弱電設(shè)備中隱藏的電磁兼容問題探討

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)用于各個行業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和人門的日常生活中。尤其是微電子技術(shù)和數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使人類進(jìn)入了信息技術(shù)時代。“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)和生活帶來了不容忽視的影響，甚至造成嚴(yán)重問題。這個矛盾日益凸現(xiàn)，并屢見不鮮。

例如：電力設(shè)備的電位異常與諧波干擾，電動工具的電火花，都會影響通信系統(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)上使用時會干擾飛機(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)備受移動通信裝置無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)境和檢測控制對象往往是高電壓大電流的，這些電子儀表設(shè)備常常會受到電磁幅射、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)的誤動作或死機(jī)故障。

凡此種種都是常見的在同一電磁環(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）是一門新興的綜合性學(xué)科。它的主要研究內(nèi)容是電磁干擾和抗干擾問題。還涉及到抗雷電、靜電、太陽電磁場等自然干擾源、核電磁脈沖、無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)部門和軍事部門。在工業(yè)環(huán)境中，主要致力于對電磁干擾源，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。

電磁噪聲是不帶任何信息的雜散電磁場。常見的有由大氣中的雷電、太陽磁爆、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)備的工作信號都是數(shù)字脈沖信號，由頻譜分析理論可知：脈沖信號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，就會對外發(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對外發(fā)射電磁干擾。

無線電通信、廣播電視、雷達(dá)等系統(tǒng)發(fā)射出的電磁波信號，相對于外系統(tǒng)而言是一種無用信號，對其它電子設(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，就會通過公共阻抗產(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，在高頻時其阻抗不容忽視。高頻干擾電流會在公共阻抗上產(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，就會產(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)注意防止這類干擾。

空間輻射干擾多是通過高頻電磁場傳播的，儀表設(shè)備內(nèi)部的電路之間和設(shè)備系統(tǒng)之間相互間都會產(chǎn)生這類干擾。

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題。世界上一些發(fā)達(dá)國家，如美國、歐洲共同體國家、日本等，在２０世紀(jì)６０年代就開始重視與發(fā)展這門學(xué)科，目前已形成了一整套完整的電磁兼容體系。這些國家已制定了完整的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，設(shè)立了能有效地對軍用和民用產(chǎn)品進(jìn)行電磁兼容檢測和管理的機(jī)構(gòu)，配備有高精度的電磁兼容測試系統(tǒng)設(shè)備。還研制了很多關(guān)于電磁兼容預(yù)測、分析和設(shè)計(jì)的程序軟件。不斷推出用于電磁兼容對策技術(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)入市場和檢測驗(yàn)證的全過程得到控制，最終實(shí)現(xiàn)全面的電磁兼容。

電磁兼容問題幾乎在各個工作領(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)就勢在必行。世界上工業(yè)發(fā)達(dá)的國家都設(shè)有電磁兼容（ＥＭＣ）標(biāo)準(zhǔn)制定工作的專業(yè)委員會，并逐步走向國際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。目前，國際上具有權(quán)威性的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)有：國際電工委員會的ＣＩＳＰＲ標(biāo)準(zhǔn)和ＩＥＣ標(biāo)準(zhǔn)；歐洲共同體的ＥＮ標(biāo)準(zhǔn)；德國的ＶＤＥ標(biāo)準(zhǔn)；美國的ＦＣＣ標(biāo)準(zhǔn)和軍用標(biāo)準(zhǔn)ＭＩＬ－ＳＴＤ。

我國過去經(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，與國外的差距很大。我國對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“全國無線電干擾標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會”，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)爭震驚了國人，交戰(zhàn)中一方施放的電磁干擾竟能使對方的防空指揮系統(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，這給我國的民用電子產(chǎn)品的出口造成了很大壓力。在此背景下，目前國內(nèi)生產(chǎn)的個人電腦ＰＣ機(jī)出廠時，都已標(biāo)注了抗干擾電磁兼容的等級標(biāo)志。

今年我國已加入ＷＴＯ而根據(jù)ＷＴＯ／ＴＢＴ協(xié)議（貿(mào)易技術(shù)壁壘協(xié)議）如果我國自身沒有對產(chǎn)品進(jìn)行電磁兼容認(rèn)證的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及要求則國外的不符合電磁兼容要求的“拉圾”產(chǎn)品就會大舉入侵我國。令人遺憾的現(xiàn)象是：目前國內(nèi)市場上銷售的各類進(jìn)口電子儀表系統(tǒng)及產(chǎn)品幾乎都沒有標(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)容沒有引起人們足夠重視。建設(shè)和完善我國自己的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)體系已是刻不容緩的事情。

經(jīng)過廣大科技工作者和政府主管部門的努力，近年來我國也已陸續(xù)制定了約７０多種電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)。例如：國標(biāo)ＧＢ／Ｔ１７６１８－１９９８《信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限值和測量方法》和國標(biāo)ＧＢ４３４３．２－１９９９《電磁兼容家用電器電動工具和類似器具的要求：抗擾度》等等。

這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各種類型的電氣電子設(shè)備在各個頻段的電磁干擾發(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)場地。２０００年我國成立了“中國電磁兼容認(rèn)證委員會”，并建立了認(rèn)證機(jī)構(gòu)--中國電磁兼容認(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)化目錄和檢測項(xiàng)目，涉及到１０個產(chǎn)品類別的約８０多種產(chǎn)品。國家出入境檢驗(yàn)檢疫局也對六種進(jìn)口電子產(chǎn)品實(shí)施電磁兼容強(qiáng)制性檢驗(yàn)。我國的電磁兼容認(rèn)證工作正在逐步地全面開展并開始與國際接軌。

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、信號傳輸線路等幾個方面來考慮抗干擾措施。

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C(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）；近年來迅速涌現(xiàn)的“電磁干擾對策元件”系列（ＥＭＩ）已獲得普遍應(yīng)用。如：電感類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，對于判斷及選擇優(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)的動力源電源的穩(wěn)定可靠與否對弱電系統(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是來自電源部分。對電源的干擾來源主要有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這對降低高能量的瞬時脈沖干擾十分有效。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，同時還能減小電子設(shè)備通過電源對電網(wǎng)中其它設(shè)備的干擾。

４．３ 傳輸信號線路的抗干擾措施

這個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)揮主動性的領(lǐng)域，在做綜合布線系統(tǒng)以及大面積區(qū)域或長距離的計(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)時尤其應(yīng)認(rèn)真考慮這些問題。

（１）從現(xiàn)場測控器件至總控制室之間的長距離傳輸信號線宜采用雙絞線，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，最好采用不同節(jié)距的雙絞線；當(dāng)兩對雙絞線長距離平行敷設(shè)時，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)的接地問題，過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，近些年來一些引進(jìn)的國外建筑工程設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)國外技術(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，國內(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：我國在參考了國際電工委員會“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。過去有些設(shè)計(jì)規(guī)定要求：信號傳輸電纜的屏蔽層，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，它只能防靜電感應(yīng)，防不了因磁場強(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)生降低源磁場強(qiáng)度的磁通，從而基本上抵消掉沒有外屏蔽層時所感應(yīng)的電壓。最新修訂的國家標(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，應(yīng)采用兩層屏蔽，外層屏蔽按前述要求處理?！?/p>

（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測控系統(tǒng)內(nèi)部電路的影響。

５ 結(jié)束語

抑制電磁干擾應(yīng)從各個環(huán)節(jié)著手，采用綜合治理方法，從全系統(tǒng)的立場上來全面考慮電磁兼容問題。對于從事智能建筑弱電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工程師來說，應(yīng)從對弱電設(shè)備的考察、選型（對電子設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造的了解、挑選）開始，對弱電系統(tǒng)的組成配置、現(xiàn)場電纜管線的布置設(shè)計(jì)、現(xiàn)場安裝施工、系統(tǒng)調(diào)校時分析干擾性質(zhì)及來源等全過程都采取有效措施，才能確保整個弱電系統(tǒng)的電磁兼容性滿足要求。