室外smc箱盒電磁防護(hù)效能的量化指標(biāo)及測(cè)試方法

室外smc箱盒電磁防護(hù)效能的量化指標(biāo)及測(cè)試方法

電氣化道路具有節(jié)能環(huán)保、動(dòng)力強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。被世界各國(guó)列為最重要的綠色交通方式。在電氣化道路系統(tǒng)中，大多數(shù)信號(hào)設(shè)備都安裝在室外，工作環(huán)境極其復(fù)雜。因此，為了確保設(shè)備的安全和正常工作，需要安裝防護(hù)箱盒。傳統(tǒng)的防護(hù)箱盒多采用鑄鐵材質(zhì),基本可以滿足物理防護(hù)和電磁屏蔽兩方面的需求,但鑄鐵箱盒存在易生銹老化、重量大、使用不便等缺陷.與之相比,片狀模塑料(SheetMoldingCompound,SMC)箱盒具有阻燃、防銹、耐老化、重量輕、絕緣性好,以及抗沖擊性更強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn),在全路所占的比重越來(lái)越大.但是,SMC箱盒的電磁防護(hù)效能一直未獲認(rèn)可,原因是現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)未能提出可量化的指標(biāo)和對(duì)應(yīng)的測(cè)試方法.針對(duì)該問(wèn)題,本文作者在對(duì)電氣化鐵道室外電磁環(huán)境進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,分析了SMC箱盒的電磁屏蔽效能模型,并提出幾種可行的改善室外SMC箱盒電磁防護(hù)效能的方法.在此基礎(chǔ)上,結(jié)合國(guó)內(nèi)外主要標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)測(cè)結(jié)果分析,提出SMC箱盒的屏蔽效能的量化指標(biāo)和適用的測(cè)試方法,為室外鐵路信號(hào)設(shè)備防護(hù)箱盒的設(shè)計(jì)和性能評(píng)估提供依據(jù).1電磁騷擾的來(lái)源與傳播途徑電磁兼容理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不存在普遍適用于所有環(huán)境的電磁防護(hù)方法.因此,必須確定干擾源、傳播途徑和敏感設(shè)備,根據(jù)其特點(diǎn)和機(jī)理有針對(duì)性地分析,才能設(shè)計(jì)出合理有效的防護(hù)箱盒.電氣化鐵道室外電磁環(huán)境主要指的是軌旁設(shè)備所處的電磁環(huán)境,是指距離最近鋼軌3m之內(nèi)的范圍(考慮到鐵路系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的分界范圍,可擴(kuò)展到10m).電磁兼容理論指出,電磁環(huán)境的三要素分別是干擾源、敏感設(shè)備和傳播途徑.因此,需要對(duì)這3個(gè)要素分別進(jìn)行研究和分析.首先考慮干擾源.電氣化鐵道通常沒有建筑物保護(hù),電磁環(huán)境復(fù)雜,整個(gè)電磁環(huán)境屬于電磁騷擾較重的典型工業(yè)環(huán)境.電磁干擾的主要來(lái)源包括:①牽引供電系統(tǒng)中接觸網(wǎng)的騷擾(其額定電壓為25kV,牽引電流最高可達(dá)上千安培);②電力機(jī)車為非線性負(fù)載,在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波成分和電磁輻射騷擾;③有線系統(tǒng)和無(wú)線的信息傳輸系統(tǒng),其對(duì)外輻射的電磁信號(hào)可能對(duì)其他設(shè)備造成騷擾.其次考慮敏感設(shè)備.鐵路信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)備屬于弱電系統(tǒng),信號(hào)設(shè)備容易受到室外復(fù)雜電磁環(huán)境的騷擾.在鐵道部的統(tǒng)一領(lǐng)導(dǎo)下,北京交通大學(xué)電磁兼容實(shí)驗(yàn)室等單位對(duì)電氣化鐵道干擾進(jìn)行了大量的研究、分析和測(cè)試,結(jié)果表明電氣化鐵道的電磁騷擾對(duì)信號(hào)子系統(tǒng)的正常運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,進(jìn)而嚴(yán)重威脅整個(gè)鐵路系統(tǒng)的安全運(yùn)營(yíng).最后,考慮電磁騷擾的傳播途徑.電氣化鐵路系統(tǒng)電磁騷擾進(jìn)入信號(hào)設(shè)備的主要途徑可劃分為傳導(dǎo)和輻射兩種形式.其中:①傳導(dǎo)騷擾集中于信號(hào)的低頻分量(一般小于80MHz),特點(diǎn)是在空間中衰減很快,主要通過(guò)傳輸線纜進(jìn)/出信號(hào)設(shè)備;②輻射騷擾集中于信號(hào)的高頻分量(大于80MHz,根據(jù)鐵路信號(hào)設(shè)備的工作狀態(tài),一般需要考慮的范圍是80MHz～2GHz),特點(diǎn)是在空間中衰減較慢,通過(guò)輻射方式、經(jīng)由任意空間通道進(jìn)/出信號(hào)設(shè)備.綜上所述,電氣化鐵道電磁環(huán)境復(fù)雜,干擾強(qiáng)烈.由于其內(nèi)在的動(dòng)力需求、信號(hào)設(shè)備工作條件及外部環(huán)境的限制,在干擾源和敏感設(shè)備方面的改善空間受到很大限制.最為可行的方法是利用室外防護(hù)箱盒切斷電磁騷擾的主要傳播途徑(傳導(dǎo)和輻射),從而保證室外信號(hào)設(shè)備安全有效的工作.因此,室外SMC防護(hù)箱盒必須滿足對(duì)傳導(dǎo)和輻射騷擾的電磁屏蔽需求.2屏蔽的干擾SMC箱盒電磁屏蔽包括兩個(gè)方面的內(nèi)容:①發(fā)射屏蔽,指的是屏蔽內(nèi)部信號(hào)設(shè)備的騷擾,使其無(wú)法對(duì)其他設(shè)備形成干擾;②接收屏蔽,指的是屏蔽外來(lái)騷擾,使其無(wú)法對(duì)內(nèi)部信號(hào)設(shè)備形成干擾.2.1傳導(dǎo)騷擾電磁屏蔽效能傳導(dǎo)騷擾的特點(diǎn)是在空間中衰減很快,主要通過(guò)傳輸線纜進(jìn)/出信號(hào)設(shè)備.因此,對(duì)于SMC箱盒的每一條與外部連接的線纜都必須進(jìn)行傳導(dǎo)騷擾的電磁屏蔽設(shè)計(jì),確保只有內(nèi)部受保護(hù)信號(hào)設(shè)備的工作信號(hào)可以由線纜進(jìn)出,其他電磁信號(hào)都必須滿足信號(hào)設(shè)備的騷擾限值.如圖1所示,在信號(hào)線纜上加裝傳導(dǎo)騷擾電磁屏蔽裝置,抑制傳導(dǎo)騷擾信號(hào)在線纜上的傳播,可以使得SMC箱盒滿足對(duì)傳導(dǎo)騷擾信號(hào)的電磁屏蔽效能需求.傳導(dǎo)騷擾電磁屏蔽效能的定量描述為SC[dB]=20lg(VuSVS)(1)SC[dB]=20lg(VuSVS)(1)其中:VuS表示未加裝傳導(dǎo)騷擾電磁屏蔽裝置時(shí)的端口電壓;VS表示加裝傳導(dǎo)騷擾電磁屏蔽裝置后的端口電壓.需要注意的是,在定量分析SMC箱盒的傳導(dǎo)騷擾發(fā)射屏蔽效能時(shí),應(yīng)在箱盒端口進(jìn)行測(cè)量;在分析傳導(dǎo)騷擾接收屏蔽效能時(shí),應(yīng)在設(shè)備端口進(jìn)行測(cè)量.2.2輻射性騷擾電磁屏蔽效能的定量分析輻射騷擾的特點(diǎn)是在空間中衰減較慢,通過(guò)輻射方式、經(jīng)由任意空間通道進(jìn)/出信號(hào)設(shè)備.因此,對(duì)于SMC箱盒的輻射騷擾電磁屏蔽設(shè)計(jì),不僅需要對(duì)其箱體的電磁屏蔽效能進(jìn)行設(shè)計(jì),還必須對(duì)貫穿箱體的孔縫進(jìn)行優(yōu)化.確保只有內(nèi)部受保護(hù)信號(hào)設(shè)備的工作信號(hào)可以由輻射方式進(jìn)出,其他電磁信號(hào)都必須滿足信號(hào)設(shè)備的騷擾限值,從而使得整個(gè)SMC箱盒的輻射騷擾電磁屏蔽效能滿足需求.如圖2所示,信號(hào)設(shè)備放置于SMC箱盒內(nèi)部.利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)探頭可以分別對(duì)輻射騷擾的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量與定量分析.此時(shí),輻射騷擾電磁屏蔽效能的定量描述為{SRE[dB]=20lg(EuSES)SRΗ[dB]=20lg(ΗuSΗS)(2)?????SRE[dB]=20lg(EuSES)SRH[dB]=20lg(HuSHS)(2)其中:EuS和HuS分別表示未加裝SMC箱盒時(shí)測(cè)量點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度;ES和HS分別表示加裝SMC箱盒后測(cè)量點(diǎn)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)強(qiáng)度.需要注意的是,在定量分析SMC箱盒的輻射騷擾發(fā)射屏蔽效能時(shí),應(yīng)在箱盒外部各個(gè)部位進(jìn)行掃描測(cè)量;在分析接收屏蔽效能時(shí),應(yīng)在箱盒內(nèi)部各個(gè)部位進(jìn)行掃描測(cè)量.3提高smc盒磁強(qiáng)密封效率的方法根據(jù)前文所述的SMC箱盒的電磁屏蔽效能模型,我們提出如下幾種有針對(duì)性地改善SMC箱盒電磁屏蔽效能的方法.3.1安裝濾波器及接地措施該方法在SMC箱盒的信號(hào)線端口插入一級(jí)帶通濾波器,使得信號(hào)線纜上信號(hào)設(shè)備工作頻段的信號(hào)可以正常進(jìn)出,而其他頻段的傳導(dǎo)騷擾被有效抑制.關(guān)于帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)非常成熟,此處不再贅述.但是實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)濾波器的裝配和使用需要投入較大的關(guān)注.首先,必須注意濾波器的安裝位置.濾波器必須安裝在盡可能接近SMC箱盒信號(hào)端口的位置,以確保騷擾信號(hào)被阻擋在SMC箱盒之外.在存在多個(gè)信號(hào)端口的情況下,幾個(gè)濾波器盡量并排安裝,以避免未濾波的信號(hào)線污染已經(jīng)濾波的信號(hào)線.其次,必須考慮濾波器的阻抗匹配.一般情況下,濾波器的工作狀態(tài)是相對(duì)確知的,但是,在電磁防護(hù)中,由于騷擾信號(hào)的不確定性,濾波器對(duì)騷擾的阻抗是不確定的,因此必須考慮濾波器在阻抗失配條件下的工作效能.最后,還必須對(duì)濾波器的接地措施進(jìn)行優(yōu)化,以避免地線回路引入額外的傳導(dǎo)騷擾.此外,除了傳導(dǎo)騷擾外,還必須對(duì)濾波器本身的共模電流騷擾進(jìn)行抑制.因?yàn)楣材ｋ娏餍纬傻妮椛潋}擾遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于差模電流,如果忽略這一點(diǎn)的話,有可能引入額外的輻射騷擾.3.2電磁屏蔽材料該方法是利用電磁輻射在介質(zhì)表面產(chǎn)生的反射和透射的損耗,來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽.由于SMC箱體材料本身的電特性參數(shù)無(wú)法獲得理想的反射和透射的損耗,需要在SMC箱體上涂覆電磁屏蔽材料,改善其電磁屏蔽效能.需要注意的是,不同覆膜材料的針對(duì)性不同,需要對(duì)電磁騷擾可能的傳播方式進(jìn)行分類屏蔽設(shè)計(jì).3.2.1導(dǎo)電材料覆膜首先考慮電場(chǎng)騷擾.信號(hào)設(shè)備幾乎完全都是弱電系統(tǒng),因此,電場(chǎng)騷擾對(duì)設(shè)備的影響很顯著.在設(shè)計(jì)SMC箱體電磁屏蔽覆膜時(shí),必須采用導(dǎo)電材料覆膜對(duì)電場(chǎng)騷擾實(shí)施屏蔽.如圖3所示,SMC箱盒未采用導(dǎo)電材料覆膜時(shí),圖中分布式電容C1、C2和Cg不存在,電場(chǎng)騷擾可以表示為Vi=CSRCSR+CRVS(3)Vi=CSRCSR+CRVS(3)SMC箱盒采用導(dǎo)電材料覆膜、但覆膜未接地時(shí),圖3中分布式電容CSR不存在,電場(chǎng)騷擾為V′i,p≈C2C2+CRVS(4)V′i,p≈C2C2+CRVS(4)SMC箱盒采用的導(dǎo)電材料覆膜接地時(shí),圖3中分布式電容CSR和Cg不存在,電場(chǎng)騷擾為Vi,p≈0(5)Vi,p≈0(5)注意到,因?yàn)槠帘螌泳嚯x電場(chǎng)干擾源更近,所以C2>CSR,因此,覆膜不接地時(shí)反而會(huì)加劇電場(chǎng)騷擾.所以,在實(shí)施SMC箱體電場(chǎng)屏蔽覆膜時(shí),必須對(duì)導(dǎo)電材料覆膜做良好的接地.3.2.2導(dǎo)電材料的缺陷信號(hào)設(shè)備有可能采用磁敏感設(shè)備(例如繼電器等),因此在設(shè)計(jì)SMC箱體電磁屏蔽覆膜時(shí),必須采用導(dǎo)磁材料覆膜對(duì)磁場(chǎng)騷擾實(shí)施屏蔽.其中,導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率,因此,騷擾磁場(chǎng)的磁力線集中于磁導(dǎo)材料覆膜中,對(duì)內(nèi)部的設(shè)備起到防護(hù)作用.但是,導(dǎo)磁材料有比較大的缺陷,主要缺陷為:①隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大,高磁導(dǎo)率的導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率會(huì)很快達(dá)到飽和;②隨著磁場(chǎng)頻率的升高,導(dǎo)磁材料的磁導(dǎo)率會(huì)降低.針對(duì)第一個(gè)缺陷,在設(shè)計(jì)SMC箱盒磁場(chǎng)屏蔽覆膜時(shí),需要采用雙層屏蔽覆膜:即先用低磁導(dǎo)率導(dǎo)磁材料將磁場(chǎng)衰減到一定程度,然后再用高磁導(dǎo)率材料將磁場(chǎng)衰減到滿足需求的值.針對(duì)第二個(gè)缺陷,在導(dǎo)磁材料上,還需要覆蓋一層導(dǎo)電材料,利用外磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電流激發(fā)的反向磁場(chǎng)抵消外磁場(chǎng),達(dá)到對(duì)高頻磁場(chǎng)的屏蔽要求.如圖4所示.3.2.3覆蓋膜能量測(cè)試和識(shí)別吸收劑用量通?？梢怨灿秒妶?chǎng)和磁場(chǎng)屏蔽中的導(dǎo)電材料覆膜,對(duì)電磁輻射進(jìn)行有效屏蔽.原理是利用導(dǎo)體與空氣分界面對(duì)電磁波的反射和電磁波在導(dǎo)體中的透射損耗實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁輻射的有效屏蔽.導(dǎo)電材料覆膜對(duì)電磁輻射的屏蔽效能為SR[dB]=AR[dB]+RR[dB]+BR[dB](6)其中:AR表示覆膜材料對(duì)電磁輻射的吸收損耗,一般而言,損耗值與覆膜厚度、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率成正比;RR表示覆膜對(duì)電磁輻射的反射損耗,反射損耗與磁導(dǎo)率和頻率成反比;BR是電磁輻射在覆膜內(nèi)多次反射的損耗,通常比較小,可以忽略不計(jì).特別需要注意的是,對(duì)于電磁輻射屏蔽覆膜而言,吸收損耗應(yīng)盡可能大,但是反射損耗卻不是越大越好.因?yàn)镾MC箱盒內(nèi)信號(hào)設(shè)備有可能發(fā)出輻射騷擾,如果反射損耗過(guò)大,騷擾信號(hào)會(huì)在箱盒內(nèi)部形成諧振,反而影響設(shè)備的正常工作.3.3電磁屏蔽體設(shè)計(jì)該方法是利用波導(dǎo)管對(duì)電磁輻射信號(hào)的高通濾波特性,設(shè)計(jì)波導(dǎo)的截止頻率使輻射騷擾信號(hào)頻率落在波導(dǎo)的截止區(qū)內(nèi),阻止其穿過(guò)波導(dǎo)管,起到電磁屏蔽作用.當(dāng)屏蔽體上需要有物理實(shí)體的聯(lián)通時(shí),并且這種聯(lián)通有可能造成電磁泄漏時(shí),應(yīng)采用截止波導(dǎo)管.實(shí)際應(yīng)用中典型的例子是SMC箱體孔縫的設(shè)計(jì).對(duì)于每一個(gè)穿透SMC箱體的孔縫的形狀和尺寸都必須精心設(shè)計(jì),以確保這些孔縫形成的波導(dǎo)管的截止頻率滿足電磁輻射騷擾屏蔽的需求.4smc盒的電屏蔽指數(shù)和測(cè)試4.1鐵路信號(hào)防護(hù)箱盒的電磁屏蔽效能等級(jí)目前國(guó)際上關(guān)于防護(hù)箱盒電磁屏蔽效能的指標(biāo)主要是IEC6100-5-7,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了防護(hù)箱盒在10kHz～40GHz電磁騷擾下的屏蔽效能要求.考慮到我國(guó)鐵路系統(tǒng)的特殊性,我國(guó)鐵路行業(yè)分別在兩個(gè)頻段內(nèi)對(duì)客運(yùn)專線鐵路信號(hào)產(chǎn)品防護(hù)箱盒的電磁屏蔽效能進(jìn)行兩個(gè)等級(jí)的限定:在頻段10kHz～30MHz內(nèi),等級(jí)1沒有限定,等級(jí)2要求電磁屏蔽效能大于10dB;在頻段30～230MHz內(nèi),等級(jí)1和等級(jí)2分別要求鐵路信號(hào)防護(hù)箱盒的電磁屏蔽性能大于20dB和40dB;在頻段230～1000MHz內(nèi),等級(jí)1和等級(jí)2分別要求鐵路信號(hào)防護(hù)箱盒的電磁屏蔽性能大于10dB和20dB.其中,等級(jí)1適用于對(duì)電磁兼容性要求不高的箱盒;等級(jí)2適用于對(duì)電磁兼容性要求較高的箱盒4.2受試樣品的準(zhǔn)備和測(cè)試方法評(píng)估SMC箱盒電磁屏蔽效能的測(cè)試應(yīng)在半電波暗室或全電波暗室進(jìn)行.暗室的內(nèi)部空間至少是受試SMC箱盒外部尺寸的3倍.測(cè)試環(huán)境溫度范圍是15～35℃,相對(duì)濕度應(yīng)為20%～80%.SMC箱盒內(nèi)部放置的受試樣品應(yīng)選擇XB1或XB2型變壓器箱,以模擬電氣化鐵道系統(tǒng)中比較惡劣的電磁騷擾源.測(cè)試過(guò)程中,應(yīng)采用圖2所示的方法.在對(duì)應(yīng)位置處放置天線探頭,使用電磁干擾測(cè)量?jī)x,分別測(cè)試變壓器箱裸露和被SMC防護(hù)箱盒屏蔽情況下,150kHz～80MHz頻段內(nèi)各個(gè)頻率上的傳導(dǎo)騷擾電平值,以及30～1000MHZ頻段內(nèi)各個(gè)頻率上的輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)值,以獲得對(duì)應(yīng)頻率的傳導(dǎo)和輻射騷擾電磁屏蔽效能.4.3電磁屏蔽效能測(cè)定結(jié)果鑄鐵箱盒已經(jīng)在全路上道使用多年,其電磁屏蔽效能已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可,所以使用鑄鐵箱盒的電磁屏蔽效能作為SMC箱盒的參照,對(duì)目前常用SMC箱盒的電磁屏蔽效能進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果如表1所示.表1列出了鑄鐵箱盒與常用的4個(gè)廠家生產(chǎn)的SMC箱盒在不同頻點(diǎn)處對(duì)電磁輻射的屏蔽效能的測(cè)量結(jié)果.從測(cè)試結(jié)果來(lái)看,鑄鐵箱盒在各個(gè)頻點(diǎn)上的電磁屏蔽效能平均在30dB左右,完全滿足我國(guó)鐵路行業(yè)在規(guī)定頻段內(nèi)對(duì)客運(yùn)專線鐵路信號(hào)產(chǎn)品防護(hù)箱盒的第一等級(jí)的電磁屏蔽效能限定值,基本可以滿足鐵路室外信號(hào)設(shè)備的應(yīng)用需求.但是,SMC箱盒電磁屏蔽效能的測(cè)量結(jié)果則不盡如人意,存在較大的差距.這個(gè)差距主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:1)SMC箱盒在不同頻段的電磁屏蔽效能差距較大,例如SMC3在200MHz以上頻段電磁屏蔽效能比較理想,但是在100MHz以下的頻段電磁屏蔽效