工程中電磁干擾的分類及解決方案

1　控制系統(tǒng)在工程應(yīng)用中最常見的電磁干擾的分類
因各種電磁干擾都是一種復(fù)雜多變的隨機過程,難以重復(fù),為有效地對其干擾效應(yīng)和危害進行正確的評估,不妨根據(jù)文獻[1~8]把控制系統(tǒng)在工程應(yīng)用中常見的電磁干擾按其性質(zhì)進行分類(該標(biāo)準(zhǔn)還對這些干擾的試驗?zāi)Ｐ秃驮囼灥燃壸髁讼鄳?yīng)的規(guī)定,不同的試驗等級表示不同的抗擾度)。下面分述電磁干擾的分類和其產(chǎn)生的由來。
a)電壓短時中斷或暫降。與低壓電網(wǎng)連接的控制系統(tǒng),由于供電電網(wǎng)、變電設(shè)備發(fā)生故障,或由于負(fù)荷突然發(fā)生大的變動乃至負(fù)荷連續(xù)變化,以及供電系統(tǒng)的接地故障均能引起電壓暫降、短時中斷,特別是在控制系統(tǒng)備用電源的切換過程中,必然會遇到電壓的短時中斷。
對DCS,PLC等控制系統(tǒng),在保證正常運行的前提下,其本身都應(yīng)具有允許的電壓暫降值和電壓中斷時間(如10 ms或20 ms等)?？刂乒こ痰脑O(shè)計就在于如何保證實際可能產(chǎn)生的電壓暫降值和電壓中斷時間小于控制系統(tǒng)正常運行的允許值。
b)電快速瞬變脈沖群(簡稱“群脈沖”)。群脈沖來源于切換的瞬態(tài)過程,如:感性負(fù)載的切斷;繼電器、接觸器觸點的跳動;高壓開關(guān)裝置的切換等。其頻譜范圍為1~100 MHz,甚至可高達300 MHz。
IEC 61000-4對群脈沖的試驗波形作了規(guī)定(見圖1)。其特點是上升時間快(5 ns),持續(xù)時間短(50 ns),能量低,它們可能會干擾控制系統(tǒng)的正常運行,但通常不大可能引起損壞。但具有較高的重復(fù)頻率。
群脈沖總是通過各種耦合途徑作用在控制系統(tǒng)的各端口(包括電源端口和I/O信號、數(shù)據(jù)和控制端口)。其嚴(yán)酷度可以用電壓峰值和重復(fù)頻率來表示。

c)浪涌。其主要來源是雷電(包括直擊雷、雷電反擊、雷電電磁脈沖通過靜電感應(yīng)和電磁感應(yīng)在電源端口、I/O端口和通信端口造成的電壓浪涌和電流浪涌等)以及包括電源系統(tǒng)的切換瞬變和各種系統(tǒng)故障過程中所造成的干擾。
浪涌的特點是上升沿的變化速度快(前沿時間為μs級),瞬態(tài)功率大,峰值高,所以對控制系統(tǒng)構(gòu)成的威脅最大。
d)靜電。任何物體間的接觸和分離都會有靜電產(chǎn)生。從控制系統(tǒng)的制造到使用,包括運輸、存放以及操作人員在人機界面上的接觸,都有靜電的釋放。其中人體通過服裝的摩擦、在低導(dǎo)電率地面上的行走以及在低相對濕度的環(huán)境下,成為最主要的靜電放電源頭。
靜電系由非常低的能量累積以電容模式儲存在人體或設(shè)備表面,由突發(fā)觸及使其儲能以極大的速度崩潰放電而成,其頻寬可由數(shù)百MHz到數(shù)GHz。其放電過程如圖2所示。由圖2可知,由于靜電放電波形的上升沿時間很短,最小可達1 ns左右,電流的變化率很大,其峰值電流可達數(shù)十安培,其電磁輻射場可在附近導(dǎo)線上感應(yīng)出數(shù)百伏乃至上千伏的電壓,所以對電路的影響極大,特別是對CMOS器件,因為其氧化膜的耐壓界限一般僅為100~150 V。

e)工頻磁場是最常見的干擾源。如導(dǎo)體中的工頻電流,變壓器等電力設(shè)備的漏磁通等。工頻磁場可以分以下2種情況:
正常運行條件下的電流所產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場,其幅值較小,約1~100 A/m;
故障情況下的電流,能產(chǎn)生幅值較高、但持續(xù)時間較短的磁場約300~1 000 A/m,直到保護裝置動作為止。
f)脈沖磁場是由雷擊建筑物和其他金屬構(gòu)架(包括天線桿、接地體和接地網(wǎng))以及由在低壓、中壓和高壓電力系統(tǒng)中故障的起始暫態(tài)產(chǎn)生的。在高壓變電所,脈沖磁場也可由斷路器切合高壓母線和高壓線路產(chǎn)生。對控制系統(tǒng)而言,威脅最大的是雷擊時在空間產(chǎn)生的脈沖磁場。
一般認(rèn)為,在雷擊點半徑為2 km的范圍內(nèi),因為存在有強大的脈沖磁場而視為危險區(qū)域。
g)射頻電磁場輻射來源于下列的一些情況,如:系統(tǒng)的操作、維護和檢查人員在使用移動電話或?qū)χv機;包括電臺、電視發(fā)射臺、發(fā)射機以及各種工業(yè)電磁輻射源的作用和影響。
射頻電磁場輻射可以使話音系統(tǒng)語言清晰度變壞;圖像顯示系統(tǒng)變得模糊并出現(xiàn)差錯;指針式儀表系統(tǒng)指示錯誤、抖動和亂擺;控制系統(tǒng)失控乃至誤控;模擬信號傳送波形和相位的失真以及數(shù)字信號傳送出錯等。
h)射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)干擾主要來源是在開關(guān)電源、變頻器等射頻發(fā)射設(shè)備的電磁場作用下,于控制系統(tǒng)的電源線、通信線、接口電纜等連接線路上產(chǎn)生的傳導(dǎo)干擾。其頻率范圍為9 kHz~80 MHz。
此外,還有由隔離刀閘切合高壓母線時產(chǎn)生的阻尼振蕩磁場以及由電源開關(guān)或雷擊引起的出現(xiàn)在設(shè)備端口的振鈴波等。
2　干擾的耦合途徑
從物理概念上說,電磁干擾的耦合途經(jīng)大致有以下5種。

a)導(dǎo)線直接傳導(dǎo)耦合。指電磁干擾通過信號線和交、直流電源線以及通信線等將信號源或電源里夾帶的電磁干擾信號直接傳導(dǎo)給系統(tǒng)。
b)公共阻抗耦合。指干擾源電路和受干擾電路之間存在著一個公共阻抗,干擾電流通過這個公共阻抗所產(chǎn)生的干擾電壓,傳導(dǎo)給受干擾電路。
c)電容性耦合。又稱靜電耦合或靜電感應(yīng),它是由電路間電場的相互作用而產(chǎn)生的。產(chǎn)生這種耦合的主要原因是電路間存在著分布電容。
d)電感性耦合。又稱電磁耦合或電磁感應(yīng),它是由電路間磁場的相互作用而產(chǎn)生的。產(chǎn)生這種耦合的主要原因是電路間存在著互感。
e)電磁場輻射。又稱輻射耦合或遠場輻射,它是電場和磁場相結(jié)合的耦合,并通過能量的輻射對電路產(chǎn)生干擾的。
前4種耦合統(tǒng)稱為傳導(dǎo)性耦合。其中電容性耦合和電感性耦合又稱為近場輻射。
嚴(yán)格地說,有關(guān)電磁干擾問題的求解,需要通過麥克斯韋方程組才能得到,該方程組是三個空間變量(x,y,z)和時間(t)的函數(shù)。這樣,問題就變得非常復(fù)雜,非一般工程技術(shù)人員能夠接受和理解。
為此,在工程應(yīng)用中,技術(shù)人員還是采用“電路”的理論按集中參數(shù)來近似地求解。所以通常采取如下的假設(shè):用一個連接在兩導(dǎo)體間的分布電容來表示兩導(dǎo)體間存在的一個隨時間變化的電場;用一個連接在兩導(dǎo)體間的分布互感來表示兩導(dǎo)體間互相耦合的一個隨時間變化的磁場。
3　控制工程中抗干擾的基本途徑
3.1　控制系統(tǒng)的接地和等電位連接
從功能上講,接地的作用有兩個:保護設(shè)備和人身安全,如保護地、防雷地、本安地、防靜電地等;抑制干擾,即為信號電壓或系統(tǒng)電壓提供一個穩(wěn)定的電位參考點。如工作地、屏蔽地、模擬地、數(shù)字地等。
同一個接地裝置往往具有多個接地用途。近10年來,接地系統(tǒng)在概念和技術(shù)上都發(fā)生了很大的變化,其中最重要的轉(zhuǎn)變:以前的接地系統(tǒng)是否合格以接地電阻值為準(zhǔn),而現(xiàn)在則側(cè)重于接地結(jié)構(gòu)兼顧接地電阻值;特別是控制系統(tǒng)從以往習(xí)慣的獨立接地到采用共用接地網(wǎng)實現(xiàn)等電位連接方式的轉(zhuǎn)變。
3.2　線纜的靜電屏蔽和電磁屏蔽
在工程中采用雙絞屏蔽電纜來抑制信號傳輸過程中對噪聲的電容性耦合和電感性耦合。但是在相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)里,對采用雙絞電纜其絞距的選擇沒有作出規(guī)定。表1為幾種不同雙絞線的效果比較。其中的噪聲衰減度系指平行導(dǎo)線時的干擾磁場值和采用雙絞線后的干擾磁場值之比。由表1可知,雙絞線的屏蔽效果隨每單位長度的絞合數(shù)的增加而提高。但絞距愈短,電纜的成本費用也愈高。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)并參考某些國外公司的標(biāo)準(zhǔn),采用絞距為50 mm左右的雙絞電纜
為宜。

　　對電纜屏蔽層的接地, 許多行業(yè)規(guī)范原則上是規(guī)定一端接地; 另一端懸空。但單端接地只能防靜電感應(yīng)(即電容性耦合),在雷擊時抑制不了雷電波的侵入。為此,除了內(nèi)屏蔽層的一端接地外,還應(yīng)增加有絕緣隔開的外屏蔽層,外屏蔽層應(yīng)至少在兩端做等電位接地。在雷擊時外屏蔽層與地構(gòu)成了環(huán)路,感應(yīng)出一電流,該電流產(chǎn)生的磁通抵消或部分抵消雷擊時的源磁場的磁通,從而抑制或部分抑制無外屏蔽層時所感應(yīng)的電壓。
通常,可利用金屬走線槽或穿金屬管作為外屏蔽層,但必須保證槽與槽之間或金屬管與金屬管之間的連接良好且兩端接地(管線較長時, 宜每隔30 m設(shè)一個接地點)。
實踐證明,如果將外屏蔽層直接埋地(或采用金屬網(wǎng)格屏蔽的鋼筋混凝土電纜溝),特別在進控制室前的一段距離L內(nèi),它會受到很好的防雷效果。L應(yīng)符合下式的要求,但不應(yīng)小于15 m。

控制室的屏蔽方式大體有建筑物的自身屏蔽、金屬網(wǎng)格屏蔽以及用金屬板材圍成的殼體屏蔽等幾種。殼體屏蔽效果好,但投資也大,適用于實驗室裝置。建筑物自身對屏蔽有一定的功能,但效果不甚理想。而網(wǎng)格屏蔽可以通過網(wǎng)格寬度的選擇來滿足控制系統(tǒng)的需要,最為實用。
網(wǎng)格的大小可以根據(jù)控制系統(tǒng)的脈沖磁場抗擾度的大小計算而得。但有一個問題往往被忽視,即一旦采用網(wǎng)格屏蔽后,控制系統(tǒng)的機柜應(yīng)該和網(wǎng)
格的側(cè)壁保持一定的安全距離。安全距離的大小和網(wǎng)格的大小有關(guān),可以通過計算求取。
3.4　控制系統(tǒng)的浪涌防護
產(chǎn)生浪涌的主要原因是開關(guān)的離合和雷電電磁脈沖,其中以雷電電磁脈沖的威脅為最。在進行控制系統(tǒng)防雷設(shè)計時,應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)的特點,將外部防雷措施和內(nèi)部防雷措施協(xié)調(diào)統(tǒng)一,按工程整體要求,進行全面規(guī)劃,做到安全可靠、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理。具體地說,控制系統(tǒng)的雷電防護需要在接地、等電位連接、屏蔽以及合理布線等多方面進行考慮。
在工程上,對于改造項目,由于接地系統(tǒng)、線纜的選型和敷設(shè)等這些防護措施都難以改變,采用浪涌保護器(SPD)便成了雷電防護的主要方法。
對于新建的工程,SPD的設(shè)置應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)的防護等級、被保護端口(參數(shù))的重要性以及電纜在室外的敷設(shè)長度等因素去確定。不能按“萬無一失”的要求去設(shè)計,必須考慮“經(jīng)濟合理”。
3.5　控制系統(tǒng)的靜電防護
據(jù)資料介紹,電子器件硬件的損傷有15%源自靜電。而在這15%中,又有90%源自靜電造成的潛在性失效。這種失效事先難以檢測,只能任其在元器件的生命周期內(nèi)發(fā)生和積累,大大降低了元器件、部件或整機的可靠性。其危害性較那種突發(fā)性的失效更大。所以,無論在電磁兼容性(EMC)的研究領(lǐng)域內(nèi),或者在電過應(yīng)力(EOS)的課題范圍內(nèi),靜電防護技術(shù)都占有重要的一席。
控制系統(tǒng)的靜電防護除了在系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計階段應(yīng)予重要的考慮外,在工程應(yīng)用中主要應(yīng)注意如下兩點。
a)保持控制室內(nèi)的相對濕度在40%~60%之間。北方地區(qū)或在干燥的冬季,因靜電產(chǎn)生的故障事例要遠大于東南沿海地區(qū)或其他季節(jié)。有資料認(rèn)為,如將相對濕度控制在65%左右,由于物體表面有層薄薄的水膜,靜電荷可以通過水膜層緩慢釋放,從而就形成不了靜電危害源。
b)如果物體已經(jīng)攜帶電荷,那么物體的放電應(yīng)該緩慢進行,以限制放電電流的變化速度。因為人體是最主要的靜電放電源頭。任何帶電物體都很容易將自己所攜帶的電荷轉(zhuǎn)移到導(dǎo)電的人體皮膚層上。而后人又通過人機界面將靜電釋放到控制系統(tǒng)中,所以凡是和人接觸的物體,包括地面、工作臺椅等的材質(zhì)都應(yīng)考慮其表面電阻率大小的選擇。
表面電阻率小于104Ω/m2的靜電導(dǎo)體材料耗散電荷的速度最快,使用接地方式很容易將其表面所攜帶的電荷釋放掉。但因迅速放電使放電電流峰值很大,一旦放電通道靠近已帶電的控制系統(tǒng),可能會產(chǎn)生某種損壞。所以這種材料不宜作為防靜電材料。
靜電絕緣材料的表面電阻率大于1011Ω/m2,不能耗散電荷,在靜電敏感環(huán)境中嚴(yán)禁使用。與靜電導(dǎo)體相比,靜電耗散材料的耗散電荷的速度很慢,很安全。接地的靜電耗散材料也可用于防止靜電積累,一旦物體帶電,也可以安全地釋放這些電荷。
一般認(rèn)為,防靜電材質(zhì)的表面電阻率不宜超過1011Ω/m2。對工程上其他的一些抗干擾的措施,限于篇幅,不再詳述。
4　結(jié)束語
近幾年筆者通過控制工程中抗干擾技術(shù)的調(diào)查研究,頗有體會。
a)世界上的許多事件,其深層次的基本單元和基本規(guī)律并不復(fù)雜?？刂葡到y(tǒng)在工程中實際遇到的大多數(shù)的電磁干擾問題往往源于那些基本的干擾源和基本的耦合途徑。任何的干擾現(xiàn)象都可以用一些基本的物理概念來解釋,這就是所謂“天道崇簡”。
b)經(jīng)驗告訴大家,在工程設(shè)計階段考慮干擾的抑制問題,采用的技術(shù)方法多而且又非常直接簡單,費用也低廉。如果待到投運過程中發(fā)現(xiàn)了問題再去解決,那就要花更高的代價和精力,有時甚至可能會無法徹底解決。