EI32-JD計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)中電磁兼容機柜的設(shè)計方法

吳民祖

（西安鐵路信號工廠，西安 710048）

鐵路新技術(shù)的發(fā)展及高速鐵路時代的到來，對計算機聯(lián)鎖設(shè)備的綜合性能提出了更高的要求。這就要求計算機聯(lián)鎖設(shè)備必須滿足電磁兼容（EMC）的相關(guān)標準，符合電磁兼容及環(huán)境安全等級要求，同時能夠滿足設(shè)備自身的電氣功能。

1 電磁兼容的基本概念

電磁兼容，指電子設(shè)備或系統(tǒng)不僅應(yīng)具有抑制外部電磁干擾（EMI）的能力，而且所產(chǎn)生的EMI不得影響同一電磁環(huán)境中其他電子設(shè)備的正常工作。國家標準對電磁兼容的定義是：“設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)成不能承受的電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）的能力。” 電磁環(huán)境是指存在于給定場所的所有電磁現(xiàn)象。電磁兼容是研究EMI的學(xué)科，EMC內(nèi)含了抗干擾和電磁輻射控制兩方面。所以要分析EMI的基本要素，即EMI源、EMI傳遞途徑（傳導(dǎo)、輻射、耦合）、接收EMI的響應(yīng)者。分析這3個要素相當復(fù)雜，不同的場合有不同的表現(xiàn)，總的來說，根據(jù)電磁感應(yīng)、趨膚效應(yīng)、電磁振蕩和電磁傳播等基本物理規(guī)律可知，電磁物理量隨時間變化越快，越容易產(chǎn)生EMI；頻率越高越容易產(chǎn)生輻射；電磁場強度與距離平方成反比；靈敏度高的未屏蔽的電路容易產(chǎn)生耦合等。仔細分析電磁干擾及傳播途徑，有利于制定切實可行的電磁兼容解決方案。電磁干擾的傳播路徑如圖1所示。

2 電磁兼容的控制技術(shù)

電磁兼容設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是對EMI源的分析研究，從EMI源處控制電磁輻射是治本的方法?？刂聘蓴_源的發(fā)射，除了從EMI源產(chǎn)生的機理著手降低其產(chǎn)生電磁噪音的電平外，需要廣泛地應(yīng)用屏蔽、濾波、接地和浪涌抑制技術(shù)等。

2.1 屏蔽技術(shù)

屏蔽就是對兩個空間區(qū)域之間用屏蔽體進行隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應(yīng)和輻射。在實際的EMI屏蔽中，電磁屏蔽效能很大程度上取決于機箱的物理結(jié)構(gòu)，即導(dǎo)電的連續(xù)性。通常解決機箱縫隙電磁泄露的方法是在縫隙處使用EMC密封襯墊，它能夠保持縫隙處導(dǎo)電連續(xù)性。

2.2 濾波技術(shù)

濾波技術(shù)在抑制EMI信號的傳導(dǎo)干擾和某些輻射干擾方面，具有明顯的效果。抑制電源線上干擾最有效的方法是在電源輸入線路中，加裝電源EMI濾波器。電源濾波器應(yīng)盡量靠近設(shè)備交流電入口處安裝，切記濾波器必須有良好的接地。

鐵氧體是一種亞鐵磁性材料，利用高導(dǎo)磁材料摻合其他一種或多種鎂、鋅、鎳等金屬在2 000 ℃燒結(jié)而成。鐵氧體抗干擾磁芯是新型價廉的干擾抑制器件，其作用相當于低通濾波器，能較好地解決電源線、信號線和連接器的高頻干擾抑制問題，而且具有簡單、方便、占用空間小等優(yōu)點。

2.3 接地技術(shù)

接地的定義是電流返回其源的低阻通道。對我們來說就是與大地連接的機柜體。在EMC產(chǎn)品中合理的接地是最經(jīng)濟有效的電磁兼容技術(shù)。是解決EMI問題最廉價的有效方法，良好的接地既能提高抗干擾度，又能減少干擾發(fā)射。

2.4 浪涌抑制技術(shù)

浪涌也叫突波，是指超出正常工作電壓的瞬間過電壓。浪涌是發(fā)生在僅僅幾百萬分之一秒時間內(nèi)的一種劇烈脈沖。引起浪涌的原因：直接雷擊和間接雷擊（雷電感應(yīng)、雷電波侵入）電路的突然短路和斷路、電源切換、電力機車的啟動、受電弓的起落等。

電涌保護是指使用一種高效能的電路保護器，當它承受瞬態(tài)高壓、高能量脈沖時，快速（10-9s）由原來的高阻抗變?yōu)榈妥杩?，并將瞬變高壓干擾脈沖抑制到預(yù)定電壓，從而有效地保護設(shè)備和敏感器件不受損壞，使電路工作不受干擾。

3 EI32-JD計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的硬件組成

EI32-JD計算機系統(tǒng)由聯(lián)鎖機柜、綜合機柜、防雷分線柜和控制臺等組成。其核心機柜是聯(lián)鎖機柜。聯(lián)鎖機柜中的聯(lián)鎖機和驅(qū)采機均為二乘二取二結(jié)構(gòu)，各自分為Ⅰ、Ⅱ系，各系內(nèi)部為二取二結(jié)構(gòu)，即聯(lián)鎖機及驅(qū)采機均為雙系（雙硬件體系）冗余工作，雙系中每一單系均包括雙套計算機實時校核工作。每一單系中必須雙機工作一致才能對外輸出，實現(xiàn)全系統(tǒng)的高安全性；任一單系檢出故障均可立即倒向備系工作，實現(xiàn)全系統(tǒng)的高可靠性。

聯(lián)鎖機柜機殼主要零部件包括：頂板，固定螺柱，風扇組件，骨架組件，左、右門組件，側(cè)門組件，出線板組件，底板組件和底座組件等；機柜內(nèi)置零部件主要包括：驅(qū)采電源機箱、驅(qū)采電源插箱、聯(lián)鎖機箱、驅(qū)采機箱、接地匯流排、接地銅母線、尼龍絕緣墊板、機箱支架和鋁型材立軌等。

4 聯(lián)鎖機柜電磁兼容的設(shè)計方法

利用電磁兼容理論并綜合分析計算機聯(lián)鎖設(shè)備所處的工作環(huán)境，認為計算機聯(lián)鎖設(shè)備在車站的機械室內(nèi)遭受的EMI按頻段細分主要有如下幾種：工頻干擾（50 Hz）周圍的電源屏及電力牽引系統(tǒng)，波長6 000 km；載頻頻段干擾包括高壓直流輸電諧波干擾、交流輸電諧波干擾及交流電氣化鐵道的諧波干擾等，頻譜在10～300 kHz之間，波長大于1 km；射頻、視頻干擾（300 kHz～300 MHz），內(nèi)燃機車、電動轉(zhuǎn)轍機等，波長1～1 000 m之間和微波干擾300 MHz～300 GHz）波長1 mm～1 m之間等。周圍設(shè)備有CTC、TDCS、ATS、DCS、電源屏等。EMI干擾來自系統(tǒng)內(nèi)部的有：驅(qū)動采集電路板、聯(lián)鎖電路板、高速運轉(zhuǎn)的CPU板、電源干擾、地線干擾和信號通道的耦合干擾（容性耦合、感性耦合）等。其中聯(lián)鎖機箱和驅(qū)采機箱安裝日信的驅(qū)動采集電路板、聯(lián)鎖電路板、高速運轉(zhuǎn)的CPU板等，易產(chǎn)生強的電磁輻射，且它們的抗干擾能力在日本已經(jīng)過嚴格測試，能適應(yīng)車站環(huán)境。車站信號樓本身有防雷設(shè)施，且從室外設(shè)備引入的信號線等均經(jīng)防雷分線柜進入聯(lián)鎖機柜，在防雷分線柜中，每一根信號線均進行了防雷保護，電源線在防雷分線柜的底部引處有些加裝了電源濾波器、浪涌保護器等。故從電磁兼容角度講，防雷問題在防雷分線柜中得到解決；對周圍設(shè)備講，EMI源是聯(lián)鎖機箱和驅(qū)采機箱；對計算機聯(lián)鎖設(shè)備來講，EMI源是周圍設(shè)備產(chǎn)生強的EMI。我們采取的措施是切斷EMI的傳遞途徑。

為切斷EMI的傳遞途徑，重點放在聯(lián)鎖機柜的電磁屏蔽設(shè)計上。在機柜、聯(lián)鎖機箱和驅(qū)采機箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計上嚴格按電磁兼容的要求采用多層攔截的方法，使聯(lián)鎖設(shè)備處在一個相對安全的內(nèi)部環(huán)境中，且聯(lián)鎖設(shè)備的電磁輻射不影響周圍設(shè)備的正常工作。為此，聯(lián)鎖設(shè)備的結(jié)構(gòu)按以下方法進行設(shè)計。

4.1 骨架組件的設(shè)計方法

材質(zhì)為鋁合金（6063）表面導(dǎo)電氧化處理，8個連接角為壓鑄鋁。鋁合金型材設(shè)計時，注意裝入機柜后6個外表面必須有凸沿，以保證與頂板、門板和底座上EMC密封墊的嚴實合縫，抵制電磁泄露。8個連接角與鋁合金型材接觸面涂導(dǎo)電膠，并用螺釘固定緊密。這樣骨架就獨自組成1個等電位體。

4.2 風扇組件的設(shè)計方法

材質(zhì)為鍍鋅鋼板，上表面通風口處加裝EMC屏蔽網(wǎng)，EMC屏蔽網(wǎng)必須與鍍鋅表面360°接觸且清潔無雜物。連接孔周邊Ф30 mm范圍為鍍鋅表面，以保證與EMC密封墊圈及固定螺柱周邊360°接觸。

4.3 頂板的設(shè)計方法

材質(zhì)為鍍鋅鋼板，連接孔周邊Ф30 mm范圍為鍍鋅表面，以保證與EMC密封墊及固定螺柱的周邊360°接觸。為增強屏蔽效能，頂板和風扇組件形成迂回風通道。

4.4 左、右門組件和側(cè)門的設(shè)計方法

材質(zhì)均為鍍鋅鋼板，門板與EMC密封墊接觸表面必須為鍍鋅面且清潔無雜物，EMC密封墊的位置必須與骨架組件的凸沿正對，并保證EMC密封墊與骨架凸沿360°嚴實合縫。側(cè)門和骨架間的連接螺釘?shù)缺仨氃O(shè)計在EMC密封墊位置的外圍，以防止連接孔處泄露EMI。

4.5 出線板、底板和底座組件的設(shè)計方法

進出機柜的所有導(dǎo)線必須從出線板通過，信號線、電源線分類引入，電源線必須加裝EMC磁環(huán)或電源濾波器等防止干擾進入機柜。信號線如果是屏蔽線必須剝開屏蔽層，屏蔽層與出線板周邊之間360°可靠接觸。所有導(dǎo)線與出線板周邊之間360°范圍內(nèi)用導(dǎo)電泡沫棉填充。出線板和底板之間表面為鍍鋅表面且兩者之間加EMC密封墊，保證360°可靠接觸。

底座組件上表面和骨架組件下表面相連，底座組件上表面為鍍鋅表面，且必須在兩連接面之間加EMC密封墊。底板（鍍鋅板）固定于底座組件之上，且必須在兩接觸面之間加EMC密封墊保證360°可靠接觸。

上述頂板、固定螺柱、風扇組件、骨架組件、左右門組件、側(cè)門組件、出線板組件、底板組件和底座組件等組成一個封閉的等電位體，對EMI進行第一次屏蔽阻斷。

4.6 驅(qū)采電源機箱和驅(qū)采電源插箱

驅(qū)采電源機箱用于安裝驅(qū)采電源插箱，如圖2、3所示。要求圖2和圖3涂黑部分及后背板表面鍍鋅并加EMC屏蔽墊條，通風孔處加EMC屏蔽網(wǎng)。這樣驅(qū)采電源插箱插入驅(qū)采電源機箱后形成一個封閉內(nèi)腔，使驅(qū)采電源機箱自身形成一個等電位體。

4.7 聯(lián)鎖機箱和驅(qū)采機箱

聯(lián)鎖機箱和驅(qū)采機箱結(jié)構(gòu)完全相同，用于安裝聯(lián)鎖板、驅(qū)動采集板等，如圖4所示。聯(lián)鎖機箱和驅(qū)采機箱為重點防護對象，如圖4要求頂部和底部加EMC屏蔽網(wǎng)，前面加EMC屏蔽門，EMC屏蔽門和機箱之間加EMC屏蔽墊條，光纖出入口設(shè)計活動擋板使光纖口的尺寸可以調(diào)到最小來減小電磁泄露。使聯(lián)鎖機箱和驅(qū)采機箱各自構(gòu)成一個等電位體，形成對EMI第二次屏蔽阻斷。聯(lián)鎖機箱、驅(qū)采機箱和機殼之間加尼龍絕緣墊板，使聯(lián)鎖機箱和驅(qū)采機箱浮地，如圖5所示。

4.8 接地銅母線

接地銅母線安裝于機柜側(cè)面，按U（44.45）的整數(shù)倍分布若干M4螺紋孔為機柜內(nèi)設(shè)備提供接地線，表面鍍錫處理，如圖5所示。

4.9 接地匯流排

接地匯流排為矩形斷面安裝于底板上表面，大約有12個M6接線端子，如圖5所示。柜內(nèi)所有的接地線在此匯集，并與靜電地板下的接地銅排相連至大地。

4.10 立軌、機箱支架和尼龍絕緣墊板

立軌與柜體之間加尼龍絕緣墊板，使二者之間絕緣，聯(lián)鎖機箱、驅(qū)采機箱與機箱支架間加尼龍絕緣墊板，通過二次絕緣來提高聯(lián)鎖機箱、驅(qū)采機箱和柜體之間的絕緣性能，從而使聯(lián)鎖機箱和驅(qū)采機箱徹底浮地，如圖5所示。

[1]周志敏，紀愛華．電磁兼容技術(shù)[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2]科技運[2008]36號 客運專線鐵路信號產(chǎn)品暫行技術(shù)條件匯編（一）[S].