輻射耦合的干擾分析

楊繼華，徐義亨

(浙江中控技術股份有限公司，浙江 杭州 310012)

電磁能量以電磁波的形式從場源向周圍空間傳播且不再返回場源的現(xiàn)象被稱為電磁輻射，通過空間的電磁輻射形成的干擾耦合被稱為輻射耦合。輻射耦合可以將能量從一臺設備或電路傳輸?shù)搅硪慌_設備或電路，傳輸?shù)穆窂蕉讨料到y(tǒng)內可以想像的極小距離，長至相隔很遠的系統(tǒng)間乃至星際間的距離。

1 某工程案例的要求分析

2017年某集團公司準備建1套600 kt/a的甲醇制烯烴項目。離該項目所在地最近距離2.2 km處有某試驗基地，該試驗基地產生的射頻電磁場強度在烯烴項目所在地為134 dB。該試驗基地要求烯烴裝置的控制測量系統(tǒng)的電磁場輻射抗擾度必須大于134 dB，以保證在運行過程中，試驗基地產生的射頻電磁場不會導致烯烴裝置發(fā)生意外事故。

根據(jù)GB/T 17626.3—2006《電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗》，射頻輻射電磁場強度分貝數(shù)的基準值為1 μV/m，故可以推算出134 dB所對應的電場強度E。

因為20 lgE/1(μV/m)=134 dB，得： lgE=6.7。所以，E=5 011 872 μV/m=5.01 V/m。

即E用單位V/m表示的話，整個烯烴裝置的控制測量系統(tǒng)的射頻電磁場輻射抗擾度必須大于5.01。

GB/T 17626.3—2006規(guī)定，當場源的射頻電磁波頻率為80～1 000 MHz時，射頻電磁場輻射抗擾度的試驗等級見表1所列。因此，在設計該裝置的控制測量系統(tǒng)時，應在技術規(guī)格書中規(guī)定其射頻電磁場輻射抗擾度的試驗等級，該標準規(guī)定該試驗等級應達到3級要求(10 V/m)。然而，實現(xiàn)該要求難度較高。

表1 射頻電磁場輻射抗擾度的試驗等級

2 射頻電磁場輻射抗擾度指標與電磁戰(zhàn)

通常情況下，人們認為輻射耦合形成的電磁干擾，只能干擾電子設備的正常運行,不會造成電子設備的損壞。

1958年美國軍方在一次氫彈試驗中意外發(fā)現(xiàn)核電磁脈沖的奇特效應，核電磁脈沖在擴散的過程中，會瞬間發(fā)出極強的能量，并以光速擴散，使其影響范圍內任何未加保護的電子設備，通過電磁脈沖能量的輻射耦合，造成電氣設備和電子系統(tǒng)的失靈，甚至燒毀。之后，世界上相繼出現(xiàn)了諸如電磁彈(又稱“強力微波武器”)、非核電磁脈沖彈、電磁脈沖彈(又稱“高能微波彈”)等特殊的戰(zhàn)爭武器，以癱瘓對方的指揮、控制和通信用的電子設備。從此，出現(xiàn)了戰(zhàn)爭的另外一種形式—— 電磁戰(zhàn)。

為此，2002年發(fā)布的IEC 61000-4-3： 2002(GB/T 17626.3—2006等同采用)，較之1998年版，有關射頻電磁場輻射抗擾度的試驗等級由原來的3級增加到4級(見表1所列)，最大抗擾度由10 V/m大幅度地提高到30 V/m，全面提高各種控制測量系統(tǒng)抗各種強電磁干擾的能力，旨在防止工業(yè)控制測量系統(tǒng)面臨電磁戰(zhàn)襲擊所帶來的危險。

3 有關輻射耦合的幾個相關概念

3.1 近場和遠場

電磁場的特性取決于源場、源場周圍的介質以及源場和觀察點之間的距離?？梢詫⑤椛湓粗車目臻g劃分為近場和遠場兩個區(qū)域，并以λ/2π(λ為電磁波的波長)作為近場與遠場的邊界點。距離小于λ/2π的區(qū)域為近場，大于λ/2π的地方稱遠場，接近λ/2π的區(qū)域稱之謂近場和遠場的過渡區(qū)域。

λ和電磁波的傳播速度c以及頻率f的關系如式(1)所示：

λ=c/f

(1)

式中：c=3×108m/s。

例如，相對于頻率為25 kHz時，近場與遠場的邊界點約為2 km；相對于頻率為100 MHz時，邊界點僅為0.5 m左右。

理論上可以證明，近場只存在電場和磁場之間的能量交換，沒有能量輸出，對應的干擾耦合為電容性耦合與電感性耦合，因此近場也稱為感應場。只有在遠場區(qū)才存在輻射耦合，故又稱為輻射場。無線電廣播通信設備、對講機、電焊機、晶閘管整流器、汽車發(fā)動機的點火器、鈉燈、熒光燈等都會產生電磁輻射，影響控制系統(tǒng)的正常運行。它們的頻率范圍一般是150 kHz～1 000 MHz。

3.2 波阻抗

波阻抗Z是電磁波中電場分量與磁場分量之比，如式(2)所示：

Z=E/H

(2)

式中：H——磁場強度，A/m。

對近場而言，Z取決于干擾源的特性以及離干擾源的距離。如干擾源為大電流低電壓的情況，則近場主要為磁場，Z呈低阻抗特性，以電感性耦合的噪聲為主。如干擾源為高電壓小電流的情況，則近場主要為電場，Z呈高阻抗特性，以電容性耦合的噪聲為主。Z和離干擾源距離r的關系如圖1所示。

圖1 Z和離干擾源距離r的關系示意

令觀察點r和λ/2π之比為

(3)

式中：Rx——干擾源和觀察點之間相對于波長的距離大小。

在近場，干擾源主要為電場時的Z0為

(4)

干擾源主要為磁場時的Z1為

(5)

在遠場中，電磁波十分規(guī)整，電場和磁場在強度上有固定的比例關系，即Z是一個常數(shù)120π，為377 Ω(如圖1所示)。

在工程中，可以用場強儀測出對應電磁波的頻率、電場強度與磁場強度，并根據(jù)觀察點離干擾源的距離，判斷出存在的干擾耦合是屬于哪一種類型。

3.3 輻射耦合的感應噪聲

一根金屬導線在輻射的電磁場里，就像一根天線，在導體上會產生正比于電場強度的感應電動勢U，如式(6)所示：

U=heefE

(6)

式中：heef——比例常數(shù)，也稱天線的有效高度。

在工程中，對于較長的I/O信號電纜、通信電纜和電源電纜等都能接收到電磁波并在其上感應出干擾電壓。例如： 當垂直極化波的電場強度為100 mV/m時，長度為10 cm的垂直導體，可以產生5 mV的感應電動勢。

4 輻射屏蔽的機理

同樣一根帶屏蔽層的雙絞線和同軸電纜，為抑制電容性耦合、電感性耦合以及輻射耦合，它們的屏蔽機理以及屏蔽層的接地方式是不一樣的[1-2]。

輻射屏蔽是用包括金屬導體或其他對射頻電磁波有衰減作用的材料制做的屏蔽體阻止電磁波在空間傳播的一種措施，其屏蔽原理是： 當電磁波入射到金屬屏蔽體上時，由于空氣與金屬交界面的阻抗不連續(xù)，故在交界面上產生波反射(稱反射損耗)。另一部分進入金屬體內，其中一部分在屏蔽體內的傳播中由于感應渦流產生了吸收損耗；還有一部分在屏蔽體內部經屏蔽體兩側的多次反射而衰減；最后還剩下一部分能量透過屏蔽體。金屬屏蔽體對入射電磁波的衰減過程如圖2所示。

圖2 金屬屏蔽體對入射電磁波的衰減過程示意

設入射波和透過金屬屏蔽體后的電磁波的電場強度之比(Ei/Et)為金屬屏蔽體的屏蔽效果，則可得：

S=20lg(Ei/Et)=A+R+B(dB)

(7)

式中：Ei——入射波的電場強度；Et——穿透屏蔽體后的電磁波的電場強度；A——電磁波在屏蔽體內由于感應渦流產生的衰減，稱吸收損耗；R——由于反射作用造成的入射波的損耗，稱反射損耗；B——因入射波在金屬屏蔽體內多次反射造成的損耗，一般可忽略。

其中,吸收損耗計算如式(8)所示：

(8)

式中：t——屏蔽體厚度，mm；f——電磁波的頻率，MHz；μr——屏蔽體的相對導磁率；G——屏蔽體相對于銅的導電率。

在用金屬材料作屏蔽體的情況下，反射損耗計算如式(9)所示：

R=108-10lg(fμr/G)(dB)

(9)

比較式(8)和式(9)可知，R和屏蔽層的厚度無關，而A正比于屏蔽層的厚度。圖3為厚度為0.508 mm的銅箔屏蔽的效果。

圖3 厚度為0.508 mm銅箔的輻射屏蔽效果示意

由圖3可知： 在頻率不太高時，輻射屏蔽的效果由R決定，并隨頻率的增加而降低；在高頻時，屏蔽的效果由A決定，并隨頻率增加而增加；總的屏蔽效果(R+A)在中頻段最差。

諸如雙層屏蔽、薄膜屏蔽、非實心型屏蔽體以及通風口、裝配面處接縫泄漏的抑制措施等可詳見文獻[3-5]。

5 工程案例

5.1 某裝置遭雷擊時的輻射耦合

2004年7月10日16時，某石化公司苯酚裝置遭雷擊，使該裝置的DCS內的EPROM內的程序丟失，導致整個裝置停車,而控制室內的其他設備沒有損壞。經重新下載安裝程序，才恢復正常運行。

根據(jù)現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)：

1)裝置的控制室為一間單層廠房，雷擊時兩側的大窗戶敞開著，且裝有DCS的機柜柜門也半掩著。

2)雷擊接閃點在離控制室約10 m遠的塔器上，塔上接閃器的端部發(fā)黑，說明接閃器頂部在接閃時產生過火花放電。

從而得出結論： 由于雷擊時產生的火花放電效應，并隨之形成了射頻電磁波，加之DCS的柜門處于敞開狀態(tài)，丟失了一道屏蔽層，導致EPROM內的程序丟失。

5.2 塔式太陽能光熱發(fā)電站其鏡場控制網(wǎng)絡的輻射耦合

某塔式太陽能光熱發(fā)電站采用了100面大型定日鏡，大面積的鏡場控制系統(tǒng)由就地控制單元(包括伺服驅動器、就地PLC)、上位PLC以及光斑圖像采集處理系統(tǒng)等組成。就地控制單元與上位PLC控制器采用無線通信模式。該無線通信應用于網(wǎng)絡層通信(TCP/IP)以取代有線通信，通信頻率選用國家公開頻段2.4G網(wǎng)絡。當通信信號中斷時，就地控制單元可以自動進入保護狀態(tài)，將定日鏡旋轉至初始位置。

由于電氣輻射干擾、太陽的無線電噪聲以及電離層和各種射線組成的太空背景噪聲的影響，控制室與定日鏡就地控制單元之間的通信聯(lián)系常受到干擾，無法正常工作，不得不將無線通信改為傳統(tǒng)的有線通信。

6 機柜室射頻電磁場強度的控制限值

由于射頻電磁場對人體的熱效應以及生物效應，考慮到人體的安全要求，GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》對公眾暴露的電場、磁場、電磁場的場量限值作出了規(guī)定。圖4為筆者所在團隊在某核電站設備處于通電狀態(tài)下的停堆期間，對機柜間射頻電磁場強度的分布進行測試的結果，由圖4可知，頻率在2 500～3 000 MHz時，電場強度的峰值約為7 mV/m，頻率在3 750～4 250 MHz時，電場強度的峰值為18 mV/m，符合該標準的要求。對應于不同頻率范圍內，電場強度、磁場強度在公眾暴露情況下的控制限值該標準都有詳細的規(guī)定。

圖4 某核電站機柜間在停堆期間的射頻電磁場強度的分布示意

7 結束語

在近十多年的現(xiàn)場調查與試驗中，有關干擾的輻射耦合的案例頗多。簡單的如一輛大卡車在啟動時，由于點火器的火花效應產生的射頻電磁波導致離大卡車10 m處的整個控制室內的指針式儀表發(fā)生指針晃動；較為復雜的如機器人的通信干擾與控制干擾等。限于篇幅，不一一列述。