信号设备机柜

信号设备机柜（精选4篇）

信号设备机柜 篇1

摘要：现如今, 高速铁路时代的发展对铁路技术提出了新的要求, 尤其在铁路客运专线信号设备机柜的综合性能上, 其设计需满足设备电气功能、电磁兼容性及环境安全保证等特点, 同时又要具有新颖和色泽协调的外观特征, 来实现现代铁路技术的要求。

关键词：铁路,信号设备机柜,结构

铁路信号设备机柜是组织指挥列车运行、提高运输效率与保护行车人员安全的重要设备。随着铁路事业的不断发展与完善, 铁路设备机柜也向着专业化、自动化和密集化的方向发展推进。目前, 我国的铁路客运专线信号设备机柜的结构设计与研究还是处于基础阶段, 尤其对近期才开始发展的高速铁路上的应用, 其中的科学技术含量与熟练操作程度还有待提高。所以, 铁路客运专线信号设备机柜的合理设计不但对我国铁路事业的发展有着重要的作用, 同时对于人民的生命财产安全提供了有利的保障。

1 目前我国铁路客运专线信号设备机柜应用的状况

1.1 我国铁路客运专线信号设备机柜的构造

目前, 我国铁路客运专线信号设备主要有计算机连锁系统、微机检测系统、调度集中指挥系统及自动闭塞系统等。但是, 由于这些设备机柜在电磁兼容及环境安全登记技术性能方面的执行标准不统一, 所以会造成在很多时候系统采用的机柜无法满足现行电磁兼容和环境安全规定范围的现象, 影响着铁路的安全运行。此外, 我国目前所使用的设备机柜的标准化、通用化的程度并不高, 导致其外形尺寸大小的不一、颜色各异, 同时存在交换性、兼容性较差的现象, 从而使机械室内整体的布局混乱, 降低了信号设备的安全性和可靠性。

1.2 我国铁路客运专线信号设备机柜的应用

目前, 我国的高速铁路运行时速大约在200~300 km/h之间, 而此类工程对铁路客运专线信号设备机柜的要求较为严格, 需遵循高标准起点、高技术含量、高可靠性能等特点。而铁路客运专线信号设备机柜作为铁路工程安全的重要保障, 其设备性能必须要满足建设的要求。在客运专线系统中, 除了应有的机柜设备外, 还需要增加一些计算机系统及网络设备, 来补充和监督机柜设备的有效运行。在我国的铁路建设系统中, 大多都是一次建成交付使用的建设模式, 所以需对机械室内的整体布局及设备安装进行有效合理的规划, 并且要对机柜设备的电气适用性、电磁兼容性及安全环境等级等方面有着更高的要求。

2 我国铁路客运专线信号设备机柜的结构设计方案

2.1 铁路客运专线信号设备机柜的设计标准

标准系列的机柜结构设计是满足我国目前铁路专线一次性建成模式的重要前提, 需要充分考虑到机柜设计要符合一次性建成的建筑模式的特点, 并实现标准化、通用化和系列化要求。首先, 从机柜设备的工艺性上来说, 要符合目前大力倡导的简化生产过程的要求, 并在一定程度上满足加工工艺、工装精通化, 缩短制造周期, 提高生产效率, 从而降低了生产的成本, 提高机柜的经济性和交换性。其次, 从结构专业角度上来说, 标准系列机柜的结构设计要与ICE接轨, 提高机柜的科技含量, 优化设计技巧, 并使机柜设备在使用过程中有着较多的灵活性, 从而满足了未来铁路的发展要求。

2.2 铁路客运专线信号设备机柜的结构形式

铁路客运专线的室内信号系统较多, 在机柜的结构形式上一般分为铁路专用设备机柜、计算机网络设备与国外引进设备两大类。铁路专用设计机柜又称铁标机柜, 主要是考虑与现有设备的兼容性, 其尺寸一般为高度2350 mm, 宽度900 mm, 深度会根据所安装设备的具体要求来定, 主要有400 mm、500 mm、600 mm三种。计算机网络设备与国外引进设备又称国际机柜, 此类机柜因为考虑到与欧美国家机柜系统的兼容性, 所以设计尺寸定为高度2250 mm, 宽度600 mm、800 mm、900 mm不等, 深度会根据安装设备的要求主要有400 mm、500 mm、600 mm和1100 mm四种。

2.3 铁路客运专线信号设备机柜材料选用

通过根据物理强度、加工工艺等特点对国内外多种机柜的材料选用来做对比分析, 标准系列机柜的整体框架一般为铝型材拼装式, 而铝型材又具有质量轻、刚性佳、易成型、加工工艺强等特点, 所以对机柜的稳固度及承重量都形成了很好的保障。而标准系列机柜的柜门、侧板及其它构件一般采用镀锌彩钢板, 在柜门和侧板的处理上, 要进行磷化与静电粉末喷涂两道工序, 从而确保了机柜的最佳防腐性能。

3 结语

在铁路客运专线信号设备机柜的机构设计上, 并不仅仅局限于以上提出的设计要求, 而其中需要涉及到多个领域的科学知识技术。所以, 只有不断完善机柜的结构设计, 实现高效、稳定的运行效果, 才可有效的推动铁路运输事业的健康稳定发展。

参考文献

[1]刘金良.京津客运专线桥梁地段信号设备安装方法[J].铁路通信信号工程技术, 2008 (4) .

[2]朱应娟.合武铁路无砟轨道双块式轨枕设计[J].铁道工程学报, 2009 (8) .

[3]李秋义.郑西客运专线CRTSⅡ型双块式无砟轨道设计[J].铁道建筑技术, 2010 (4) .

[4]杨晖.沿海铁路联调联试中发现的问题与处理[J].上海铁道科技, 2010 (1) .

航空电子设备机柜抗冲振设计 篇2

大型的机载电子系统是指组成庞大、电子设备众多、技术要求复杂的综合系统, 通常包含多个分系统, 这些众多的、复杂的电子系统设备一般集中安装在机柜中, 完成多项特殊任务。大型机载电子系统的装载平台一般为大型、中型或小型运输机, 运输机载机的安装使用环境与战斗机、强击机等相比虽然强度会弱一些, 但与车载、船载环境相比, 其安装使用环境会恶劣得多, 各种设备在使用过程中将承受较强烈的振动、冲击应力, 为保证机柜内设备可靠工作, 达到系统所要求的各项战技指标, 对机柜的结构设计极其重要, 其中最重要的是抗冲振设计。

2 载机安装环境

载机在起飞、着陆、滑跑时跑道对飞机产生较大的激励, 在飞行过程中因气流和发动机等的作用会产生较强的振动, 通常具有宽带、随机噪声性质, 螺旋桨飞机还有螺旋桨转动产生振动基频与各级谐波频率窄带内的振动。这些振动的强度与飞机的发动机数量、飞行速度、飞行姿态及机上位置有关, 但运输机与战斗机、强击机等相比振动强度会小一些。现代喷气运输机的最大振动正弦值一般不超过±5g (峰值) , 在10Hz~2000Hz范围内其功率谱密度强度不超过0.01g2/Hz。如某种运输机的振动功率谱密度曲线如图1所示, 其均方根加速度值约1.85g。螺旋桨飞机在15Hz~2000Hz范围内的宽带功率谱密度强度一般为0.01g2/Hz, 其螺旋桨引起的突出窄带 (通常为四个频点) 振动强度最高可达0.6g2/Hz, 这些峰值的中心频率位于螺旋桨叶通过频率及其谐波的比较窄的频带内。如某种螺旋桨运输机的振动功率谱密度曲线如图2所示, 其均方根加速度值约5.7g。

载机除存在以上强烈的振动外, 还将产生强烈的冲击环境。其冲击主要是在异常着陆或飞行中突遇强大气流引起的瞬时激励, 其特点是强度大, 但作用时间短, 对设备考核时一般为:功能冲击加速度峰值15g, 时间11ms, 波形为半正弦脉冲波。半正弦脉冲波形及其容差限如图3所示。

3 抗冲振设计

鉴于机载平台如此恶劣的机械环境, 对于装载电子设备的机柜, 必须进行精心的抗冲振设计。其内部一般都含有精密的电子元器件或部件和设备, 在减振设计上主要采取电子设备结构自身的加固设计和采用减振系统两种措施。传统的电子设备减振设计主要依靠经验设计和大量的摸底试验来保证。产品研制过程往往需要多次反复, 周期较长。随着环境平台的日益复杂, 研制周期日趋紧张, 传统设计方法很难满足研制要求。振动影响设备的性能, 要提高设备的抗冲振能力主要采取结构刚性化设计和必要的减振措施。

3.1 机柜刚强度设计

由于载机的振动频带较宽, 按照二倍频程法则, 无法使机柜的固有频率避开载机激振频率。机柜是电子设备的承载体, 机柜结构刚度的好坏直接决定电子设备的抗震性能。兼顾机柜刚强度和机载设备重量的限制, 电子设备机柜主要从材料、结构形式、连接方式及设备布局等多方面进行结构刚强度设计。机柜结构刚强度设计原则:

1) 材料:重量是机载产品的主要指标, 所以通常选用比重较轻、刚强度较好的铝合金、镁铝合金、碳纤维等, 承力结构件选用强度较高的钢件。镁铝合金、碳纤维虽然强度好、重量轻, 但镁铝合金防腐性能较差, 碳纤维价格较贵, 所以应综合权衡强度、重量、价格等因素选材;

2) 结构形式:机柜通常为框架结构, 其主要承力构件为前、后立柱, 应采用提高其弯矩和扭矩强度的截面形状和尺寸。同时提高机柜各构件之间的连接强度, 其它连接件应采用冲肋、加筋、翻边等结构形式提高结构件的刚强度;

3) 连接方式:为提高机柜强度, 其主要框架一般采用焊接连接形式。同时在振动激励频率范围内, 层次结构及其连接刚度尽可能符合二倍频法则, 所有层次结构不得出现有害的结构谐振, 设备间的互联导线应尽可能捆扎在一起, 并用线夹分段固定在刚体结构上, 可拆或翻转式连接结构, 必须消除结合处的间隙, 以免引起附加冲击、非线性自激振荡和机械结构噪声;

4) 设备布局:遵循质量分布和刚度分布应尽量均匀的原则, 尽量使设备对称布置, 使机柜的重心落在地面的几何中心。将重量较重的设备布置在机柜的下部, 降低机柜重心, 减小机柜的摇晃, 以消除耦合振动。

3.2 隔振缓冲设计

刚性连接的机柜其刚强度无论作得多好, 当受到较强的振动激励时, 机柜内的响应都会有不同程度的放大。某机载机柜硬装时进行振动试验, 当输入为图1的振动激励时, 在机柜中部测得的响应均方根值为2.3g, 当输入为图2的振动激励时, 在机柜中部测得的响应均方根值为6.5g, 其共振放大率均在5以上。因此硬装机柜内设备无法满足环境要求也无法消除振源时, 应对设备进行振动冲击隔离, 也就是减振设计。为减轻重量和节省空间, 安装在机柜中的绝大多数设备都不单独使用隔振器减振, 而采用机柜整体减振的结构形式, 机柜整体减振通常是安装合适的隔振器。

3.2.1 隔振器主要性能特点

目前适合用作机载机柜减振系统使用的比较成熟的隔振器主要有钢丝绳隔振器、金属丝网隔振器、橡胶隔振器、无谐振峰金属隔振器。这些隔振器的主要性能特点如下:

1) 钢丝绳隔振器:该隔振器既能吸收冲击能量, 也能隔离高低频振动。隔振器的刚度和阻尼取决于钢丝绳直径、钢丝绳股数、长度、圈数和缠绕方式及变形量等。固有频率低, 一般在10Hz以下。温度适应范围宽, 一般达-70℃~260℃。缺点是重量重, 位移量大。

2) 金属丝网隔振器:该隔振器的原理是利用丝网间变形产生的非线性干摩擦阻尼, 耗散能量以达到缓冲和隔振的目的。其共振放大系数≤2.5, 固有频率20Hz~25Hz, 工作温度为-55℃~170℃。

3) 橡胶隔振器:传统的橡胶隔振器因其低温和高温性能差、抗老化能力差、抗冲击能力低、高蠕变等缺点, 因而无法用于机载环境, 取而代之是新型高阻尼硅橡胶隔振器。其阻尼系数可达0.2~0.3, 工作温度为-50℃~70℃, 固有频率30Hz~35Hz。

4) 无谐振峰金属隔振器:弹性特性和阻尼特性主要由金属构件确定的隔振器。该隔振器是根据隔振、缓冲技术所要求的变刚度、变阻尼特性设计的新型隔振器, 采用了刚度拟合技术和干摩擦阻尼技术, 固有频率低 (fn≤5Hz) , 无共振放大 (传递率η<1) , 并可兼顾缓冲。对自然环境条件反应不敏感, 可在油污和高、低温恶劣环境下工作, 不易老化, 性能稳定, 与设备同寿命, 目前应用较广。

3.2.2 隔振器选用原则

1) 功能:明确机柜内设备会不会产生不希望的振动和噪声, 或者设备的性能会不会受环境的振动和冲击的影响。在规定的振动、冲击环境条件下, 隔振器应具有隔振和缓冲的功能, 通过隔振器传递给机柜内设备的响应值应小于设备的允许值。

2) 环境适应性:所选用的隔振器的环境适应性应与机载环境条件一致。

3) 固有频率:根据隔振理论要求, 有如下公式:

式中, η是隔振传递率;D是阻尼比;γ是激振频率P和隔振系统固有频率fz之比。根据上式, 要想隔振系统发挥衰减振动的作用, 必须η<1, 即γ>2。载机随机振动的激振频率P=10Hz~2000Hz, 最小激振频率Pmin=10Hz, 算得fz<7Hz。因此, 隔振器的固有频率尽可能低, 并且其刚度特性应与机柜去藕设计要求和传递率特性要求相适应。

4) 载荷和位移:根据机柜满载设备后的重量和机柜的外形尺寸, 分析机柜与支承点的相对重心位置以及为隔振器变形可利用的最大空间。各隔振器的载荷尽量均匀, 以便采用同型号的隔振器。一般隔振器承受的载荷不仅和设备重量和重心有关, 还取决于本身的刚度。当各支承点的载荷相差较大, 必须采用不同型号的隔振器时, 各隔振器的挠度应尽量相等, 使安装面处于同一平面, 以免影响隔振效果。在各支承点上, 隔振器的实际承载量应在隔振器的容许承载范围内。各隔振器的实际承载量与其动刚度之比应相同或基本相近, 以保证其动态特性的一致性, 避免耦联振动。

5) 效果:共振对设备功能影响最大, 为获得良好的隔振效果, 隔振器应尽量避免共振。难以实现时, 应适当加大阻尼, 使隔振器共振时的传递率较小。按照隔振理论, 较理想的隔振器应有变阻尼特性, 在共振区具有较大的阻尼, 而在隔振区应具有较小的阻尼值, 以达到既能有效拟制共振峰值, 又有较好的隔振效果的目的。

3.2.3 隔振器安装

根据机载电子设备机柜对隔振系统的要求和现有成熟隔振器的性能特点, 结合多个大型机载电子系统的机柜隔振系统实际测试结果, 按照隔振器选用原则, 综合权衡隔振效果、重量、体积、成本等各方面因素, 目前机载电子设备机柜整体减振所用的隔振器大部分选用无谐振峰金属隔振器。经振动试验实测, 安装GWF-K型无谐振峰金属隔振器后机柜各部位对振动激励的响应至少可衰减一半, 隔振效率达到50%~90%, 并在整个频带内基本无谐振峰。

根据机柜满载电子设备后的重心都较高的特点, 采用重心安装在实际操作中难以实现, 底面安装和侧面安装均无法满足去耦要求, 因此目前机柜的隔振器安装形式已基本标准化, 即背架安装形式。每个机柜单独配置隔振器, 采用底部4只, 背部 (或顶部) 2只的隔振器方案, 并排的机柜之间留出20mm间隙。机柜底部隔振器与载机地板直接相连, 机柜背部 (或顶部) 用2个与底部减振器相匹配的背部 (或顶部) 隔振器与载机舱壁相连。机柜安装形式如图4所示。

4 抗冲振技术的发展

随着电子技术的发展和设备功能的复杂化、集成化、综合化, 对航空电子设备的小型化、轻量化要求已越来越高, 并且直接或间接形成的振动环境越来越严酷, 因此迫切需要更先进的抗冲振设计技术, 不断丰富刚强度设计和隔振、缓冲设计体系。

随着材料技术和计算机技术的发展, 使抗冲振设计技术也发生了较大的发展。在材料方面, 高强度、轻量化的金属材料和非金属复合材料, 如钛合金、碳纤维等材料随着性能的优化和成本的不断降低, 已逐步广泛用于航空机柜或设备的设计中。

为了达到抗冲振设计要求或使设计更加优化, 传统的抗冲振设计一般是根据经验或反复的实验验证, 设计效率低, 设计质量差, 成本高。随着计算机仿真分析设计技术的发展, 使设备的抗冲振优化设计更加实际, 更加先进。在设计中, 可利用有限元方法等对机柜或设备等进行模态分析, 得到机柜的固有频率和内装设备、部件等各阶频率, 施加载机真实的激励后, 可分析得到机柜不同部位的响应和危险频率点, 因此可知道设计的薄弱环节, 可通过采取针对性的加固措施或减振设计, 以实现最优化的抗冲振设计方案。

在隔振、缓冲设计方面, 隔振器弹性原件的组成从单一的隔振材料向多种隔振材料组合和功能隔振材料的方向发展;隔振器从单纯隔振向隔振、缓冲、降噪同时兼容的方向发展;从以位移、加速度等单一物理量隔振向最小能量传递、最小振动传动率等多目标的隔振方向发展;从单一结构、单一介质的无源隔振器向多结构和变结构、多介质和性能可变介质的半主动、主被动混合隔振器的方向发展。

目前航空机柜 (机架) 常用的隔振器为无谐振峰金属隔振器, 整机设备所用的隔振器为金属丝网或钢丝绳金属隔振器。金属隔振器由许多随机的或按照特定规律排列的金属螺旋卷彼此相互勾嵌而成, 当其承受外部载荷时, 靠金属螺旋卷接触点之间的相互摩擦来耗散能量, 起到隔振和缓冲的作用, 因其工作原理及材料等原因, 重量较重, 体积较大, 已越来越无法满足航空电子设备小型化、轻量化要求。随着非金属隔振材料研究领域的进步, 目前新型高阻尼非金属隔振材料已经具备应用于航空领域的条件。高阻尼的非金属材料是利用高分子材料在外力作用下产生原子间距离变化的普弹变形和大分子链段的高弹变形, 将机械能转化为热能耗散, 达到减振和缓冲的目的。目前国内已有多家单位在非金属高阻尼减振材料或非金属高阻尼隔振器方面进行了研究, 其成果已在航空电子设备的减振设计中得到了实际应用, 其隔振系统体积已大大减小, 重量已大大减轻。随着非金属高阻尼材料技术的发展, 其工作温度适应范围和频率适应范围不断扩大, 并具有优良的热稳定性、散热性、耐候性、较高撕裂强度及长时间的抗老化性能, 这些性能已经能满足航空领域对减振材料的性能要求, 使其应用于航空领域实现航空电子设备的小型轻量化成为可能。

5 结语

抗冲振设计是一项专业性极强, 牵涉面较广, 技术极其复杂的多学科技术, 应用极其广泛。随着材料技术的发展、研究手段的提高、工程应用的推广, 抗冲振设计理论将会越来越丰富。

摘要：本文简述了以运输机为载机平台的电子设备机柜抗冲振设计的主要内容, 包括运输机振动、冲击环境特点, 各型隔振器主要性能特点, 隔振器选用原则。提出了提高机载电子设备机柜强度的基本原则和进行机柜整体减振设计的基本设计思路和方法, 并对机载电子设备机柜抗冲振设计的技术发展提出了建议。

关键词：电子设备机柜,机械环境,隔振器,刚强度设计,抗冲振设计

参考文献

[1]汪凤泉.电子设备振动与冲击手册[M].科学出版社, 1993

[2]邱成悌, 赵殳, 蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].东南大学出版社, 2005

[3]葛祖德, 姚起航.航空用新型减振器[J].应用力学学报, 2001

[4]李玉峰, 秦志刚.某机载电子设备的抗震设计[J].电子机械工程, 2007

信号设备机柜 篇3

1 电力系统自动化设备机柜屏蔽效能要求

电力系统自动化设备机柜的主要作用有三个方面,一是为机柜内的电力自动化设备提供走线和支撑;二是增强装置抵抗外界强电磁场辐射的能力,也就是提高机柜内部电力自动化设备的电磁敏感度;三是减少机柜内部电力自动化设备对外界的电磁辐射,特别是对附近敏感电子装置的电磁辐射干扰。电力系统自动化设备机柜的屏蔽效能就是衡量电力机柜抵御外界电磁干扰和防止内部设备电磁泄漏的能力。所有电力机柜屏蔽效能的大小直接影响机柜内部电力自动化设备的抗干扰能力。

目前国际、国内针对机柜的屏蔽效能测试主要依据标准IEC/TS 61587-3电子设备机械结构的试验第三部分:机柜、机架和插箱的电磁屏蔽性能试验来进行,该标准对在不同环境中使用的机柜的屏蔽效能提出了不同的等级[3],如表1所示。

鉴于目前电力系统输电电压等级的提高以及电力自动化设备下放到开关场,使得电力自动化设备面临的电磁环境更加复杂,为确保电力自动化设备能够正常工作而不受开关场内电磁干扰的影响,一般电力自动化设备厂商都倾向与提高电力机柜内单台自动化设备的电磁辐射抗扰度等级,很多厂商更是追求各项电磁兼容测试指标不达到标准规定的最高等级不罢休,这就导致生产测试的成本大大增加,而且还不能保证通过最严酷电磁兼容测试的设备能够在现场正常运行。经常出现电力设备生产厂商询问为什么产品通过最高等级的电磁兼容测试,还是在现场受到电磁干扰而导致设备误动的情况。从国网自动化设备电磁兼容实验室近年来测试情况建议电力自动化厂商可以考虑从电力机柜方面来提高自动化设备的抗电磁干扰能力,实际表明电力自动化设备机柜的屏蔽性能达到表1中的2级以上,就能在很大程度上提高机柜内部自动化装置的抗电磁干扰的能力。也就是说电力自动化设备机柜的屏蔽性能在频率为30~230 MHz时,其屏蔽性能应该达到40 d B,频率为230~1 000 MHz时,其屏蔽性能应该达到30 d B。

2 电力系统自动化设备机柜屏蔽效能的测试方案

2.1 屏蔽效能测试方法

根据国际标准IEC/TS 61587-3电子设备机械结构的试验第三部分:机柜、机架和插箱的电磁屏蔽性能试验的规定,电力系统自动化设备机柜的屏蔽效能测试分两部进行,第一步主要对参考场强的测试,测试布置如图1所示。

开始测试不需要放置电力自动化设备机柜,只需要将发射天线放在电波暗室的转台中心,接收天线到电波暗室的转台中心的距离为3 m,发射天线离接地参考平面的高度为1.1 m,转台以90°为步长,旋转360°,接收天线从1 m升高到4 m,并以1 m为步长对发射天线在30~1 000 MHz的频率范围进行扫频测试,并记录发射天线的场强值E1。

当测试完参考场强后,就可以进行下一步测试,主要测试机柜的泄漏场强,将电力系统自动化设备机柜放置电波暗室的转台中心,机柜离参考接地平面10 cm,接收天线到电波暗室的转台中心的距离为3 m,将发射天线放置在机柜里面,发射天线离接地参考平面的高度为1.1 m,转台以90°为步长,旋转360°,接收天线从1 m升高到4 m,并以1 m为步长对发射天线在30~1 000 MHz的频率范围进行扫频测试,并记录发射天线的场强值E2,测试布置如图2所示。

2.2 屏蔽效能场地和测试仪器

电力系统自动化设备机柜屏蔽效能测试主要在电波暗室中进行,主要设备包括电磁干扰接收机、电磁干扰接收天线、球形偶极子发射天线、电磁干扰测试软件。测试过程中使用的球形偶极子发射天线是由东南大学电磁兼容实验室设计的梳妆信号发生器,主要是将基频为30 MHz的梳形信号发生器内置于两半球组成的球形偶极子天线中,能在30 MHz~1 GHz的频率范围内辐射出谱线间隔均匀的电磁场,其结构如图3所示。球形偶极子发射天线产生的频谱如图4所示。

2.3 屏蔽效能计算

以图1中的试验布置,测量得到的机柜的参考场强辐射值E1(d BμV/m),减去图2中的试验布置测试得到的机柜泄漏场强辐射值E2(d BμV/m),则屏蔽效能SE(d B)可由公式(1)计算得到:

2.4 电力系统自动化设备机柜屏蔽效能测试

在电波暗室没有电力机柜情况下,按照图1的布置测试参考场强;将某厂商常用的电力系统自动化设备机柜放置的电波暗室转台中心,并将球形偶极子发射天线放在机柜里面,并离接地参考平面1.1 m高,利用电磁干扰接收系统,在1~4 m的范围内对置于机柜内部的球形偶极子发射天线产生的泄漏场强进行测试。天线水平极化时参考场强测试结果如图5所示,泄漏场强测试结果如图6所示。

天线垂直极化时参考场强测试结果如图7所示,泄漏场强测试结果如图8所示。

通过公式(1)计算后得到该机柜的屏蔽效能如图9和图10所示。

从测试结果中分析可得出:(1)该机柜的屏蔽效能不太理想。只能达到表1对屏蔽效能等级1的要求。(2)分析发现该机柜泄漏的主要途径有:机柜通风盖板上网罩与机柜接触不良导致电磁泄漏、机柜门的接缝不严实。(3)机柜通风盖板上屏蔽网罩进行处理,必须保证它的电连续性。采取将屏蔽网罩与机柜接触部分进行打磨,清理掉接触部分的油漆,并利用螺钉进行加固连接,机柜的门安装簧片等处理方式[4,5,6]。

经过对电力系统自动化设备机柜上述处理后重新进行屏蔽效能的测试,并对测试结果按照公式(1)进行计算,重新得到该机柜的屏蔽效能如图11和图12所示。

从图11、图12可以看出,经过改进后,机柜的屏蔽效能达到表1中等级2级的要求,比整改以前大大提高了至少10 d B,这表明机柜通风盖板上屏蔽网罩的电连续性对机柜屏蔽效能有很大的影响。

2.5机柜屏蔽效能对机柜内设备抗扰度性能影响的分析

目前,衡量电力系统自动化设备抵抗辐射电磁场干扰的主要技术指标是根据GB/T 14598.9—2010量度继电器和保护装置第22-3部分:电气骚扰试验-辐射电磁场抗扰度中规定电力自动化设备必须能够承受强度为10 V/m辐射电磁场干扰而能够正常运行[6]。从国家电网公司自动化设备电磁兼容实验室多年来对自动化研究院以及其他自动化设备生产商的产品测试以及电力自动化设备现场运行情况中可以看出,还有不少电力自动化设备不能承受10 V/m辐射电磁场的干扰,有的电力自动化设备虽然在实验室能够通过10 V/m辐射电磁场干扰,但在现场还是存在保护装置误动的现象。实验室通过将一台不能通过10 V/m辐射电磁场干扰的电力自动化装置放在本文未经过整改的机柜中重复进行10 V/m辐射电磁场抗扰度测试,发现情况有所好转,该装置能够承受10 V/m辐射电磁场干扰。说明机柜的屏蔽效能确实能够提高机柜内部电力自动化设备的抗扰度性能。

但将该电力自动化装置放置在经过整改过的机柜里面,重复进行场强30 V/m辐射电磁场抗扰度测试,该装置能够正常工作而且各种功能没有受到辐射电磁干扰的影响。实验充分证明提高电力系统自动化设备机柜屏蔽效能对机柜内二次设备电磁辐射抗扰度性能的提高有着显著的影响,对于机柜屏蔽效能整改的措施简单、有效,而且成本比较低,远远比从电力自动化装置电路板上寻找解决设备抗扰度能力方面要轻松。

3 结语

本文通过对电力自动化设备机柜屏蔽效能的测试与分析,提出对电力自动化设备机柜屏蔽效能测试分析的方法;通过对电力机柜屏蔽效能的整改,将机柜的屏蔽效能提高一个级别后,明显提高了机柜内部电力二次设备的电磁辐射抗扰度的能力;经过实验室的实际测试得出电力机柜屏蔽效能的提高对电力自动化装置、设备或系统电磁抗扰度性能的重要作用。同时指出提高电力机柜屏蔽效能也可以有效降低机柜内部电力自动化装置对外界产生的电磁辐射的能量,从而防止在电力机柜内部运行的设备产生的电磁骚扰影响机柜外部电子设备的正常工作。本文还通过测试分析和实验验证提出了提高电力机柜屏蔽效能的有效途径,机柜开口的屏蔽网罩,必须保证它的电连续性,开口或连接不好的缝隙,会使屏蔽网罩的作用大幅降低,甚至没有任何屏蔽作用。

摘要：介绍了电力机柜屏蔽效能的测试方法和整改措施,分析了电力机柜屏蔽效能与机柜内部的电力二次设备辐射电磁抗扰度之间的关系,并提出了一种有效提高电力机柜内部二次设备或系统电磁辐射抗扰度的方法,通过实验验证表明,在机柜开口的屏蔽网罩,必须保证它的电连续性,开口或连接不好的缝隙,会使屏蔽网罩的作用大幅降低,甚至没有屏蔽作用。

关键词：屏蔽效能,二次设备,电力机柜,电磁兼容

参考文献

[1]肖保明,王泽忠,卢斌先,等.微机保护装置对开关瞬态干扰的敏感度研究[J].电力系统自动化,2005,29(3):61-64.

[2]张卫东.变电站开关操作瞬态电磁干扰问题的研究[D].保定:华北电力大学,2003.

[3]IEC 61587-3-2006电子设备用机械构件IEC 60917和IEC 60297的试验第3部分:机箱、机柜及分机柜的电磁屏蔽性能试验[S].

[4]卢科,沈华春,胡超.电磁屏蔽门屏蔽效能分析及仿真[J].电子质量,2008(11):76-78.

[5]陈小宁.密封机箱的EMC设计计算[J].安全与电磁兼容,2003(6):33-34.

信号设备机柜 篇4

冷辊弯型钢是一种经济截面型钢, 因其具有截面均匀、刚度强度高、产品质量好、生产效率高等优点, 被广泛应用于建筑、公路、汽车等行业。国外从20世纪70年代开始, 冷辊弯型钢应用于电控机柜制造, 最典型的有德国AEG公司的SE机柜和SIEMENS公司的8MF机柜[1], 但截面相对简单, 为开口形式。发展至今, 冷辊弯型钢在国外公司机柜产品上的应用已日趋成熟, 截面也由开口形式演变为较复杂的封闭结构。其中较为代表的公司有德国RITTAL、德国SCHNEIDER、奥地利MEHLER等。与之形成鲜明对比的是, 虽然国内冷弯型钢辊轧行业已发展相对成熟, 但冷辊弯型钢在国内机柜制造上的应用还仅仅停留在仿制国外产品阶段, 尚无自己开发的产品, 已明显落后于国外行业水平。

基于上述背景, 本文致力于阐述一种满足电力二次设备机柜使用功能需求的冷辊弯型钢结构设计, 刚强度分析计算, 并对采用此冷辊弯型钢加工的机柜进行振动和冲击试验验证;打破了国内机柜冷辊弯型钢长期仿制国外产品的现状, 突破了传统的钢板剪、冲、折成型工艺, 为今后电力二次设备机柜及冷弯辊轧类产品设计、制造提供了理论和实践依据。

1 冷辊弯型钢结构设计

电力二次设备机柜最重要的特性就是为电力系统设备提供安全性和持久可靠性的载体, 其有着区别于通信柜、网络柜等的人机和功能需求, 这就要求机柜框架冷辊弯型钢设计需考虑多方面因素。基于此, 本文重点针对一种电力二次设备机柜冷辊弯型钢设计、分析、验证等过程进行了阐述。

1.1 型钢截面设计

电力二次设备机柜冷辊弯型钢对整个机柜的影响是最为重要的, 其结构设计的合理性、工艺性直接影响着机柜的生产加工、制造成本、功能使用等各个环节。因此在设计型钢截面时需全面考虑可能的影响因素, 使设计尽可能简化、合理。本文所述冷辊弯型钢设计时综合考虑了以下电力二次设备机柜特点及需求: (1) 机柜具有足够的强度和刚度, 保证设备经过常规的运输、储存和安装后不产生破损变形; (2) 机柜根据设备的使用环境以及设备对防雨、防尘、防异物进入的要求, 具有框架与门体、顶盖等外界有可能存在缝隙处的密封结构; (3) 机柜前后门为外覆结构; (4) 机柜侧门为内嵌结构; (5) 机柜顶盖为内嵌结构。

1.2 型钢功能分析

(1) 俯视机柜外覆前后门、内嵌侧门及密封结构, 如图1所示。

(2) 侧视机柜外覆前后门、内嵌顶盖及密封结构, 如图2所示。

1.3 刚强度校核计算

型钢焊接组装成框架后, 框架的整体强度刚度要远大于型钢本身, 而其中又以立柱受力状况最为恶劣, 故本文以立柱作为对象进行刚强度校核计算。

(1) 根据GB/T18663.1—2008试验要求, 提吊试验可简化为图3 (a) 所示的受力图。该计算校核立柱的抗拉强度, 应满足的强度校核条件为:σ=N/An≤[σ][2,3]。

式中, σ为正应力;N为轴心力;An为净截面面积;[σ]为许用抗拉抗弯强度值。

已知提吊试验力为6 000 N, 框架共4根立柱, 受力均匀, 故单根立柱受力即N为1 500 N;利用msteel软件对型钢截面分析, 可得An=343.6 mm2;由《机械设计手册》[4]查得Q235钢的抗拉抗弯强度设计值[σ]=205 N/mm2, 抗剪强度设计值[τ]=120 N/mm2。

可见σ<[σ], 满足抗拉强度要求。

(2) 根据GB/T18663.1—2008试验要求, 刚度试验可简化为图3 (b) 所示的受力图。已知立柱长度为2 000 mm;总刚度试验力为1 000 N, 则单根立柱受力为250 N, 计算出的弯矩分布如图3 (c) 所示, Mmax=250×2 000=5×105N·m。由图3 (b) 可见, 危险端面上的危险点是图中的a、b、c中的一点。设点的总的正应力为σ, 总的剪应力为τ, 则其应满足强度校核条件: 且τmax≤[τ][2,3]。刚度试验时, 立柱受力情况为侧面或正面单向受力, 故侧面受力时, σ=σx;正面受力时, σ=σy。

下面分别对3点进行校核计算。

1) 侧面施加试验力:

同样计算可得:

可见, 立柱满足强度要求。

2) 正面施加试验力:

同样计算可得:

可见, 立柱满足强度要求。

2 试验验证

为了进一步验证此冷辊弯型钢的性能, 本文介绍了采用此冷辊弯型钢加工的机柜进行静载和动载试验情况。

2.1 静载荷试验

静载荷试验包括提吊和刚度试验两方面, 按照GB/T18663.1—2008试验要求, 设置试验参数为提吊试验力6 000 N, 刚度试验力1 000 N。

试验结束后机柜无影响形状、配合和功能的零件变形和破坏, 电气性能正常, 表明机柜静载荷性能满足GB/T18663.1—2008规定的SL6等级, 即额定载荷400 kg。

2.2 动载荷试验

动载荷试验包括振动和冲击试验两方面, 电力二次设备机柜主要应用于变电站控制室内, 且多为固定使用, 根据其使用环境参照GB/T2423.10—1995电工电子产品环境试验第2部分试验方法试验Fc和导则振动 (正弦) 和GB/T2423.5—1995电工电子产品环境试验第2部分试验方法试验Ea和导则冲击, 按GB/T18663.1—2008规定的DL4等级进行试验。

试验结果:机柜各对角线尺寸误差小于1.5 mm, 无影响形状、配合和功能的零件变形和破坏, 电气性能正常, 表明机柜动载荷性能满足GB/T18663.1—2008规定的DL4等级要求。

3 结语

冷辊弯型钢在机柜中的应用, 使机柜生产因此发生了变革:传统生产过程中大量的剪切、折弯工序大大减少或者基本取消, 更多的是专业化的生产。随着我国冷辊弯型钢生产技术的日臻成熟, 其在机柜行业的应用亦将趋于普遍化, 机柜生产亦会更专业化[1]。

本文主要介绍了一种电力二次设备机柜冷辊弯型钢结构设计、刚强度计算分析及试验验证过程, 为今后电力二次设备机柜及冷弯辊轧类产品设计、制造提供了理论和实践依据。

摘要：首先概括介绍了冷弯型钢辊轧成型工艺, 其次着重阐述了一种电力二次设备机柜冷辊弯型钢结构设计, 并进行了全面的刚强度计算分析, 分析表明, 此冷辊弯型钢完全满足性能需求, 同时对采用此冷辊弯型钢加工的机柜进行静载荷及动载荷试验验证, 从而在理论和实践上验证了此冷辊弯型钢的合理性和可行性, 为今后电力二次设备机柜及冷弯辊轧类产品设计、制造提供了经验。

关键词：机柜,冷辊弯型钢,结构设计,刚强度

参考文献

[1]田蘅.冷辊弯型钢及其在机柜中的应用[J].继电器, 1993 (4)

[2]吴宗泽主编.机械设计实用手册[M].北京:化学工业出版社, 1999

[3]刘鸿文主编.材料力学[M].北京:高等教育出版社, 1979