1、铁路信号电缆屏蔽及接地方式的研究分析 崔勇 杨世武 刘志明 王颖 北京交通大学电子信息工程学院 北京全路通信信号研究设计院集团有限公司 摘 要： 随着高速铁路的快速发展以及电子化信号设备的广泛应用, 铁路现场频繁出现牵引供电系统对信号设备的干扰。然而, 对于不同接地方法对屏蔽电缆串扰的影响, 一直缺乏系统的理论研究。本文首先对敏感电路以及屏蔽层不同接地方式对屏蔽电缆串扰的影响进行理论分析。然后基于电磁拓扑理论, 建立电缆串扰问题的 BLT 方程, 测试并仿真计算不同屏蔽、接地方式下屏蔽电缆串扰的大小。测试结果验证了仿真模型的有效性。最后对采用新型双层屏蔽结构电缆的串扰进行仿真计算。计算结果验证
2、了该结构的有效性。关键词： 信号电缆; 串扰; 电磁拓扑; 屏蔽; 接地; 作者简介：崔勇 (1975) , 男, 山西山阴县人, 讲师, 博士。E-mail:收稿日期：2016-04-29基金：北京交通大学基本科研业务费 (W16JB00170) Research on Shielding and Earthing Methods of Railway Signal CablesCUI Yong YANG Shiwu LIU Zhiming WANG Ying School of Electronic and Information Engineering, Beijing Jiaotong
3、 University; Beijing National Railway Research Abstract： With the rapid development of high-speed railway and the wide application of electronic signaling equipment, the electromagnetic interference to signaling equipment caused by the railway traction power supply system occurs more frequently and
4、is more complicated than before.However, systematic theoretical study on the influence of different earthing methods on the crosstalk of shielded cables, has been dificient.In this paper, a theoretical analysis about the effect of different earthing methods of the susceptive circuit and the shieldin
5、g layer on the crosstalk of shielded cable was given firstly.Then based on electromagnetic topology theory, the BLT equation about the cable crosstalk problem was established.The crosstalk values of the cable with different shielding and earthing measures were measured and calculated.The validity of
6、 the simulation model was verified by the measurement results.At last, the crosstalk of a cable with new double-shielding structure was simulated and calculated.The calculation results verified the effectiveness of the proposed structure.Keyword： signal cable; crosstalk; electromagnetic topology; sh
7、ielding; earthing; Received： 2016-04-29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1-3, 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4-8, 有关技术标准的规定不够明确, 甚至相互矛盾9。由于目前对铁路信号电缆受干扰的机理尚不明确, 现场电缆受干扰时, 没有明确的应对措施, 只是盲目地改变屏蔽层接地方式, 抑
8、制干扰的效果通常不理想。铁路现场电磁环境复杂, 具有电磁频谱范围宽、幅值高及干扰类型多的特点。铁路信号电缆屏蔽及接地方法的深入研究就显得尤为迫切。本文首先对不同接地方式对屏蔽电缆串扰的影响进行定性的理论分析, 然后基于电磁拓扑理论, 建立电缆串扰问题的 BLT 方程10, 仿真计算不同屏蔽、接地方式下屏蔽电缆串扰的大小。在研究方法上采用电磁拓扑法, 相比于常用的等效电路法, 该方法更适合于宽频谱、多导体、多屏蔽层这类复杂电磁问题的仿真计算。基于本文提出的电缆串扰的电磁拓扑模型, 对内外屏蔽层分别采用单端和双端接地的双层屏蔽电缆的串扰进行仿真计算, 计算结果表明, 该方式能够在较宽的频带 (10
9、10Hz) 范围内, 对电磁干扰起到良好的屏蔽作用。1 理论分析在电子电力系统中, 电子设备 (如电子化的信号设备) 容易受到电力系统 (如牵引供电设备) 的干扰, 属于敏感设备。当电力电缆与信号电缆之间距离小于/20 ( 为波长) 时, 两电缆之间就会产生串扰。串扰属于近场干扰, 包括电场耦合和磁场耦合两种方式。通常采用在电缆外加屏蔽层并对屏蔽层采用合适接地的方法来抑制串扰。实际上除了电缆屏蔽层的接地方式, 敏感电路本身的接地方式, 也会对串扰产生影响。本文分别讨论敏感电路接地以及敏感电路浮地两种情况下屏蔽层接地方式对串扰的影响。1.1 敏感电路接地本文电路接地指的是电路通过导体与大地相连,
10、 利用大地作为回流通道。(1) 屏蔽层接地对电场耦合的影响由于平行导线间存在互电容, 可以通过电场耦合产生串扰, 见图 1。如果敏感电路接地与大地构成回路, 并且该敏感电路 (即接收回路) 采用屏蔽层, 则骚扰回路对接收回路的耦合电容由两部分组成, 一部分是干扰回路至屏蔽层的耦合电容 CGS, 另一部分是屏蔽层对导线的耦合电容 CSR。屏蔽层对地电容为 CSS。如果屏蔽层不接地, 则骚扰回路的骚扰电流会通过 CGS和 CSS组成的串联电容耦合至敏感回路, 屏蔽层的作用有限。而当屏蔽层接地时 (不论是单端接地, 还是双端接地, ) , 骚扰电流通过 CGS耦合至屏蔽层后, 由于接地线的接地电阻通
11、常远小于 CSS的容抗, 大部分的骚扰电流会通过接地导体流向大地, 因此不会对敏感电路造成干扰。(2) 屏蔽层接地对磁场耦合的影响骚扰回路和接收回路间除了存在互电容, 还存在互电感。根据安培环路定律, 骚扰回路中的电流会在其周围产生磁场。而交变磁场会通过电磁感应的作用, 在附近的接收回路中产生感应电流, 即产生磁场耦合。接收回路中感应电动势为式中: 为接收回路的磁通;B 为磁感应强度;S 为接收回路的面积。当骚扰磁场B 一定时, 则接收回路的面积越大, B 在接收回路上产生的感应电动势越大。为讨论问题方便, 现只考虑接收回路。图 2 为带屏蔽层的接收回路电路接线图及等效电路图。图中虚线表示可能
12、设置的接地线。I L为芯线中的感应电流, I G为通过大地回路的感应电流, I S为可能存在的流经屏蔽层的感应电流, I L=IG+IS。M 是屏蔽层和芯线的互感, L S和 rS分别为屏蔽层的自感和电阻。如果屏蔽层不接地或只有一端接地, 则屏蔽层与大地构不成回路, I LI G, IS0。此时整个接收回路的面积如图 3 (a) 和图 3 (b) 中虚线所示的阴影部分。如果屏蔽层双端接地, 除了敏感电路与大地构成的回路外, 屏蔽层与大地也构成回路。此时 IS和 IL的关系为11式中: 0=rS/LS定义为截止频率。如果骚扰频率 大于 5 0, ILI S, IG0, 即大部分回流通过屏蔽层流回
13、源端, 此时整个接收回路的等效面积如图 3 (c) 中虚线所示。不过, 随着 的降低, 通过大地回流的电流 IG会不断增加, 接收回路的等效面积也会随之增加, 对磁场屏蔽的效果降低。通常, 同轴电缆的5 倍截止频率都小于 10kHz。1.2 敏感电路浮地敏感电路采用浮地设计, 即采用专用的回流线而不是大地作为回流通道, 则敏感电路自身的回路面积很小, 可以忽略。当电缆屏蔽层浮地时, 根据前面所述串扰耦合机理, 串扰以电场耦合为主, 磁场耦合可以忽略。不过前提是在低频情况下。因为即使敏感电路浮地, 其与大地之间往往存在一定的分布电容, 在高频情况下, 分布电容的容抗很小, 导致敏感电路实际“接地
14、”的效果, 此时回路面积如图 4 (a) 中阴影部分, 出现明显的磁场耦合。图 4 中的 CG表示敏感电路与大地间的分布电容。如果电缆屏蔽层单端接地, 可以对电场起到良好的屏蔽效果。同时在低频情况下, 由于敏感电路自身回路面积很小, 磁场耦合也可以忽略。不过在高频情况下, 由于分布电容导致实际接地的效果, 此时回路面积如图 4 (b) 中阴影部分所示, 磁场的屏蔽效能依然不理想。如果屏蔽层采用双端接地, 则屏蔽层和大地构成的回路, 在低频时, 接地的屏蔽层反而会引入不必要的磁场耦合。不过在高频时, 双端接地的屏蔽层则会减小回路面积, 如图 4 (c) 中阴影部分所示, 起到良好的磁场屏蔽效果。
15、可见, 对于浮地设计的电路, 单层屏蔽电缆很难实现在较宽频率范围的磁场屏蔽。理论分析的结果总结见表 1。表 1 敏感电路屏蔽层接地方式对屏蔽的影响 下载原表 2 电磁拓扑模型工程实践中可能存在多个干扰源和敏感回路, 同时敏感回路可能采用多层屏蔽, 各层屏蔽的接地方式也可能不同。对这类复杂电磁问题的仿真计算, 通常采用等效电路法、有限差分时域法 (FDTD) 、有限元法 (FEM) 或电磁拓扑法 (EMT) 12-15。相对于其他方法, 电磁拓扑法具有编程简单、运算速度快和适用范围广的优点, 因此本文采用电磁拓扑法。两电缆间串扰的电磁拓扑模型见图 5。这里将电缆抽象为管道, 管道上存在正向传输的
16、电压向量 V (x) 和负向传输的电压向量 V (x) , 两结点电压向量分别用 V1和 V2表示。设管道上的电压波以 e 传播, 为波沿管道传输的传播常数矩阵。两结点电压方程式 (3) 即为串扰模型下的电压 BLT 方程。其中, Z C为传输线特性阻抗;V S和 IS为在管道 x=xS=0 处加的集总电压源或集总电流源; 1、 2分别为管道两末端的反射系数。根据电路中电压和电流关系可得到得两结点电流 BLT 方程为图 5 中的管道可以包括多条电缆。因此该模型用于研究多条电缆之间的串扰时, 式 (3) 、式 (4) 中的各符号均为向量或矩阵形式。如研究骚扰回路对带屏蔽层的敏感 (接收) 回路的
17、串扰, 模型中的管道可以看成是由 4 导体传输线 (3条导线, 1 条参考线即地线) 构成的传输通道, 其分布参数模型见图 6。此时式 (3) 中的两结点电压 V1和 V2为向量形式图 6 中 VG、V R、V S分别为骚扰线、接收线和屏蔽层电压, I G、I R、I S分别为骚扰线、接收线和屏蔽层电流。l GG为骚扰线单位长度电感, l RR为接收线单位长度电感, l SS为屏蔽层单位长度电感, l GR为骚扰线与接收线单位长度互电感, l GS为骚扰线与接收线之间单位长度互电感, l RS为接收线与屏蔽层之间单位长度互电感, C GG为骚扰线单位长度电容, C RR接收线单位长度电容, C
18、 SS为屏蔽层单位长度电容, C GR为骚扰线与接收线之间单位长度互电容, C GS为骚扰线与屏蔽层之间互电容, C RS为接收线与屏蔽层之间互电容。求解时, 首先通过给定传输线的结构参数以及终端条件求得矩阵方程中各矩阵参数, 然后便可以通过式 (3) 或式 (4) 求出结点的电压或电流响应。设传输线的单位长度阻抗矩阵 Z, 单位长度导纳矩阵 Y, 单位长度电阻矩阵 R, 单位长度电感矩阵 L 和单位长度电容矩阵 C。R、L、C 具体的表达式可参见文献2, 则单位长度阻抗矩阵和导纳矩阵为传播常数矩阵 需要通过对角化 ZY 矩阵求得传输线的特性阻抗为电缆两端反射系数矩阵为式中:i=1、2;Z L
19、i为 i 端的负载阻抗矩阵。屏蔽层接地方式不同, 终端负载阻抗矩阵不同。不同接地方式下, 终端负载阻抗矩阵见参考文献2。将式 (8) 式 (10) 带入式 (3) 或式 (4) , 即可求出结点的电压或电流响应。3 仿真分析3.1 单层屏蔽利用前面建立 BLT 方程, 对单层屏蔽层不同接地方式下, 接地敏感回路受到的串扰进行仿真计算。设置模型结构参数为:敏感回路电缆采用同轴电缆, 芯线横截面半径为 rwr=1.085mm, 屏蔽层的内半径为 rsh=3.075mm, 屏蔽层的厚度为tsh=1.065mm, 骚扰回路和敏感回路距离地平面的高度为 hG=hR=10cm, 两回路间的距离为 s=10
20、cm, 两回路长度 L=4m, 终端阻抗采用相同的阻值, ZL1=ZL2=RNE=RFE=50。定义串扰耦合系数 (单位:dB) 为根据上述模型参数, 对不同接地方式下 (两端负载阻抗为 50 情况下) 两回路间的串扰耦合系数进行仿真计算, 结果见图 7, 其中图 7 (a) 为基于 BLT 方程的仿真结果, 仿真的频率范围为 1010Hz, 图 7 (b) 为测试结果, 频率范围为10410Hz。在相同频率范围内, 仿真与测试结果基本吻合, 验证了仿真结果的有效性。由图可见, 在较高频率 (1010Hz) 时, 屏蔽层双端接地的耦合系数明显小于单端接地或浮地的情况;在低频 (小于 10Hz)
21、 时, 双端接地的耦合系数则和单端接地的情况基本相同, 这与理论分析结果一致。在更高频率 (大于 10Hz) , 由于此时已不属于产生串扰的近场范围, 上述基于分布参数模型的计算结果不具有参考意义。测试及仿真结果同时表明, 单端接地的耦合效果只是略小于双端浮地的情况, 这说明串扰中电场耦合较小, 磁场耦合占主导地位。这是由于骚扰回路和敏感回路间的分布电容与导线的表面积成正比, 与两者间的间距成反比。通常情况下, 导线的表面积很小, 因此两者之间的实际分布电容很小, 通常为皮法级。3.2 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。但表 1 所示的分析结果表明, 不论敏感
22、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。某些双层屏蔽电缆采用外屏蔽层双端接地、内屏蔽层单端接地的形式, 见图 8。图中内屏蔽层为 S1, 外屏蔽层为 S2, CS1S2表示两屏蔽层之间的互电容, C RS1为芯线与内屏蔽层之间的互电容。对于敏感电路浮地的情况, 双端接地的外屏蔽层可以屏蔽电场干扰和高频磁场干扰。低频时, 磁场会在外屏蔽层和大地构成的回路上产生感应
23、电流, 此时如果只是单层屏蔽, 该电流会通过外屏蔽层和芯线间的分布电容耦合至芯线。如果在外屏蔽层与芯线之间再加 1 个单端接地的内屏蔽层, 则内屏蔽层电位为零, 外屏蔽层产生的电场干扰被内屏蔽层有效屏蔽。因此这种结构可以屏蔽低频和高频的电场及磁场干扰。对于敏感电路接地的情况, 根据前面分析, 该方法能够有效抑制 5 0以上频段的磁场耦合, 但是依然不能有效屏蔽 5 0以下频段的磁场耦合。对此双层屏蔽结构的屏蔽效能进行仿真。考虑铁路现场信号电缆的长度通常为数百米甚至数千米, 因此仿真中电缆的长度设为 1 000m, 模型的外屏蔽层半径为 6 mm, 屏蔽层厚度为 1 mm, 其余结构参数均与前节
24、中的单屏蔽同轴电缆相同。仿真结果见图 9。由图 9 可见, 双层屏蔽的屏蔽效果总体上优于单屏蔽层。即使在 1010Hz 较低频率范围附近, 串扰系数也有明显降低。4 结束语本文理论分析表明, 除了电缆屏蔽层的接地方式外, 敏感电路的接地方式也会对电缆间的串扰产生影响。测试及仿真结果表明, 电缆间的串扰以磁场耦合为主, 电场耦合相对较小。对于单层屏蔽, 无论敏感电路和屏蔽层采取何种接地方式, 都不能兼顾低频和高频磁场屏蔽。因此在工程实践中, 对于单层屏蔽的信号电缆, 应在综合考虑敏感设备的工作频率 (或易被干扰的频率) 以及敏感电路接地方式的基础上, 选取合适的屏蔽层接地方式, 来达到理想的屏蔽
25、效果。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1TESCHE F M, BUTLER C M.On the Analysis of General Multiconductor Transmiss
26、ion-Line NetworksJ.Interaction Notes 350, 1978, (11) :230-331. 2PAUL C R, BOWIES B A.Literal Solution of the Transmission Line Equations for Shielded WiresC/Proceedings of IEEE 1990Int.Symposium on EMC (Electro-Magnetic Compatibiloty) .New York:IEEE, 1990:591-599. 3THEETHAYI N, THOTTAPPILLIL R, LIU
27、Y, et al.Important Parameters that Influence Crosstalk in Multiconductor Transmission LinesJ.Electric Power Systems Research, 2007, 77 (8) :896-909. 4常媛媛, 张晨.高速铁路信号电缆不同接地方式对芯线的干扰影响研究J.中国铁路, 2010 (4) :27-31.CHANG Yuanyuan, ZHANG Chen.Study on the Influence of Different Grounding Methods on the Interf
28、erence of High Speed Railway Signal CableJ.Chinese Railways, 2010 (4) :27-31. 5单秦.高速动车组电磁兼容性关键技术研究D.北京:北京交通大学, 2013. 6中华人民共和国铁道部运输局.铁运200626 号铁路信号设备雷电及电磁兼容综合防护实施指导意见S.北京:中华人民共和国铁道部, 2006. 7国家铁路局.TB 106212014 高速铁路设计规范S.北京:中国铁道出版社, 2015. 8中华人民共和国铁道部.TB 107562010 高速铁路信号工程施工质量验收标准S.北京:中国铁道出版社, 2011. 9王颖
29、.电磁拓扑在铁路信号电缆串扰问题中的应用D.北京:北京交通大学, 2016. 10BAUM C E.Including Apertures and Cavities in the BLT FormalismJ.Electromagnetics, 2005, 25 (7/8) :623-635. 11沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术M.北京:中国电力出版社, 1999. 12霍晓云, 谢莉, 雷银照.电磁拓扑学及其研究进展J.电波科学学报, 2010, 25 (S) :7-13, 26.HUO Xiaoyun, XIE Li, LEI Yinzhao.Electromagnetic Topol
30、ogy and Its Research ProgressJ.Chinese Journal of Radio Science, 2010, 25 (S) :7-13, 26. 13KIRAWANICH P, GUNDA R, KRANTHI N, et al.Network Cables under Lightning Pulse:Electromagnetic Topology AnalysisC/Proceedings of IEEE International Conference on Plasma Science.New York:IEEE, 2004:374. 14NIU B,
31、SONG Z, GENG Y, et al.Electromagnetic Topology Analysis on Relation between Electromagnetic Interference Inside Equipment and External Electrostatic DischargeC/Proceedings of Asia-Pacific Symposium on Electromagnetic Compatibility (APEC) and 19th International Zurich Symposium on Electro-magnetic Compatibility (EMC) .New York:IEEE, 2008:815-818. 15吕英华, 王旭莹.EMC 分析方法与计算模型M.北京:北京邮电大学出版社, 2009.
