工程中电磁干扰的分类及解决方案

1　控制系统在工程应用中最常见的电磁干扰的分类
因各种电磁干扰都是一种复杂多变的随机过程,难以重复,为有效地对其干扰效应和危害进行正确的评估,不妨根据文献[1~8]把控制系统在工程应用中常见的电磁干扰按其性质进行分类(该标准还对这些干扰的试验模型和试验等级作了相应的规定,不同的试验等级表示不同的抗扰度)。下面分述电磁干扰的分类和其产生的由来。
a)电压短时中断或暂降。与低压电网连接的控制系统,由于供电电网、变电设备发生故障,或由于负荷突然发生大的变动乃至负荷连续变化,以及供电系统的接地故障均能引起电压暂降、短时中断,特别是在控制系统备用电源的切换过程中,必然会遇到电压的短时中断。
对DCS,PLC等控制系统,在保证正常运行的前提下,其本身都应具有允许的电压暂降值和电压中断时间(如10 ms或20 ms等)。控制工程的设计就在于如何保证实际可能产生的电压暂降值和电压中断时间小于控制系统正常运行的允许值。
b)电快速瞬变脉冲群(简称“群脉冲”)。群脉冲来源于切换的瞬态过程,如:感性负载的切断;继电器、接触器触点的跳动;高压开关装置的切换等。其频谱范围为1~100 MHz,甚至可高达300 MHz。
IEC 61000-4对群脉冲的试验波形作了规定(见图1)。其特点是上升时间快(5 ns),持续时间短(50 ns),能量低,它们可能会干扰控制系统的正常运行,但通常不大可能引起损坏。但具有较高的重复频率。
群脉冲总是通过各种耦合途径作用在控制系统的各端口(包括电源端口和I/O信号、数据和控制端口)。其严酷度可以用电压峰值和重复频率来表示。

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c)浪涌。其主要来源是雷电(包括直击雷、雷电反击、雷电电磁脉冲通过静电感应和电磁感应在电源端口、I/O端口和通信端口造成的电压浪涌和电流浪涌等)以及包括电源系统的切换瞬变和各种系统故障过程中所造成的干扰。
浪涌的特点是上升沿的变化速度快(前沿时间为μs级),瞬态功率大,峰值高,所以对控制系统构成的威胁最大。
d)静电。任何物体间的接触和分离都会有静电产生。从控制系统的制造到使用,包括运输、存放以及操作人员在人机界面上的接触,都有静电的释放。其中人体通过服装的摩擦、在低导电率地面上的行走以及在低相对湿度的环境下,成为最主要的静电放电源头。
静电系由非常低的能量累积以电容模式储存在人体或设备表面,由突发触及使其储能以极大的速度崩溃放电而成,其频宽可由数百MHz到数GHz。其放电过程如图2所示。由图2可知,由于静电放电波形的上升沿时间很短,最小可达1 ns左右,电流的变化率很大,其峰值电流可达数十安培,其电磁辐射场可在附近导线上感应出数百伏乃至上千伏的电压,所以对电路的影响极大,特别是对CMOS器件,因为其氧化膜的耐压界限一般仅为100~150 V。

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e)工频磁场是最常见的干扰源。如导体中的工频电流,变压器等电力设备的漏磁通等。工频磁场可以分以下2种情况:
正常运行条件下的电流所产生稳定的磁场,其幅值较小,约1~100 A/m;
故障情况下的电流,能产生幅值较高、但持续时间较短的磁场约300~1 000 A/m,直到保护装置动作为止。
f)脉冲磁场是由雷击建筑物和其他金属构架(包括天线杆、接地体和接地网)以及由在低压、中压和高压电力系统中故障的起始暂态产生的。在高压变电所,脉冲磁场也可由断路器切合高压母线和高压线路产生。对控制系统而言,威胁最大的是雷击时在空间产生的脉冲磁场。
一般认为,在雷击点半径为2 km的范围内,因为存在有强大的脉冲磁场而视为危险区域。
g)射频电磁场辐射来源于下列的一些情况,如:系统的操作、维护和检查人员在使用移动电话或对讲机;包括电台、电视发射台、发射机以及各种工业电磁辐射源的作用和影响。
射频电磁场辐射可以使话音系统语言清晰度变坏;图像显示系统变得模糊并出现差错;指针式仪表系统指示错误、抖动和乱摆;控制系统失控乃至误控;模拟信号传送波形和相位的失真以及数字信号传送出错等。
h)射频场感应的传导干扰主要来源是在开关电源、变频器等射频发射设备的电磁场作用下,于控制系统的电源线、通信线、接口电缆等连接线路上产生的传导干扰。其频率范围为9 kHz~80 MHz。
此外,还有由隔离刀闸切合高压母线时产生的阻尼振荡磁场以及由电源开关或雷击引起的出现在设备端口的振铃波等。
2　干扰的耦合途径
从物理概念上说,电磁干扰的耦合途经大致有以下5种。

a)导线直接传导耦合。指电磁干扰通过信号线和交、直流电源线以及通信线等将信号源或电源里夹带的电磁干扰信号直接传导给系统。
b)公共阻抗耦合。指干扰源电路和受干扰电路之间存在着一个公共阻抗,干扰电流通过这个公共阻抗所产生的干扰电压,传导给受干扰电路。
c)电容性耦合。又称静电耦合或静电感应,它是由电路间电场的相互作用而产生的。产生这种耦合的主要原因是电路间存在着分布电容。
d)电感性耦合。又称电磁耦合或电磁感应,它是由电路间磁场的相互作用而产生的。产生这种耦合的主要原因是电路间存在着互感。
e)电磁场辐射。又称辐射耦合或远场辐射,它是电场和磁场相结合的耦合,并通过能量的辐射对电路产生干扰的。
前4种耦合统称为传导性耦合。其中电容性耦合和电感性耦合又称为近场辐射。
严格地说,有关电磁干扰问题的求解,需要通过麦克斯韦方程组才能得到,该方程组是三个空间变量(x,y,z)和时间(t)的函数。这样,问题就变得非常复杂,非一般工程技术人员能够接受和理解。
为此,在工程应用中,技术人员还是采用“电路”的理论按集中参数来近似地求解。所以通常采取如下的假设:用一个连接在两导体间的分布电容来表示两导体间存在的一个随时间变化的电场;用一个连接在两导体间的分布互感来表示两导体间互相耦合的一个随时间变化的磁场。
3　控制工程中抗干扰的基本途径
3.1　控制系统的接地和等电位连接
从功能上讲,接地的作用有两个:保护设备和人身安全,如保护地、防雷地、本安地、防静电地等;抑制干扰,即为信号电压或系统电压提供一个稳定的电位参考点。如工作地、屏蔽地、模拟地、数字地等。
同一个接地装置往往具有多个接地用途。近10年来,接地系统在概念和技术上都发生了很大的变化,其中最重要的转变:以前的接地系统是否合格以接地电阻值为准,而现在则侧重于接地结构兼顾接地电阻值;特别是控制系统从以往习惯的独立接地到采用共用接地网实现等电位连接方式的转变。
3.2　线缆的静电屏蔽和电磁屏蔽
在工程中采用双绞屏蔽电缆来抑制信号传输过程中对噪声的电容性耦合和电感性耦合。但是在相应的国家标准和行业标准里,对采用双绞电缆其绞距的选择没有作出规定。表1为几种不同双绞线的效果比较。其中的噪声衰减度系指平行导线时的干扰磁场值和采用双绞线后的干扰磁场值之比。由表1可知,双绞线的屏蔽效果随每单位长度的绞合数的增加而提高。但绞距愈短,电缆的成本费用也愈高。根据表1的数据并参考某些国外公司的标准,采用绞距为50 mm左右的双绞电缆
为宜。

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对电缆屏蔽层的接地, 许多行业规范原则上是规定一端接地; 另一端悬空。但单端接地只能防静电感应(即电容性耦合),在雷击时抑制不了雷电波的侵入。为此,除了内屏蔽层的一端接地外,还应增加有绝缘隔开的外屏蔽层,外屏蔽层应至少在两端做等电位接地。在雷击时外屏蔽层与地构成了环路,感应出一电流,该电流产生的磁通抵消或部分抵消雷击时的源磁场的磁通,从而抑制或部分抑制无外屏蔽层时所感应的电压。
通常,可利用金属走线槽或穿金属管作为外屏蔽层,但必须保证槽与槽之间或金属管与金属管之间的连接良好且两端接地(管线较长时, 宜每隔30 m设一个接地点)。
实践证明,如果将外屏蔽层直接埋地(或采用金属网格屏蔽的钢筋混凝土电缆沟),特别在进控制室前的一段距离L内,它会受到很好的防雷效果。L应符合下式的要求,但不应小于15 m。

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控制室的屏蔽方式大体有建筑物的自身屏蔽、金属网格屏蔽以及用金属板材围成的壳体屏蔽等几种。壳体屏蔽效果好,但投资也大,适用于实验室装置。建筑物自身对屏蔽有一定的功能,但效果不甚理想。而网格屏蔽可以通过网格宽度的选择来满足控制系统的需要,最为实用。
网格的大小可以根据控制系统的脉冲磁场抗扰度的大小计算而得。但有一个问题往往被忽视,即一旦采用网格屏蔽后,控制系统的机柜应该和网
格的侧壁保持一定的安全距离。安全距离的大小和网格的大小有关,可以通过计算求取。
3.4　控制系统的浪涌防护
产生浪涌的主要原因是开关的离合和雷电电磁脉冲,其中以雷电电磁脉冲的威胁为最。在进行控制系统防雷设计时,应根据控制系统的特点,将外部防雷措施和内部防雷措施协调统一,按工程整体要求,进行全面规划,做到安全可靠、技术先进、经济合理。具体地说,控制系统的雷电防护需要在接地、等电位连接、屏蔽以及合理布线等多方面进行考虑。
在工程上,对于改造项目,由于接地系统、线缆的选型和敷设等这些防护措施都难以改变,采用浪涌保护器(SPD)便成了雷电防护的主要方法。
对于新建的工程,SPD的设置应根据控制系统的防护等级、被保护端口(参数)的重要性以及电缆在室外的敷设长度等因素去确定。不能按“万无一失”的要求去设计,必须考虑“经济合理”。
3.5　控制系统的静电防护
据资料介绍,电子器件硬件的损伤有15%源自静电。而在这15%中,又有90%源自静电造成的潜在性失效。这种失效事先难以检测,只能任其在元器件的生命周期内发生和积累,大大降低了元器件、部件或整机的可靠性。其危害性较那种突发性的失效更大。所以,无论在电磁兼容性(EMC)的研究领域内,或者在电过应力(EOS)的课题范围内,静电防护技术都占有重要的一席。
控制系统的静电防护除了在系统的开发设计阶段应予重要的考虑外,在工程应用中主要应注意如下两点。
a)保持控制室内的相对湿度在40%~60%之间。北方地区或在干燥的冬季,因静电产生的故障事例要远大于东南沿海地区或其他季节。有资料认为,如将相对湿度控制在65%左右,由于物体表面有层薄薄的水膜,静电荷可以通过水膜层缓慢释放,从而就形成不了静电危害源。
b)如果物体已经携带电荷,那么物体的放电应该缓慢进行,以限制放电电流的变化速度。因为人体是最主要的静电放电源头。任何带电物体都很容易将自己所携带的电荷转移到导电的人体皮肤层上。而后人又通过人机界面将静电释放到控制系统中,所以凡是和人接触的物体,包括地面、工作台椅等的材质都应考虑其表面电阻率大小的选择。
表面电阻率小于104Ω/m2的静电导体材料耗散电荷的速度最快,使用接地方式很容易将其表面所携带的电荷释放掉。但因迅速放电使放电电流峰值很大,一旦放电通道靠近已带电的控制系统,可能会产生某种损坏。所以这种材料不宜作为防静电材料。
静电绝缘材料的表面电阻率大于1011Ω/m2,不能耗散电荷,在静电敏感环境中严禁使用。与静电导体相比,静电耗散材料的耗散电荷的速度很慢,很安全。接地的静电耗散材料也可用于防止静电积累,一旦物体带电,也可以安全地释放这些电荷。
一般认为,防静电材质的表面电阻率不宜超过1011Ω/m2。对工程上其他的一些抗干扰的措施,限于篇幅,不再详述。
4　结束语
近几年笔者通过控制工程中抗干扰技术的调查研究,颇有体会。
a)世界上的许多事件,其深层次的基本单元和基本规律并不复杂。控制系统在工程中实际遇到的大多数的电磁干扰问题往往源于那些基本的干扰源和基本的耦合途径。任何的干扰现象都可以用一些基本的物理概念来解释,这就是所谓“天道崇简”。
b)经验告诉大家,在工程设计阶段考虑干扰的抑制问题,采用的技术方法多而且又非常直接简单,费用也低廉。如果待到投运过程中发现了问题再去解决,那就要花更高的代价和精力,有时甚至可能会无法彻底解决。