1 電磁兼容性的提出
隨著現(xiàn)代電子科技的飛躍發(fā)展,電子技術(shù)和電子產(chǎn)品已廣泛地應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和人門(mén)的日常生活中。尤其是微電子技術(shù)和數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使人類(lèi)進(jìn)入了信息技術(shù)時(shí)代?!?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1247/" target="_blank">電腦,上網(wǎng),手機(jī),智能化……”已成了人人皆知的名詞。然而,電器設(shè)備和電子產(chǎn)品的普及應(yīng)用與發(fā)展也造成了日益嚴(yán)重的電磁污染,給我們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)了不容忽視的影響,甚至造成嚴(yán)重問(wèn)題。這個(gè)矛盾日益凸現(xiàn),并屢見(jiàn)不鮮。
例如:電力設(shè)備的電位異常與諧波干擾,電動(dòng)工具的電火花,都會(huì)影響通信系統(tǒng)和廣播電視系統(tǒng)的正常工作;手機(jī)、手提電腦
在飛機(jī)上使用時(shí)會(huì)干擾飛機(jī)上導(dǎo)航控制系統(tǒng)的可靠工作,甚至造成飛行事故;醫(yī)院里的心電起博器等醫(yī)療設(shè)備受移動(dòng)通信裝置無(wú)線電波干擾而影響正常使用等等。在工業(yè)生產(chǎn)中,以微電子電路為主體的自控儀表系統(tǒng)的工作環(huán)境和檢測(cè)控制對(duì)象往往是高電壓大電流的,這些電子儀表設(shè)備常常會(huì)受到電磁幅射、電磁脈沖、地電位異常、雷電沖擊、靜電感應(yīng)、電弧、強(qiáng)負(fù)荷電流沖擊、電源諧波、高頻電噪聲等等有害因素的干擾影響。這些干擾輕則會(huì)引起自控儀表裝置的工作可靠性降低,重則甚至造成自控儀表系統(tǒng)的誤動(dòng)作或死機(jī)故障。
凡此種種都是常見(jiàn)的在同一電磁環(huán)境中的電子設(shè)備相互干擾而不能正常工作的現(xiàn)象。要解決這些問(wèn)題,即如何使在同一電磁環(huán)境下工作的各種電子設(shè)備、電子系統(tǒng)都能互不干擾地正常工作,達(dá)到兼容狀態(tài),這就要看電子儀表設(shè)備的電磁兼容性(EMC)。
2 電磁兼容的學(xué)科內(nèi)容
電磁兼容性(Electromagnetism compatibility)是一門(mén)新興的綜合性學(xué)科。它的主要研究?jī)?nèi)容是電磁干擾和抗干擾問(wèn)題。還涉及到抗雷電、靜電、太陽(yáng)電磁場(chǎng)等自然干擾源、核電磁脈沖、無(wú)線電頻率資源的分配和管理、信息系統(tǒng)電磁泄漏失密、電磁環(huán)境污染與生態(tài)效應(yīng)等等領(lǐng)域,關(guān)系到大多數(shù)現(xiàn)代工業(yè)部門(mén)和軍事部門(mén)。在工業(yè)環(huán)境中,主要致力于對(duì)電磁干擾源,電磁干擾傳播途徑,電子設(shè)備的抗干擾能力等幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的研討。
2.1 電磁干擾源
電磁干擾源主要有自然環(huán)境中的電磁噪聲和人為外界干擾信號(hào)。
電磁噪聲是不帶任何信息的雜散電磁場(chǎng)。常見(jiàn)的有由大氣中的雷電、太陽(yáng)磁爆、風(fēng)塵、地巖應(yīng)力等各種原因引起的靜電積聚與放電;電力設(shè)備中的感性負(fù)荷切斷及投運(yùn)時(shí)產(chǎn)生的瞬變脈沖噪聲;各種電器產(chǎn)生的電弧,電火花等。信息技術(shù)設(shè)備的工作信號(hào)都是數(shù)字脈沖信號(hào),由頻譜分析理論可知:脈沖信號(hào)前沿越陡峭及脈沖頻率越高,其包含的高次諧波及高頻能量就越大,就會(huì)對(duì)外發(fā)射電磁能量。設(shè)備內(nèi)的元器件,線路板軌線及連接線等都會(huì)對(duì)外發(fā)射電磁干擾。
無(wú)線電通信、廣播電視、雷達(dá)等系統(tǒng)發(fā)射出的電磁波信號(hào),相對(duì)于外系統(tǒng)而言是一種無(wú)用信號(hào),對(duì)其它電子設(shè)備也是一種干擾。
2.2 干擾的導(dǎo)入途徑
電磁干擾的傳輸途徑主要有通過(guò)傳輸線路和空間輻射兩種方式。
在傳輸線路方面干擾主要通過(guò)共阻抗耦合和地線環(huán)路耦合方式產(chǎn)生影響。當(dāng)電子設(shè)備或元件共用電源或地線時(shí),就會(huì)通過(guò)公共阻抗產(chǎn)生相互干擾。電源內(nèi)阻或地線自身的電阻值很小,但其包含分布電感,在高頻時(shí)其阻抗不容忽視。高頻干擾電流會(huì)在公共阻抗上產(chǎn)生干擾電壓,疊加到其它電路上。
兩設(shè)備之間的地電位不同時(shí),就會(huì)產(chǎn)生地環(huán)路干擾。傳輸線路分布范圍較大的儀表控制系統(tǒng)均應(yīng)注意防止這類(lèi)干擾。
空間輻射干擾多是通過(guò)高頻電磁場(chǎng)傳播的,儀表設(shè)備內(nèi)部的電路之間和設(shè)備系統(tǒng)之間相互間都會(huì)產(chǎn)生這類(lèi)干擾。
3 電磁兼容的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定和認(rèn)證工作
電磁兼容涉及的內(nèi)容十分廣泛,實(shí)用性極強(qiáng)。工業(yè)、民用、軍用等幾乎所有的生產(chǎn)、生活領(lǐng)域都需解決電磁兼容問(wèn)題。世界上一些發(fā)達(dá)國(guó)家,如美國(guó)、歐洲共同體國(guó)家、日本等,在20世紀(jì)60年代就開(kāi)始重視與發(fā)展這門(mén)學(xué)科,目前已形成了一整套完整的電磁兼容體系。這些國(guó)家已制定了完整的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,設(shè)立了能有效地對(duì)軍用和民用產(chǎn)品進(jìn)行電磁兼容檢測(cè)和管理的機(jī)構(gòu),配備有高精度的電磁兼容測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備。還研制了很多關(guān)于電磁兼容預(yù)測(cè)、分析和設(shè)計(jì)的程序軟件。不斷推出用于電磁兼容對(duì)策技術(shù)的新材料、新器件、新工藝。這些完善而周密的體系可以有效地保證電器設(shè)備從設(shè)計(jì)、制造、進(jìn)入市場(chǎng)和檢測(cè)驗(yàn)證的全過(guò)程得到控制,最終實(shí)現(xiàn)全面的電磁兼容。
電磁兼容問(wèn)題幾乎在各個(gè)工作領(lǐng)域中普遍存在,影響面極廣。因而,制定完善的科技管理法規(guī)就勢(shì)在必行。世界上工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家都設(shè)有電磁兼容(EMC)標(biāo)準(zhǔn)制定工作的專(zhuān)業(yè)委員會(huì),并逐步走向國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前,國(guó)際上具有權(quán)威性的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)有:國(guó)際電工委員會(huì)的CISPR標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn);歐洲共同體的EN標(biāo)準(zhǔn);德國(guó)的VDE標(biāo)準(zhǔn);美國(guó)的FCC標(biāo)準(zhǔn)和軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD。
我國(guó)過(guò)去經(jīng)濟(jì)及科技基礎(chǔ)比較薄弱,電子技術(shù)工業(yè)落后,電子儀表產(chǎn)品應(yīng)用較少,電磁兼容的矛盾不突出,所以在電磁兼容領(lǐng)域起步較晚,與國(guó)外的差距很大。我國(guó)對(duì)電磁兼容的重視始于20世紀(jì)70年代的軍工產(chǎn)業(yè)。至80年代才成立了“全國(guó)無(wú)線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)”,研發(fā)并制定了一些電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。90年代初的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)震驚了國(guó)人,交戰(zhàn)中一方施放的電磁干擾竟能使對(duì)方的防空指揮系統(tǒng)陷于癱瘓失靈,使我們看到了電磁干擾與抗干擾在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的威力,象制空權(quán)、制海權(quán)一樣,電子戰(zhàn)的實(shí)質(zhì)其實(shí)是爭(zhēng)奪制電磁權(quán)。
接著,歐共體頒布的電磁兼容指令89/336/EEC使民用企業(yè)也感受到了對(duì)電磁兼容技術(shù)認(rèn)同的迫切性。該指令規(guī)定自1996年1月1日起,凡不符合電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品一律不準(zhǔn)進(jìn)入歐洲市場(chǎng),這給我國(guó)的民用電子產(chǎn)品的出口造成了很大壓力。在此背景下,目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的個(gè)人電腦PC機(jī)出廠時(shí),都已標(biāo)注了抗干擾電磁兼容的等級(jí)標(biāo)志。
今年我國(guó)已加入WTO而根據(jù)WTO/TBT協(xié)議(貿(mào)易技術(shù)壁壘協(xié)議)如果我國(guó)自身沒(méi)有對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行電磁兼容認(rèn)證的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及要求則國(guó)外的不符合電磁兼容要求的“拉圾”產(chǎn)品就會(huì)大舉入侵我國(guó)。令人遺憾的現(xiàn)象是:目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上銷(xiāo)售的各類(lèi)進(jìn)口電子儀表系統(tǒng)及產(chǎn)品幾乎都沒(méi)有標(biāo)示出電磁兼容的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)這一重要性能內(nèi)容沒(méi)有引起人們足夠重視。建設(shè)和完善我國(guó)自己的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)體系已是刻不容緩的事情。
經(jīng)過(guò)廣大科技工作者和政府主管部門(mén)的努力,近年來(lái)我國(guó)也已陸續(xù)制定了約70多種電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。例如:國(guó)標(biāo)GB/T17618-1998《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測(cè)量方法》和國(guó)標(biāo)GB4343.2-1999《電磁兼容家用電器電動(dòng)工具和類(lèi)似器具的要求:抗擾度》等等。
這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各種類(lèi)型的電氣電子設(shè)備在各個(gè)頻段的電磁干擾發(fā)射值限值和抗擾度限值,并規(guī)定了相應(yīng)的試驗(yàn)方法、儀器設(shè)備和試驗(yàn)場(chǎng)地。2000年我國(guó)成立了“中國(guó)電磁兼容認(rèn)證委員會(huì)”,并建立了認(rèn)證機(jī)構(gòu)--中國(guó)電磁兼容認(rèn)證中心。目前又公布了首批進(jìn)行強(qiáng)制性電磁兼容認(rèn)證的產(chǎn)品細(xì)化目錄和檢測(cè)項(xiàng)目,涉及到10個(gè)產(chǎn)品類(lèi)別的約80多種產(chǎn)品。國(guó)家出入境檢驗(yàn)檢疫局也對(duì)六種進(jìn)口電子產(chǎn)品實(shí)施電磁兼容強(qiáng)制性檢驗(yàn)。我國(guó)的電磁兼容認(rèn)證工作正在逐步地全面開(kāi)展并開(kāi)始與國(guó)際接軌。
4 電磁兼容控制技術(shù)
智能建筑弱電系統(tǒng)的主體設(shè)備是采用信息技術(shù)的各種電子設(shè)備。提高智能建筑弱電系統(tǒng)的抗干擾性能必須采用多方面的綜合抑制措施才能獲得滿意效果。對(duì)于弱電系統(tǒng)而言應(yīng)從電子設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電源回路、信號(hào)傳輸線路等幾個(gè)方面來(lái)考慮抗干擾措施。
4.1 弱電設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的抗干擾措施
弱電設(shè)備的外殼、機(jī)箱(柜)應(yīng)采用金屬材料,或在塑料外殼內(nèi)噴涂一層金屬膜作為屏蔽層。弱電電子設(shè)備外殼的通風(fēng)孔、進(jìn)出線孔、連接縫隙等要足夠?。ǎ洌鸡耍玻埃?。機(jī)箱的接縫處可使用導(dǎo)電襯墊,通風(fēng)窗可使用波導(dǎo)管,面板顯示窗可使用屏蔽玻璃材料。這些措施可用于切斷通過(guò)空間輻射傳播的電磁干擾。
弱電電子設(shè)備內(nèi)部的電路板之間電路板與電源板之間電路板上射頻元件區(qū)域都應(yīng)使用厚度不小于0.7mm的鍍鋅鐵板予以電磁屏蔽。屏蔽鐵板應(yīng)采用鍍銀銅線與外殼地連接。
弱電電子設(shè)備的輸入、輸出端接口電路設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置消除雷電影響的抗電涌抑制器(SPD)、高低頻濾波器、光電耦合器等電路,并盡量設(shè)法采用平衡傳輸制式,可有效抑制地環(huán)路干擾。
盡可能減小電路板中的相互電磁干擾??刹捎枚鄬与娐钒逡詼p少引線;布線盡量短粗以減小環(huán)路電阻;布線轉(zhuǎn)角處要圓滑,以利于阻抗匹配;不同類(lèi)型的電路單元要分路接地等等。
電磁兼容控制技術(shù)極大地依賴(lài)于新材料、新器件、新工藝的發(fā)展。如廣泛采用的表面貼裝工藝(SMT);近年來(lái)迅速涌現(xiàn)的“電磁干擾對(duì)策元件”系列(EMI)已獲得普遍應(yīng)用。如:電感類(lèi)EMI元件、三引線電容器、饋通電容器、壓敏電阻、平面變壓器、片式EMI濾波器、固態(tài)繼電器、固態(tài)開(kāi)關(guān)、導(dǎo)體絲網(wǎng)、導(dǎo)體薄膜,以及形形色色的EMI接插件、纜線、涂料、編織物等等。這些新器件、新技術(shù)的應(yīng)用大大提高了電子設(shè)備的抗干擾性能。
電子設(shè)備內(nèi)部的抗干擾措施主要應(yīng)由弱電電子設(shè)備制造廠商去致力研究,但是作為智能建筑弱電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師,了解些這方面的知識(shí),對(duì)于判斷及選擇優(yōu)良品質(zhì)的弱電設(shè)備是大有好處的。
4.2 電源裝置的抗干擾措施
電源裝置是弱電電子系統(tǒng)的動(dòng)力源電源的穩(wěn)定可靠與否對(duì)弱電系統(tǒng)的影響極大。有資料表明:電子系統(tǒng)設(shè)備的故障有1/2~1/3是來(lái)自電源部分。對(duì)電源的干擾來(lái)源主要有雷電沖擊電流;大容量感性負(fù)載投運(yùn)或切斷時(shí)造成的欠壓或浪涌電壓干擾電網(wǎng)中的高次諧波干擾等。
為抑制浪涌電流干擾可在電源的輸入、輸出端裝設(shè)瞬變電壓抑制器(TVP);在電源輸入端隔離變壓器的一次側(cè)與二次側(cè)之間加入接地的金屬屏蔽層這對(duì)降低高能量的瞬時(shí)脈沖干擾十分有效。在電源單元的設(shè)計(jì)中應(yīng)采用有隔離作用的寬工作電壓范圍(交流85V~265V)開(kāi)關(guān)電源,可大為提高電源抗電網(wǎng)電壓跌落的能力。
在電源輸入端加裝LC濾波電路是消除對(duì)電源環(huán)節(jié)造成影響的高頻干擾和共模干擾的有效辦法。在電源與負(fù)載之間串接“電磁干擾對(duì)策元件”--鐵氧體磁環(huán),可以很經(jīng)濟(jì)方便地抑制高頻干擾,同時(shí)還能減小電子設(shè)備通過(guò)電源對(duì)電網(wǎng)中其它設(shè)備的干擾。
4.3 傳輸信號(hào)線路的抗干擾措施
這個(gè)方面是從事智能建筑弱電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的工程師們可以充分發(fā)揮主動(dòng)性的領(lǐng)域,在做綜合布線系統(tǒng)以及大面積區(qū)域或長(zhǎng)距離的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、閉路電視系統(tǒng)、樓宇設(shè)備自控系統(tǒng)的布線設(shè)計(jì)時(shí)尤其應(yīng)認(rèn)真考慮這些問(wèn)題。
(1)從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控器件至總控制室之間的長(zhǎng)距離傳輸信號(hào)線宜采用雙絞線,并選用小節(jié)距的雙絞線。當(dāng)多根雙絞線在一起敷設(shè)時(shí),最好采用不同節(jié)距的雙絞線;當(dāng)兩對(duì)雙絞線長(zhǎng)距離平行敷設(shè)時(shí),每隔一段距離應(yīng)做一次位置交叉,以抑制噪聲。傳輸線中應(yīng)盡可能避免使用接插件等不連續(xù)連接的接插件。長(zhǎng)距離傳輸線的終端應(yīng)并聯(lián)一阻抗器件進(jìn)行阻抗匹配。
(2)關(guān)于智能建筑弱電系統(tǒng)的接地問(wèn)題,過(guò)去往往要求弱電系統(tǒng)設(shè)置單獨(dú)的接地系統(tǒng),不與其它電氣系統(tǒng)接地網(wǎng)共用。然而,近些年來(lái)一些引進(jìn)的國(guó)外建筑工程設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)國(guó)外技術(shù)的建設(shè)項(xiàng)目中,采用大建筑面積的建筑物以及建筑群日益普遍。弱電系統(tǒng)要設(shè)置單獨(dú)的接地體,實(shí)施起來(lái)常有困難。隨著現(xiàn)代建筑技術(shù)的發(fā)展,目前,建筑物基礎(chǔ)一般都采用“大底板”結(jié)構(gòu)。把所有的樁基、地面基礎(chǔ)、柱梁內(nèi)的鋼筋結(jié)構(gòu)都聯(lián)接成一體,作為接地體。其接地電阻往往非常小。弱電系統(tǒng)的接地宜考慮利用建筑物基礎(chǔ)作接地體。
按照現(xiàn)代電磁兼容技術(shù)理論,電子儀表系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的接地實(shí)質(zhì)上都是一種“等電位聯(lián)結(jié)”,用以消除外界電磁干擾和安全保護(hù)。根據(jù)這些理論研究進(jìn)展,近年來(lái),國(guó)內(nèi)外的有關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范也都有所修訂與調(diào)整。例如:我國(guó)在參考了國(guó)際電工委員會(huì)“IEC60364-4-443:1995”,“IEC60364-5-534:1997”等文件后,于2000年修訂出版的強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-94(2000年修訂版)中,就新做了以下規(guī)定:
第(3.3.4)條:--防直接雷接地宜和防雷電感應(yīng),電氣設(shè)備,信息系統(tǒng)等接地共用同一接地裝置,并宜與埋地金屬管道相連;
第(6.3.3)條:--每棟建筑物本身應(yīng)采用共用接地系統(tǒng)其原則構(gòu)成示于圖(6.3.3)(圖中把包括信息系統(tǒng)在內(nèi)的所有電氣設(shè)備的接地母線均連接在同一接地體上)。
按照上述國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,弱電系統(tǒng)的接地可與其它電氣系統(tǒng)共用接地裝置。
(3)采用有屏蔽層的傳輸電纜是減少電磁干擾的一項(xiàng)基本措施。過(guò)去有些設(shè)計(jì)規(guī)定要求:信號(hào)傳輸電纜的屏蔽層,一般應(yīng)在控制室的接地匯流排處接地,不應(yīng)浮空或重復(fù)接地。即采用單端接地方式,但這種接地方式存在缺陷。
傳輸電纜屏蔽層僅一端做接地而另一端懸浮時(shí),它只能防靜電感應(yīng),防不了因磁場(chǎng)強(qiáng)度變化所感應(yīng)的干擾電壓。為減少屏蔽層內(nèi)芯線上的感應(yīng)電壓,在有些弱電設(shè)備的技術(shù)要求屏蔽層僅一端做了接地連接的情況下,應(yīng)采用有絕緣層隔開(kāi)的雙層屏蔽電纜,其外層屏蔽層至少應(yīng)在兩端做接地連接。這樣,外屏蔽層與其它同樣做了接地連接的導(dǎo)體構(gòu)成環(huán)路,感應(yīng)出一電流,因此產(chǎn)生降低源磁場(chǎng)強(qiáng)度的磁通,從而基本上抵消掉沒(méi)有外屏蔽層時(shí)所感應(yīng)的電壓。最新修訂的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50057-2000版,第(6.3.1)條中已肯定了這種做法:“當(dāng)系統(tǒng)要求只在一端做等電位聯(lián)結(jié)時(shí),應(yīng)采用兩層屏蔽,外層屏蔽按前述要求處理。”
(4)在傳輸線路的終端裝設(shè)電涌保護(hù)器(SPD),可有效抑制瞬時(shí)電脈沖干擾。采用光電耦合隔離可消除一次元件與控制系統(tǒng)之間因地電位差產(chǎn)生的共模電壓干擾對(duì)測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)部電路的影響。
5 結(jié)束語(yǔ)
抑制電磁干擾應(yīng)從各個(gè)環(huán)節(jié)著手,采用綜合治理方法,從全系統(tǒng)的立場(chǎng)上來(lái)全面考慮電磁兼容問(wèn)題。對(duì)于從事智能建筑弱電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師來(lái)說(shuō),應(yīng)從對(duì)弱電設(shè)備的考察、選型(對(duì)電子設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造的了解、挑選)開(kāi)始,對(duì)弱電系統(tǒng)的組成配置、現(xiàn)場(chǎng)電纜管線的布置設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)安裝施工、系統(tǒng)調(diào)校時(shí)分析干擾性質(zhì)及來(lái)源等全過(guò)程都采取有效措施,才能確保整個(gè)弱電系統(tǒng)的電磁兼容性滿足要求。
評(píng)論
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