EI32-JD計算機聯鎖系統中電磁兼容機柜的設計方法

吳民祖

（西安鐵路信號工廠，西安 710048）

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

1 電磁兼容的基本概念

電磁兼容，指電子設備或系統不僅應具有抑制外部電磁干擾（EMI）的能力，而且所產生的EMI不得影響同一電磁環境中其他電子設備的正常工作。國家標準對電磁兼容的定義是：“設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）的能力。” 電磁環境是指存在于給定場所的所有電磁現象。電磁兼容是研究EMI的學科，EMC內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、輻射、耦合）、接收EMI的響應者。分析這3個要素相當復雜，不同的場合有不同的表現，總的來說，根據電磁感應、趨膚效應、電磁振蕩和電磁傳播等基本物理規律可知，電磁物理量隨時間變化越快，越容易產生EMI；頻率越高越容易產生輻射；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

電磁兼容設計的關鍵技術是對EMI源的分析研究，從EMI源處控制電磁輻射是治本的方法。控制干擾源的發射，除了從EMI源產生的機理著手降低其產生電磁噪音的電平外，需要廣泛地應用屏蔽、濾波、接地和浪涌抑制技術等。

2.1 屏蔽技術

屏蔽就是對兩個空間區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域對另一個區域的感應和輻射。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構，即導電的連續性。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電連續性。

2.2 濾波技術

濾波技術在抑制EMI信號的傳導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。電源濾波器應盡量靠近設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，利用高導磁材料摻合其他一種或多種鎂、鋅、鎳等金屬在2 000 ℃燒結而成。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、占用空間小等優點。

2.3 接地技術

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產品中合理的接地是最經濟有效的電磁兼容技術。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，又能減少干擾發射。

2.4 浪涌抑制技術

浪涌也叫突波，是指超出正常工作電壓的瞬間過電壓。浪涌是發生在僅僅幾百萬分之一秒時間內的一種劇烈脈沖。引起浪涌的原因：直接雷擊和間接雷擊（雷電感應、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，當它承受瞬態高壓、高能量脈沖時，快速（10-9s）由原來的高阻抗變為低阻抗，并將瞬變高壓干擾脈沖抑制到預定電壓，從而有效地保護設備和敏感器件不受損壞，使電路工作不受干擾。

3 EI32-JD計算機聯鎖系統的硬件組成

EI32-JD計算機系統由聯鎖機柜、綜合機柜、防雷分線柜和控制臺等組成。其核心機柜是聯鎖機柜。聯鎖機柜中的聯鎖機和驅采機均為二乘二取二結構，各自分為Ⅰ、Ⅱ系，各系內部為二取二結構，即聯鎖機及驅采機均為雙系（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，實現全系統的高安全性；任一單系檢出故障均可立即倒向備系工作，實現全系統的高可靠性。

聯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，側門組件，出線板組件，底板組件和底座組件等；機柜內置零部件主要包括：驅采電源機箱、驅采電源插箱、聯鎖機箱、驅采機箱、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 聯鎖機柜電磁兼容的設計方法

利用電磁兼容理論并綜合分析計算機聯鎖設備所處的工作環境，認為計算機聯鎖設備在車站的機械室內遭受的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，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），內燃機車、電動轉轍機等，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。周圍設備有CTC、TDCS、ATS、DCS、電源屏等。EMI干擾來自系統內部的有：驅動采集電路板、聯鎖電路板、高速運轉的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。其中聯鎖機箱和驅采機箱安裝日信的驅動采集電路板、聯鎖電路板、高速運轉的CPU板等，易產生強的電磁輻射，且它們的抗干擾能力在日本已經過嚴格測試，能適應車站環境。車站信號樓本身有防雷設施，且從室外設備引入的信號線等均經防雷分線柜進入聯鎖機柜，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；對周圍設備講，EMI源是聯鎖機箱和驅采機箱；對計算機聯鎖設備來講，EMI源是周圍設備產生強的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，重點放在聯鎖機柜的電磁屏蔽設計上。在機柜、聯鎖機箱和驅采機箱的結構設計上嚴格按電磁兼容的要求采用多層攔截的方法，使聯鎖設備處在一個相對安全的內部環境中，且聯鎖設備的電磁輻射不影響周圍設備的正常工作。為此，聯鎖設備的結構按以下方法進行設計。

4.1 骨架組件的設計方法

材質為鋁合金（6063）表面導電氧化處理，8個連接角為壓鑄鋁。鋁合金型材設計時，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 風扇組件的設計方法

材質為鍍鋅鋼板，上表面通風口處加裝EMC屏蔽網，EMC屏蔽網必須與鍍鋅表面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 頂板的設計方法

材質為鍍鋅鋼板，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、右門組件和側門的設計方法

材質均為鍍鋅鋼板，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。側門和骨架間的連接螺釘等必須設計在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計方法

進出機柜的所有導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。所有導線與出線板周邊之間360°范圍內用導電泡沫棉填充。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 驅采電源機箱和驅采電源插箱

驅采電源機箱用于安裝驅采電源插箱，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。這樣驅采電源插箱插入驅采電源機箱后形成一個封閉內腔，使驅采電源機箱自身形成一個等電位體。

4.7 聯鎖機箱和驅采機箱

聯鎖機箱和驅采機箱結構完全相同，用于安裝聯鎖板、驅動采集板等，如圖4所示。聯鎖機箱和驅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，前面加EMC屏蔽門，EMC屏蔽門和機箱之間加EMC屏蔽墊條，光纖出入口設計活動擋板使光纖口的尺寸可以調到最小來減小電磁泄露。使聯鎖機箱和驅采機箱各自構成一個等電位體，形成對EMI第二次屏蔽阻斷。聯鎖機箱、驅采機箱和機殼之間加尼龍絕緣墊板，使聯鎖機箱和驅采機箱浮地，如圖5所示。

4.8 接地銅母線

接地銅母線安裝于機柜側面，按U（44.45）的整數倍分布若干M4螺紋孔為機柜內設備提供接地線，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，聯鎖機箱、驅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鎖機箱、驅采機箱和柜體之間的絕緣性能，從而使聯鎖機箱和驅采機箱徹底浮地，如圖5所示。

[1]周志敏，紀愛華．電磁兼容技術[M]．北京：電子工業出版社，2007.

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