室外smc箱盒电磁防护效能的量化指标及测试方法

室外smc箱盒电磁防护效能的量化指标及测试方法

电气化道路具有节能环保、动力强大等优点。被世界各国列为最重要的绿色交通方式。在电气化道路系统中，大多数信号设备都安装在室外，工作环境极其复杂。因此，为了确保设备的安全和正常工作，需要安装防护箱盒。传统的防护箱盒多采用铸铁材质,基本可以满足物理防护和电磁屏蔽两方面的需求,但铸铁箱盒存在易生锈老化、重量大、使用不便等缺陷.与之相比,片状模塑料(SheetMoldingCompound,SMC)箱盒具有阻燃、防锈、耐老化、重量轻、绝缘性好,以及抗冲击性更强等诸多优点,在全路所占的比重越来越大.但是,SMC箱盒的电磁防护效能一直未获认可,原因是现有标准未能提出可量化的指标和对应的测试方法.针对该问题,本文作者在对电气化铁道室外电磁环境进行研究的基础上,分析了SMC箱盒的电磁屏蔽效能模型,并提出几种可行的改善室外SMC箱盒电磁防护效能的方法.在此基础上,结合国内外主要标准和实测结果分析,提出SMC箱盒的屏蔽效能的量化指标和适用的测试方法,为室外铁路信号设备防护箱盒的设计和性能评估提供依据.1电磁骚扰的来源与传播途径电磁兼容理论及实验结果表明,不存在普遍适用于所有环境的电磁防护方法.因此,必须确定干扰源、传播途径和敏感设备,根据其特点和机理有针对性地分析,才能设计出合理有效的防护箱盒.电气化铁道室外电磁环境主要指的是轨旁设备所处的电磁环境,是指距离最近钢轨3m之内的范围(考虑到铁路系统与外部系统的分界范围,可扩展到10m).电磁兼容理论指出,电磁环境的三要素分别是干扰源、敏感设备和传播途径.因此,需要对这3个要素分别进行研究和分析.首先考虑干扰源.电气化铁道通常没有建筑物保护,电磁环境复杂,整个电磁环境属于电磁骚扰较重的典型工业环境.电磁干扰的主要来源包括:①牵引供电系统中接触网的骚扰(其额定电压为25kV,牵引电流最高可达上千安培);②电力机车为非线性负载,在运行过程中会产生大量谐波成分和电磁辐射骚扰;③有线系统和无线的信息传输系统,其对外辐射的电磁信号可能对其他设备造成骚扰.其次考虑敏感设备.铁路信号系统的设备属于弱电系统,信号设备容易受到室外复杂电磁环境的骚扰.在铁道部的统一领导下,北京交通大学电磁兼容实验室等单位对电气化铁道干扰进行了大量的研究、分析和测试,结果表明电气化铁道的电磁骚扰对信号子系统的正常运行会产生严重的影响,进而严重威胁整个铁路系统的安全运营.最后,考虑电磁骚扰的传播途径.电气化铁路系统电磁骚扰进入信号设备的主要途径可划分为传导和辐射两种形式.其中:①传导骚扰集中于信号的低频分量(一般小于80MHz),特点是在空间中衰减很快,主要通过传输线缆进/出信号设备;②辐射骚扰集中于信号的高频分量(大于80MHz,根据铁路信号设备的工作状态,一般需要考虑的范围是80MHz～2GHz),特点是在空间中衰减较慢,通过辐射方式、经由任意空间通道进/出信号设备.综上所述,电气化铁道电磁环境复杂,干扰强烈.由于其内在的动力需求、信号设备工作条件及外部环境的限制,在干扰源和敏感设备方面的改善空间受到很大限制.最为可行的方法是利用室外防护箱盒切断电磁骚扰的主要传播途径(传导和辐射),从而保证室外信号设备安全有效的工作.因此,室外SMC防护箱盒必须满足对传导和辐射骚扰的电磁屏蔽需求.2屏蔽的干扰SMC箱盒电磁屏蔽包括两个方面的内容:①发射屏蔽,指的是屏蔽内部信号设备的骚扰,使其无法对其他设备形成干扰;②接收屏蔽,指的是屏蔽外来骚扰,使其无法对内部信号设备形成干扰.2.1传导骚扰电磁屏蔽效能传导骚扰的特点是在空间中衰减很快,主要通过传输线缆进/出信号设备.因此,对于SMC箱盒的每一条与外部连接的线缆都必须进行传导骚扰的电磁屏蔽设计,确保只有内部受保护信号设备的工作信号可以由线缆进出,其他电磁信号都必须满足信号设备的骚扰限值.如图1所示,在信号线缆上加装传导骚扰电磁屏蔽装置,抑制传导骚扰信号在线缆上的传播,可以使得SMC箱盒满足对传导骚扰信号的电磁屏蔽效能需求.传导骚扰电磁屏蔽效能的定量描述为SC[dB]=20lg(VuSVS)(1)SC[dB]=20lg(VuSVS)(1)其中:VuS表示未加装传导骚扰电磁屏蔽装置时的端口电压;VS表示加装传导骚扰电磁屏蔽装置后的端口电压.需要注意的是,在定量分析SMC箱盒的传导骚扰发射屏蔽效能时,应在箱盒端口进行测量;在分析传导骚扰接收屏蔽效能时,应在设备端口进行测量.2.2辐射性骚扰电磁屏蔽效能的定量分析辐射骚扰的特点是在空间中衰减较慢,通过辐射方式、经由任意空间通道进/出信号设备.因此,对于SMC箱盒的辐射骚扰电磁屏蔽设计,不仅需要对其箱体的电磁屏蔽效能进行设计,还必须对贯穿箱体的孔缝进行优化.确保只有内部受保护信号设备的工作信号可以由辐射方式进出,其他电磁信号都必须满足信号设备的骚扰限值,从而使得整个SMC箱盒的辐射骚扰电磁屏蔽效能满足需求.如图2所示,信号设备放置于SMC箱盒内部.利用电场和磁场探头可以分别对辐射骚扰的电场和磁场强度进行测量与定量分析.此时,辐射骚扰电磁屏蔽效能的定量描述为{SRE[dB]=20lg(EuSES)SRΗ[dB]=20lg(ΗuSΗS)(2)⎧⎩⎨⎪⎪SRE[dB]=20lg(EuSES)SRH[dB]=20lg(HuSHS)(2)其中:EuS和HuS分别表示未加装SMC箱盒时测量点的电场和磁场强度;ES和HS分别表示加装SMC箱盒后测量点的电场和磁场强度.需要注意的是,在定量分析SMC箱盒的辐射骚扰发射屏蔽效能时,应在箱盒外部各个部位进行扫描测量;在分析接收屏蔽效能时,应在箱盒内部各个部位进行扫描测量.3提高smc盒磁强密封效率的方法根据前文所述的SMC箱盒的电磁屏蔽效能模型,我们提出如下几种有针对性地改善SMC箱盒电磁屏蔽效能的方法.3.1安装滤波器及接地措施该方法在SMC箱盒的信号线端口插入一级带通滤波器,使得信号线缆上信号设备工作频段的信号可以正常进出,而其他频段的传导骚扰被有效抑制.关于带通滤波器的设计方法已经非常成熟,此处不再赘述.但是实际应用中,对滤波器的装配和使用需要投入较大的关注.首先,必须注意滤波器的安装位置.滤波器必须安装在尽可能接近SMC箱盒信号端口的位置,以确保骚扰信号被阻挡在SMC箱盒之外.在存在多个信号端口的情况下,几个滤波器尽量并排安装,以避免未滤波的信号线污染已经滤波的信号线.其次,必须考虑滤波器的阻抗匹配.一般情况下,滤波器的工作状态是相对确知的,但是,在电磁防护中,由于骚扰信号的不确定性,滤波器对骚扰的阻抗是不确定的,因此必须考虑滤波器在阻抗失配条件下的工作效能.最后,还必须对滤波器的接地措施进行优化,以避免地线回路引入额外的传导骚扰.此外,除了传导骚扰外,还必须对滤波器本身的共模电流骚扰进行抑制.因为共模电流形成的辐射骚扰远远大于差模电流,如果忽略这一点的话,有可能引入额外的辐射骚扰.3.2电磁屏蔽材料该方法是利用电磁辐射在介质表面产生的反射和透射的损耗,来实现电磁屏蔽.由于SMC箱体材料本身的电特性参数无法获得理想的反射和透射的损耗,需要在SMC箱体上涂覆电磁屏蔽材料,改善其电磁屏蔽效能.需要注意的是,不同覆膜材料的针对性不同,需要对电磁骚扰可能的传播方式进行分类屏蔽设计.3.2.1导电材料覆膜首先考虑电场骚扰.信号设备几乎完全都是弱电系统,因此,电场骚扰对设备的影响很显著.在设计SMC箱体电磁屏蔽覆膜时,必须采用导电材料覆膜对电场骚扰实施屏蔽.如图3所示,SMC箱盒未采用导电材料覆膜时,图中分布式电容C1、C2和Cg不存在,电场骚扰可以表示为Vi=CSRCSR+CRVS(3)Vi=CSRCSR+CRVS(3)SMC箱盒采用导电材料覆膜、但覆膜未接地时,图3中分布式电容CSR不存在,电场骚扰为V′i,p≈C2C2+CRVS(4)V′i,p≈C2C2+CRVS(4)SMC箱盒采用的导电材料覆膜接地时,图3中分布式电容CSR和Cg不存在,电场骚扰为Vi,p≈0(5)Vi,p≈0(5)注意到,因为屏蔽层距离电场干扰源更近,所以C2>CSR,因此,覆膜不接地时反而会加剧电场骚扰.所以,在实施SMC箱体电场屏蔽覆膜时,必须对导电材料覆膜做良好的接地.3.2.2导电材料的缺陷信号设备有可能采用磁敏感设备(例如继电器等),因此在设计SMC箱体电磁屏蔽覆膜时,必须采用导磁材料覆膜对磁场骚扰实施屏蔽.其中,导磁材料的磁导率远远大于空气的磁导率,因此,骚扰磁场的磁力线集中于磁导材料覆膜中,对内部的设备起到防护作用.但是,导磁材料有比较大的缺陷,主要缺陷为:①随着磁场强度的增大,高磁导率的导磁材料的磁导率会很快达到饱和;②随着磁场频率的升高,导磁材料的磁导率会降低.针对第一个缺陷,在设计SMC箱盒磁场屏蔽覆膜时,需要采用双层屏蔽覆膜:即先用低磁导率导磁材料将磁场衰减到一定程度,然后再用高磁导率材料将磁场衰减到满足需求的值.针对第二个缺陷,在导磁材料上,还需要覆盖一层导电材料,利用外磁场产生的感应电流激发的反向磁场抵消外磁场,达到对高频磁场的屏蔽要求.如图4所示.3.2.3覆盖膜能量测试和识别吸收剂用量通常可以共用电场和磁场屏蔽中的导电材料覆膜,对电磁辐射进行有效屏蔽.原理是利用导体与空气分界面对电磁波的反射和电磁波在导体中的透射损耗实现对电磁辐射的有效屏蔽.导电材料覆膜对电磁辐射的屏蔽效能为SR[dB]=AR[dB]+RR[dB]+BR[dB](6)其中:AR表示覆膜材料对电磁辐射的吸收损耗,一般而言,损耗值与覆膜厚度、磁导率和电导率成正比;RR表示覆膜对电磁辐射的反射损耗,反射损耗与磁导率和频率成反比;BR是电磁辐射在覆膜内多次反射的损耗,通常比较小,可以忽略不计.特别需要注意的是,对于电磁辐射屏蔽覆膜而言,吸收损耗应尽可能大,但是反射损耗却不是越大越好.因为SMC箱盒内信号设备有可能发出辐射骚扰,如果反射损耗过大,骚扰信号会在箱盒内部形成谐振,反而影响设备的正常工作.3.3电磁屏蔽体设计该方法是利用波导管对电磁辐射信号的高通滤波特性,设计波导的截止频率使辐射骚扰信号频率落在波导的截止区内,阻止其穿过波导管,起到电磁屏蔽作用.当屏蔽体上需要有物理实体的联通时,并且这种联通有可能造成电磁泄漏时,应采用截止波导管.实际应用中典型的例子是SMC箱体孔缝的设计.对于每一个穿透SMC箱体的孔缝的形状和尺寸都必须精心设计,以确保这些孔缝形成的波导管的截止频率满足电磁辐射骚扰屏蔽的需求.4smc盒的电屏蔽指数和测试4.1铁路信号防护箱盒的电磁屏蔽效能等级目前国际上关于防护箱盒电磁屏蔽效能的指标主要是IEC6100-5-7,标准规定了防护箱盒在10kHz～40GHz电磁骚扰下的屏蔽效能要求.考虑到我国铁路系统的特殊性,我国铁路行业分别在两个频段内对客运专线铁路信号产品防护箱盒的电磁屏蔽效能进行两个等级的限定:在频段10kHz～30MHz内,等级1没有限定,等级2要求电磁屏蔽效能大于10dB;在频段30～230MHz内,等级1和等级2分别要求铁路信号防护箱盒的电磁屏蔽性能大于20dB和40dB;在频段230～1000MHz内,等级1和等级2分别要求铁路信号防护箱盒的电磁屏蔽性能大于10dB和20dB.其中,等级1适用于对电磁兼容性要求不高的箱盒;等级2适用于对电磁兼容性要求较高的箱盒4.2受试样品的准备和测试方法评估SMC箱盒电磁屏蔽效能的测试应在半电波暗室或全电波暗室进行.暗室的内部空间至少是受试SMC箱盒外部尺寸的3倍.测试环境温度范围是15～35℃,相对湿度应为20%～80%.SMC箱盒内部放置的受试样品应选择XB1或XB2型变压器箱,以模拟电气化铁道系统中比较恶劣的电磁骚扰源.测试过程中,应采用图2所示的方法.在对应位置处放置天线探头,使用电磁干扰测量仪,分别测试变压器箱裸露和被SMC防护箱盒屏蔽情况下,150kHz～80MHz频段内各个频率上的传导骚扰电平值,以及30～1000MHZ频段内各个频率上的辐射骚扰场强值,以获得对应频率的传导和辐射骚扰电磁屏蔽效能.4.3电磁屏蔽效能测定结果铸铁箱盒已经在全路上道使用多年,其电磁屏蔽效能已经得到广泛的认可,所以使用铸铁箱盒的电磁屏蔽效能作为SMC箱盒的参照,对目前常用SMC箱盒的电磁屏蔽效能进行测试,结果如表1所示.表1列出了铸铁箱盒与常用的4个厂家生产的SMC箱盒在不同频点处对电磁辐射的屏蔽效能的测量结果.从测试结果来看,铸铁箱盒在各个频点上的电磁屏蔽效能平均在30dB左右,完全满足我国铁路行业在规定频段内对客运专线铁路信号产品防护箱盒的第一等级的电磁屏蔽效能限定值,基本可以满足铁路室外信号设备的应用需求.但是,SMC箱盒电磁屏蔽效能的测量结果则不尽如人意,存在较大的差距.这个差距主要表现在两个方面:1)SMC箱盒在不同频段的电磁屏蔽效能差距较大,例如SMC3在200MHz以上频段电磁屏蔽效能比较理想,但是在100MHz以下的频段电磁屏蔽效