電機(jī)試驗(yàn)站抗電磁干擾設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)述

湘潭電機(jī)股份有限公司特電事業(yè)部 嚴(yán)向鋒

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)用日益普及，裝機(jī)容量逐步增大，電機(jī)的使用量日益增多。作為電機(jī)研制和試驗(yàn)的基地——電機(jī)試驗(yàn)站的作用也越來越重要。而作為一個(gè)電機(jī)試驗(yàn)站性能優(yōu)劣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)之一——抗電磁干擾的能力（電磁兼容）也日顯重要。

電磁干擾不僅影響和擾亂試驗(yàn)站設(shè)備的正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至可以造成電氣設(shè)備的永久性損害和重大安全事故。因此，對(duì)試驗(yàn)站抗電磁干擾能力要給予充分的重視。既要注意試驗(yàn)站設(shè)備不受周圍電磁干擾的影響，又要注意這些設(shè)備本身不對(duì)周圍其它產(chǎn)品產(chǎn)生電磁干擾，影響其它產(chǎn)品的正常工作。

1. 抗電磁干擾的設(shè)計(jì)思路

為提高電機(jī)試驗(yàn)站的抗電磁干擾能力，必須從開始設(shè)計(jì)時(shí)就給予抗電磁干擾能力足夠多的重視。抗電磁干擾的設(shè)計(jì)思路可以從電磁干擾的三要素，即電磁干擾源、電磁干擾傳播途徑及易被干擾對(duì)象入手。也就是

1）要充分分析試驗(yàn)站設(shè)備中可能存在的電磁干擾源及其性質(zhì)，盡量消除或降低電磁干擾源的參數(shù)。

2）要充分了解電磁干擾傳播途徑，盡量切斷其通路，或設(shè)法降低電磁干擾耦合的能力。

3）要充分認(rèn)識(shí)易被干擾對(duì)象，盡可能的減少其接收電磁干擾的機(jī)會(huì)。

據(jù)此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)對(duì)策，消除或部分消除可能出現(xiàn)的電磁干擾，以減輕實(shí)際工作中的抗干擾壓力。在試驗(yàn)站的建造和調(diào)試過程中，還可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)展現(xiàn)出的具體現(xiàn)象，以及易被干擾對(duì)象的表現(xiàn)進(jìn)行分析，以確定電磁干擾源所在及電磁干擾傳播的途徑，再采取相應(yīng)的解決辦法。

2.抗電磁干擾設(shè)計(jì)的常用方法

2.1 對(duì)電磁干擾源的設(shè)計(jì)方法

電磁干擾源的種類相當(dāng)繁多，有自然的電磁干擾源，人為的電磁干擾源等等?？梢哉f電磁干擾源無處不在，下面僅討論與我們相關(guān)的主要電磁干擾源。

2.1.1 供電電源

供電電源，常由于負(fù)載的通斷過渡過程、半導(dǎo)體元器件的非線性，脈沖設(shè)備及雷電的耦合等因素，而成為電磁干擾源。

供電電源電磁兼容的設(shè)計(jì)方法為

1）采用交流電源濾波器

由于交流電源濾波器是低通濾波器，不妨礙工頻電能的通過，而對(duì)高頻電磁干擾呈高阻態(tài)，有較強(qiáng)的抑制能力。使用交流電源濾波器時(shí)，應(yīng)根據(jù)其兩端阻抗和要求的插入衰減系數(shù)選擇濾波器的型式。要注意其承受電壓和導(dǎo)通電流的能力，屏蔽與機(jī)殼要電氣接觸良好，地線要盡量短、截面足夠大，進(jìn)出線要遠(yuǎn)離，而且濾波器應(yīng)盡量靠近供電電源。但從制作成本和安裝體積考慮，濾波器不可能無限做大，因此安裝交流濾波器的方法比較合適于功率容量不大于1000KVA的交流供電電源。

2）交流電源變壓器加靜電屏蔽

由于電源變壓器初、次級(jí)間存在分布電容，進(jìn)入電源變壓器初級(jí)的高頻干擾能通過分布電容耦合到電源變壓器的次級(jí)。在電源變壓器初、次級(jí)間增加靜電屏蔽后，該屏蔽與繞組間形成新的分布電容。將屏蔽接地，可以將高頻干擾通過這一新的分布電容引入地，從而起到抗電磁干擾的作用。此種方法適合大多數(shù)的交流電源變壓器，應(yīng)注意靜電屏蔽應(yīng)選擇導(dǎo)電性好的材料制作，且首尾端不可閉合，以免造成短路。

3）脈沖電壓的吸收

對(duì)脈沖電壓的電磁干擾可以采用脈沖電壓吸收器件來吸收。當(dāng)脈沖電壓吸收器件承受一個(gè)高能量的瞬態(tài)過電壓脈沖時(shí)，其工作阻抗能立即降到很低，允許通過很大的電流，吸收很大的功率，從而將電壓箝制在允許的水平內(nèi)。壓敏電阻或固體放電管可應(yīng)用于直流或交流電路。單向瞬態(tài)電壓抑制二極管應(yīng)用于直流電路，而雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管應(yīng)用于交流電路。使用脈沖電壓的吸收器件時(shí)，應(yīng)選擇其額定電壓略高于設(shè)備的最大工作電壓，以保證無脈沖電壓時(shí)，吸收器件的功耗最少；當(dāng)有脈沖電壓時(shí)，其箝位的電壓應(yīng)低于設(shè)備的最高絕緣電壓，以保證設(shè)備的安全；其通流能力應(yīng)大于脈沖電壓所產(chǎn)生的電流。試驗(yàn)站脈沖電壓一般多為機(jī)械和電子開關(guān)（含可控整流/逆變裝置）分合時(shí)產(chǎn)生的過電壓，因此這些方法多用于各種交直流電氣柜。

4）直流電源的電磁兼容措施

直流電源普遍采用兩種方式提供，一種是直流機(jī)組電源，另一種是整流電源。而直流機(jī)組電源現(xiàn)在比較常見的勵(lì)磁方式也是采用整流電源供電，直流機(jī)組只不過是將整流電源的電磁干擾進(jìn)行了放大。因此對(duì)整流電路進(jìn)行高頻濾波，即在功率元器件上并聯(lián)小電容進(jìn)一步濾掉從變壓器進(jìn)入的高頻干擾，可以減少整流電源對(duì)外的電磁干擾。同時(shí)在所有的直流輸出端進(jìn)行直流退耦，即在直流電源和地之間并聯(lián)2個(gè)電容，大電容濾掉低頻干擾，小電容濾掉高頻干擾，以便更進(jìn)一步減少對(duì)外的電磁干擾。

2.1.2 電磁輻射

電磁輻射包括試驗(yàn)站設(shè)備內(nèi)部和外部?jī)煞N電磁輻射源。電氣設(shè)備中主要的電磁輻射源是大電流、高電壓的強(qiáng)功率電路和器件，電壓或電流快速變化的電路和器件以及高頻電路和器件。

對(duì)電磁輻射的電磁兼容設(shè)計(jì)是，采用電磁屏蔽的方法，即用屏蔽材料將電磁輻射源封閉起來，使其外部電磁場(chǎng)強(qiáng)度低于允許值。電磁屏蔽的技術(shù)原理主要有兩種：一是反射，二是吸收。電磁場(chǎng)屏蔽一般采用電導(dǎo)率高的材料作屏蔽體，并將屏蔽體接地。它是利用屏蔽體在高頻磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)抵消而削弱高頻磁場(chǎng)的干擾，又因屏蔽體接地而實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)屏蔽。屏蔽體的厚度不必過大，而以趨膚深度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度為主要考慮因素。應(yīng)當(dāng)特別注意電磁屏蔽的完整性，特別是電磁場(chǎng)屏蔽，因?yàn)樗抢闷帘误w在高頻磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)抵消而削弱高頻磁場(chǎng)干擾的。如果屏蔽體不完整，則渦流的效果降低，導(dǎo)致電磁場(chǎng)泄漏，屏蔽的效果將大打折扣。

2.2 對(duì)電磁干擾傳播途徑的設(shè)計(jì)方法

通過電機(jī)試驗(yàn)站現(xiàn)場(chǎng)的觀察與測(cè)量，以及電磁干擾傳播的可能途徑的研究和分析，在電機(jī)試驗(yàn)站場(chǎng)地存在以下四種干擾耦合方式，即電路性耦合、電容性耦合、電感性耦合、輻射性耦合。

2.2.1 電路性耦合

當(dāng)兩個(gè)試驗(yàn)線路存在公共阻抗時(shí)，一條線路的電參數(shù)通過公共阻抗對(duì)另一條線路的電參數(shù)產(chǎn)生了影響。而這種影響造成誤動(dòng)作時(shí)，即為通過電路性耦合的途徑產(chǎn)生了電磁干擾。公共阻抗主要有共回路導(dǎo)線、共地阻抗和共電源內(nèi)阻三類。

解決電路性耦合電磁干擾設(shè)計(jì)方法有：

1）對(duì)共電源內(nèi)阻產(chǎn)生的電磁干擾，可以用不同的電源分別供電的方法，以去除共電源內(nèi)阻產(chǎn)生的電路性耦合。

2）對(duì)共回路導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁干擾，可以用對(duì)導(dǎo)線阻抗加以限制或去耦的方法，以減低共回路導(dǎo)線產(chǎn)生的電路性耦合。常用方法有增大共回路導(dǎo)線的截面、減小共回路導(dǎo)線的長(zhǎng)度、減小來回線之間的距離和降低接觸電阻；或者干脆去掉共回路導(dǎo)線，而將不同的回路僅在一點(diǎn)連接。

3）對(duì)共地阻抗產(chǎn)生的電磁干擾，可以用降低共地阻抗的方法以去除共地阻抗產(chǎn)生的電路性耦合。正確良好的接地既可以起到很好的人身設(shè)備保護(hù)作用，又可以將一部分高頻電磁干擾引走。但是，不正確的接地方式反而會(huì)增加干擾，比如共地線干擾，地環(huán)路干擾等等。

對(duì)接地電阻的要求是越小越好。因?yàn)楫?dāng)有電流流過接地電阻時(shí)，其上產(chǎn)生的電壓，將產(chǎn)生共地阻抗的電磁干擾。另外，該電壓不僅使設(shè)備受到反擊過電壓的影響，而且使操作人員受到電擊傷害的威脅。因此，一般要求接地電阻小于4Ω。接地電阻由接地線電阻、接觸電阻和地電阻組成。為此降低接地電阻的方法有以下三種：一是降低接地線電阻，因此要用總截面大和長(zhǎng)度小的多股細(xì)導(dǎo)線做為接地線。二是降低接觸電阻，因此要將接地線通過高導(dǎo)電率的接地螺栓與接地極緊密而又牢靠地連接在一起，并要設(shè)法增加接地極與土壤之間的面積與接觸的緊密度。三是降低地電阻，因此要設(shè)法增大接地極的有效接觸表面積和增加土壤的電導(dǎo)率（如在土壤中注入工業(yè)鹽水）。

2.2.2 電容性耦合

任何兩條導(dǎo)體之間都存在著電容。電容值與介質(zhì)的介電常數(shù)和兩個(gè)導(dǎo)體的有效面積成正比、與兩個(gè)導(dǎo)體之間的距離成反比。

解決電容性耦合電磁干擾設(shè)計(jì)方法有：

1）盡可能減小干擾源對(duì)地電壓幅值和干擾源電壓的變化速度。

2）將每條線路的阻抗設(shè)計(jì)得盡可能的大，并且設(shè)法增大使各線路支路之間的阻抗差異值。

3）使線路間的耦合電容盡可能的小，如盡量加大兩條線路之間的距離、縮短兩條線路的長(zhǎng)度、避免兩條線路平行布線等。

4）用屏蔽方式切斷干擾源和被干擾對(duì)象之間的電力線，以避免發(fā)生電容性耦合的電磁干擾。屏蔽的方式有如將屏蔽與干擾源基準(zhǔn)電位相連；將屏蔽與被干擾對(duì)象基準(zhǔn)電位相連；或者上述兩者都用，其效果更好。但屏蔽時(shí)應(yīng)注意要有完整的屏蔽層，用導(dǎo)電性能好的材料作屏蔽，有良好的屏蔽接地，否則屏蔽的效果降低。

5）當(dāng)干擾源和被干擾對(duì)象的基準(zhǔn)電位是互相獨(dú)立時(shí)，可以采用平衡的方法，即使干擾源和被干擾對(duì)象的耦合電容平衡，以免除電容性耦合的電磁干擾。平衡的方式有如干擾源和被干擾對(duì)象均采用絞合導(dǎo)線等。

2.2.3 電感性耦合

任何兩個(gè)回路之間都存在著互感?；ジ兄蹬c介質(zhì)的磁導(dǎo)率成正比，并與兩個(gè)回路的幾何尺寸有關(guān)。

解決電感性耦合電磁干擾的設(shè)計(jì)方法有：

1）盡可能減小干擾源電流的變化速度。

2）盡可能減小兩個(gè)回路之間的互感值，如盡量加大兩個(gè)回路間的距離、縮短兩個(gè)回路的長(zhǎng)度、避免兩個(gè)回路平行走線、縮小兩個(gè)回路的面積，并減低重合度等。

3）用屏蔽的方式切斷干擾源和被干擾對(duì)象之間的磁力線，以避免產(chǎn)生電感性耦合的電磁干擾。屏蔽采用鐵磁性導(dǎo)體做靜態(tài)磁屏蔽，采用電導(dǎo)率高的導(dǎo)體感應(yīng)渦流做動(dòng)態(tài)磁屏蔽。

4）采用平衡的方法，可以減少或免除電感性耦合的電磁干擾。

2.2.4 輻射性耦合

輻射性耦合是電磁場(chǎng)通過空間耦合到被干擾對(duì)象的。如被干擾對(duì)象是兩組導(dǎo)線，它們之間就互為發(fā)射/接收電場(chǎng)的天線。

解決輻射性耦合電磁干擾的設(shè)計(jì)方法有：

1）采用空間分離的方法即把容易相互干擾的設(shè)備和導(dǎo)線盡量安排得遠(yuǎn)一些，并調(diào)整電磁場(chǎng)矢量方向，使接收設(shè)備耦合的干擾電磁場(chǎng)最低。

2）采用時(shí)間分離的方法即將產(chǎn)生輻射的設(shè)備和易接收輻射的設(shè)備安排在不同的時(shí)段工作。

3）采用頻率分離的方法即設(shè)法使產(chǎn)生輻射的設(shè)備和易接收輻射的設(shè)備的工作在不同頻段。

4）采用屏蔽的措施即用屏蔽材料將被干擾對(duì)象封閉起來，使其內(nèi)部電磁場(chǎng)強(qiáng)低于允許值的一種措施。

2.3 對(duì)易被干擾對(duì)象的設(shè)計(jì)方法

通過對(duì)電機(jī)試驗(yàn)站設(shè)備的分析與測(cè)量，試驗(yàn)站易被干擾的對(duì)象常為兩類：一是被試電機(jī)，二是控制與測(cè)量回路。

2.3.1 被試電機(jī)

被試電機(jī)作為產(chǎn)品它有自身的技術(shù)條件要求，其抗電磁干擾能力不在本文討論。但仍需指出電機(jī)產(chǎn)品試驗(yàn)時(shí)良好正確的接地不但能有效可靠的保護(hù)人身安全、產(chǎn)品安全和設(shè)備安全，同時(shí)也能將部分電磁干擾引入大地不會(huì)影響電機(jī)本身。

2.3.2 控制與測(cè)量回路

現(xiàn)代電機(jī)試驗(yàn)站必然存在大量的控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)，其中測(cè)量單元、控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)都有較強(qiáng)的抗電磁干擾能力，但作為單元和機(jī)構(gòu)之間電氣連接通道的測(cè)量線路和控制線路也是試驗(yàn)站里面最容易受到主功率線路電磁干擾影響的弱電回路。對(duì)于這兩種線路最常用的抗干擾方法就是屏蔽接地和電位隔離。

2.3.2.1 屏蔽接地

對(duì)線路實(shí)施整體屏蔽，即用屏蔽材料將電磁輻射源屏蔽（包裹或隔絕）起來，并將屏蔽體接地，以切斷干擾源和被干擾對(duì)象之間的電磁力線，降低電磁輻射的干擾。屏蔽體內(nèi)的線路地線只能一點(diǎn)接屏蔽體，而不得利用屏蔽體作返回導(dǎo)體。

對(duì)于使用多層屏蔽電纜的線路，每個(gè)屏蔽層應(yīng)在一點(diǎn)接地，各屏蔽層應(yīng)相互絕緣。當(dāng)電纜長(zhǎng)度大于工作信號(hào)波長(zhǎng)的0.15倍時(shí)，采用間隔工作信號(hào)波長(zhǎng)0.15倍的多點(diǎn)式接地。如果不能實(shí)現(xiàn)，則至少應(yīng)將屏蔽層兩端接地。

屏蔽接地按工作頻率采用不同的接地方式。對(duì)于工作頻率低于1MHz的低頻線路采用單點(diǎn)式接地。多個(gè)電路的單點(diǎn)式接地又分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種，由于串聯(lián)接地產(chǎn)生共地阻抗的電路性耦合，所以低頻線路最好采用并聯(lián)的單點(diǎn)式接地。對(duì)于工作頻率高于30MHz的高頻電路采用多點(diǎn)式接地。多點(diǎn)接地時(shí)，盡量找接近的低阻值接地面接地。對(duì)于工作頻率介于1～30MHz的電路采用混合式接地。當(dāng)接地線的長(zhǎng)度小于工作信號(hào)波長(zhǎng)的1/20時(shí)，采用單點(diǎn)接地式，否則采用多點(diǎn)接地式。

為防止工頻和其它雜散電流在信號(hào)地線上產(chǎn)生干擾，信號(hào)地線應(yīng)與功率地線和機(jī)殼地線相絕緣。并且只在功率地、機(jī)殼地與大地連接的安全接地螺栓上相連。

2.3.2.2 電位隔離

電位隔離分為機(jī)械、電磁、光電和浮地幾種隔離方式，其實(shí)質(zhì)就是人為地制造電的隔離，以阻止各種耦合產(chǎn)生的電磁干擾。

機(jī)械隔離——采用繼電器來實(shí)現(xiàn)，其線圈接收信號(hào)，機(jī)械觸點(diǎn)發(fā)送信號(hào)。機(jī)械觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r(shí)，由于阻抗很大、電容很小，從而阻止耦合產(chǎn)生的電磁干擾。缺點(diǎn)是線圈工作頻率低，不適合于工作頻率較高的場(chǎng)合使用。而且存在觸點(diǎn)通斷時(shí)的彈跳和干擾以及接觸電阻等。

電磁隔離——采用變壓器來實(shí)現(xiàn)，通過變壓器傳遞電信號(hào)，阻止耦合產(chǎn)生的電磁干擾。對(duì)于使用交流電源的場(chǎng)合較為方便實(shí)用，由于變壓器繞組間分布電容較大，所以使用時(shí)應(yīng)當(dāng)與屏蔽和接地相配合。

光電隔離——采用光電耦合器來實(shí)現(xiàn)，通過半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）的光發(fā)射和光敏半導(dǎo)體（光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等）的光接收，來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞。光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器輸入端的干擾電壓較小，而且一般干擾源的內(nèi)阻較大，它所能提供的電流并不大，因此不能使發(fā)光二極管發(fā)光。光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響。光電耦合器的隔離電阻很大（約1012Ω），隔離電容很?。s數(shù)pF）能阻止耦合產(chǎn)生的電磁干擾。只是光電耦合器的隔離阻抗隨著頻率的提高而降低，抗干擾效果也將降低。

浮地——此外，還有一種浮地方式，即該線路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接。浮地可使功率地（強(qiáng)電地）和信號(hào)地（弱電地）之間的隔離電阻很大，所以能阻止共地阻抗耦合產(chǎn)生的電磁干擾。其優(yōu)點(diǎn)是該電路不受大地電性能的影響。其缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動(dòng)和增加了對(duì)模擬電路的感應(yīng)干擾。

3.結(jié)束語(yǔ)

電機(jī)試驗(yàn)站抗電磁干擾能力的好壞是由上敘多個(gè)方面共同作用的結(jié)果，對(duì)于不同規(guī)模和不同電源性質(zhì)的試驗(yàn)站應(yīng)根據(jù)其本身的設(shè)計(jì)目的、工作運(yùn)行方式、建設(shè)資金、建造能力以及被試產(chǎn)品的電磁兼容要求，來采取相應(yīng)的措施和手段以取得最佳的抗干擾效果。