盾的是，音频轨道电路、驼峰测速雷达等设备的工作频率恰恰处于该频段，容易受到牵引电流谐波的干扰。如何改善屏蔽电缆低频段的屏蔽效能，依然是下步铁路信号电缆抗干扰的研究重点。
参考文献
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论文作者:戈力巴
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第34期
论文发表时间:2018/5/15
标签：屏蔽论文; 电缆论文; 铁路论文; 电磁论文; 回路论文; 信号论文; 系统论文; 《建筑学研究前沿》2017年第34期论文;