智能建筑弱电系统的电磁兼容性

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１ 电磁兼容性的提出 　　随着现代电子科技的飞跃发展，电子技术和电子产品已广泛地应用于各个行业生产领域和人门的日常生活中。尤其是微电子技术和数字计算机技术的发展使人类进入了信息技术时代。"电脑，上网，手机，智能化……"已成了人人皆知的名词。然而，电器设备和电子产品的普及应用与发展也造成了日益严重的电磁污染，给我们的生产和生活带来了不容忽视的影响，甚至造成严重问题。这个矛盾日益凸现，并屡见不鲜。 　　例如：电力设备的电位异常与谐波干扰，电动工具的电火花，都会影响通信系统和广播电视系统的正常工作；手机、手提电脑 在飞机上使用时会干扰飞机上导航控制系统的可靠工作，甚至造成飞行事故；医院里的心电起博器等医疗设备受移动通信装置无线电波干扰而影响正常使用等等。在工业生产中，以微电子电路为主体的自控仪表系统的工作环境和检测控制对象往往是高电压大电流的，这些电子仪表设备常常会受到电磁幅射、电磁脉冲、地电位异常、雷电冲击、静电感应、电弧、强负荷电流冲击、电源谐波、高频电噪声等等有害因素的干扰影响。这些干扰轻则会引起自控仪表装置的工作可靠性降低，重则甚至造成自控仪表系统的误动作或死机故障。 　　凡此种种都是常见的在同一电磁环境中的电子设备相互干扰而不能正常工作的现象。要解决这些问题，即如何使在同一电磁环境下工作的各种电子设备、电子系统都能互不干扰地正常工作，达到兼容状态，这就要看电子仪表设备的电磁兼容性（ＥＭＣ）。 　　２ 电磁兼容的学科内容 　　电磁兼容性（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｓｍ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）是一门新兴的综合性学科。它的主要研究内容是电磁干扰和抗干扰问题。还涉及到抗雷电、静电、太阳电磁场等自然干扰源、核电磁脉冲、无线电频率资源的分配和管理、信息系统电磁泄漏失密、电磁环境污染与生态效应等等领域，关系到大多数现代工业部门和军事部门。在工业环境中，主要致力于对电磁干扰源，电磁干扰传播途径，电子设备的抗干扰能力等几个关键环节的研讨。 　　２．１ 电磁干扰源 　　电磁干扰源主要有自然环境中的电磁噪声和人为外界干扰信号。 　　电磁噪声是不带任何信息的杂散电磁场。常见的有由大气中的雷电、太阳磁爆、风尘、地岩应力等各种原因引起的静电积聚与放电；电力设备中的感性负荷切断及投运时产生的瞬变脉冲噪声；各种电器产生的电弧，电火花等。信息技术设备的工作信号都是数字脉冲信号，由频谱分析理论可知：脉冲信号前沿越陡峭及脉冲频率越高，其包含的高次谐波及高频能量就越大，就会对外发射电磁能量。设备内的元器件，线路板轨线及连接线等都会对外发射电磁干扰。 　　无线电通信、广播电视、雷达等系统发射出的电磁波信号，相对于外系统而言是一种无用信号，对其它电子设备也是一种干扰。 　　２．２ 干扰的导入途径 　　电磁干扰的传输途径主要有通过传输线路和空间辐射两种方式。 　　在传输线路方面?干扰主要通过共阻抗耦合和地线环路耦合方式产生影响。当电子设备或元件共用电源或地线时，就会通过公共阻抗产生相互干扰。电源内阻或地线自身的电阻值很小，但其包含分布电感，在高频时其阻抗不容忽视。高频干扰电流会在公共阻抗上产生干扰电压，叠加到其它电路上。 　　两设备之间的地电位不同时，就会产生地环路干扰。传输线路分布范围较大的仪表控制系统均应注意防止这类干扰。 　　空间辐射干扰多是通过高频电磁场传播的，仪表设备内部的电路之间和设备系统之间相互间都会产生这类干扰。 　　３ 电磁兼容的技术标准制定和认证工作 　　电磁兼容涉及的内容十分广泛，实用性极强。工业、民用、军用等几乎所有的生产、生活领域都需解决电磁兼容问题。世界上一些发达国家，如美国、欧洲共同体国家、日本等，在２０世纪６０年代就开始重视与发展这门学科，目前已形成了一整套完整的电磁兼容体系。这些国家已制定了完整的电磁兼容标准和规范，设立了能有效地对军用和民用产品进行电磁兼容检测和管理的机构，配备有高精度的电磁兼容测试系统设备。还研制了很多关于电磁兼容预测、分析和设计的程序软件。不断推出用于电磁兼容对策技术的新材料、新器件、新工艺。这些完善而周密的体系可以有效地保证电器设备从设计、制造、进入市场和检测验证的全过程得到控制，最终实现全面的电磁兼容。 　　电磁兼容问题几乎在各个工作领域中普遍存在，影响面极广。因而，制定完善的科技管理法规就势在必行。世界上工业发达的国家都设有电磁兼容（ＥＭＣ）标准制定工作的专业委员会，并逐步走向国际统一标准。目前，国际上具有权威性的电磁兼容标准有：国际电工委员会的ＣＩＳＰＲ标准和ＩＥＣ标准；欧洲共同体的ＥＮ标准；德国的ＶＤＥ标准；美国的ＦＣＣ标准和军用标准ＭＩＬ－ＳＴＤ。 　　我国过去经济及科技基础比较薄弱，电子技术工业落后，电子仪表产品应用较少，电磁兼容的矛盾不突出，所以在电磁兼容领域起步较晚，与国外的差距很大。我国对电磁兼容的重视始于２０世纪７０年代的军工产业。至８０年代才成立了"全国无线电干扰标准化技术委员会"，研发并制定了一些电磁兼容标准。９０年代初的海湾战争震惊了国人，交战中一方施放的电磁干扰竟能使对方的防空指挥系统陷于瘫痪失灵，使我们看到了电磁干扰与抗干扰在现代战争中的威力，象制空权、制海权一样，电子战的实质其实是争夺制电磁权。 　　接着，欧共体颁布的电磁兼容指令８９／３３６／ＥＥＣ使民用企业也感受到了对电磁兼容技术认同的迫切性。该指令规定自１９９６年１月１日起，凡不符合电磁兼容标准的产品一律不准进入欧洲市场，这给我国的民用电子产品的出口造成了很大压力。在此背景下，目前国内生产的个人电脑ＰＣ机出厂时，都已标注了抗干扰电磁兼容的等级标志。 　　今年我国已加入ＷＴＯ?而根据ＷＴＯ／ＴＢＴ协议（贸易技术壁垒协议）?如果我国自身没有对产品进行电磁兼容认证的技术标准及要求?则国外的不符合电磁兼容要求的"拉圾"产品就会大举入侵我国。令人遗憾的现象是：目前国内市场上销售的各类进口电子仪表系统及产品几乎都没有标示出电磁兼容的技术指标参数?这一重要性能内容没有引起人们足够重视。建设和完善我国自己的电磁兼容标准体系已是刻不容缓的事情。 　　经过广大科技工作者和政府主管部门的努力，近年来我国也已陆续制定了约７０多种电磁兼容标准。例如：国标ＧＢ／Ｔ１７６１８－１９９８《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》和国标ＧＢ４３４３．２－１９９９《电磁兼容家用电器?电动工具和类似器具的要求：抗扰度》等等。 　　这些标准规定了各种类型的电气电子设备在各个频段的电磁干扰发射值限值和抗扰度限值，并规定了相应的试验方法、仪器设备和试验场地。２０００年我国成立了"中国电磁兼容认证委员会"，并建立了认证机构--中国电磁兼容认证中心。目前又公布了首批进行强制性电磁兼容认证的产品细化目录和检测项目，涉及到１０个产品类别的约８０多种产品。国家出入境检验检疫局也对六种进口电子产品实施电磁兼容强制性检验。我国的电磁兼容认证工作正在逐步地全面开展并开始与国际接轨。 ４ 电磁兼容控制技术 　　智能建筑弱电系统的主体设备是采用信息技术的各种电子设备。提高智能建筑弱电系统的抗干扰性能必须采用多方面的综合抑制措施?才能获得满意效果。对于弱电系统而言?应从电子设备的内部结构、电源回路、信号传输线路等几个方面来考虑抗干扰措施。 　　４．１ 弱电设备内部结构的抗干扰措施 　　弱电设备的外壳、机箱（柜）应采用金属材料，或在塑料外壳内喷涂一层金属膜作为屏蔽层。弱电电子设备外壳的通风孔、进出线孔、连接缝隙等要足够小（ｄ＜λ／２０）。机箱的接缝处可使用导电衬垫，通风窗可使用波导管，面板显示窗可使用屏蔽玻璃材料。这些措施可用于切断通过空间辐射传播的电磁干扰。 　　弱电电子设备内部的电路板之间?电路板与电源板之间?电路板上射频元件区域都应使用厚度不小于０．７ｍｍ的镀锌铁板予以电磁屏蔽。屏蔽铁板应采用镀银铜线与外壳地连接。 　　弱电电子设备的输入、输出端接口电路设计中应设置消除雷电影响的抗电涌抑制器（ＳＰＤ）、高低频滤波器、光电耦合器等电路，并尽量设法采用平衡传输制式，可有效抑制地环路干扰。 　　尽可能减小电路板中的相互电磁干扰。可采用多层电路板以减少引线；布线尽量短粗以减小环路电阻；布线转角处要圆滑，以利于阻抗匹配；不同类型的电路单元要分路接地等等。 　　电磁兼容控制技术极大地依赖于新材料、新器件、新工艺的发展。如广泛采用的表面贴装工艺（ＳＭＴ）；近年来迅速涌现的"电磁干扰对策元件"系列（ＥＭＩ）已获得普遍应用。如：电感类ＥＭＩ元件、三引线电容器、馈通电容器、压敏电阻、平面变压器、片式ＥＭＩ滤波器、固态继电器、固态开关、导体丝网、导体薄膜，以及形形色色的ＥＭＩ接插件、缆线、涂料、编织物等等。这些新器件、新技术的应用大大提高了电子设备的抗干扰性能。 　　电子设备内部的抗干扰措施主要应由弱电电子设备制造厂商去致力研究，但是作为智能建筑弱电系统设计的工程师，了解些这方面的知识，对于判断及选择优良品质的弱电设备是大有好处的。 　　４．２ 电源装置的抗干扰措施 　　电源装置是弱电电子系统的动力源?电源的稳定可靠与否对弱电系统的影响极大。有资料表明：电子系统设备的故障有１／２～１／３是来自电源部分。对电源的干扰来源主要有?雷电冲击电流；大容量感性负载投运或切断时造成的欠压或浪涌电压干扰?电网中的高次谐波干扰等。 　　为抑制浪涌电流干扰?可在电源的输入、输出端装设瞬变电压抑制器（ＴＶＰ）；在电源输入端隔离变压器的一次侧与二次侧之间加入接地的金属屏蔽层?这对降低高能量的瞬时脉冲干扰十分有效。在电源单元的设计中?应采用有隔离作用的宽工作电压范围（交流８５Ｖ～２６５Ｖ）开关电源，可大为提高电源抗电网电压跌落的能力。 　　在电源输入端加装ＬＣ滤波电路是消除对电源环节造成影响的高频干扰和共模干扰的有效办法。在电源与负载之间串接"电磁干扰对策元件"--铁氧体磁环，可以很经济方便地抑制高频干扰，同时还能减小电子设备通过电源对电网中其它设备的干扰。 　　４．３ 传输信号线路的抗干扰措施 　　这个方面是从事智能建筑弱电系统工程设计的工程师们可以充分发挥主动性的领域，在做综合布线系统以及大面积区域或长距离的计算机数据网络、闭路电视系统、楼宇设备自控系统的布线设计时尤其应认真考虑这些问题。 　　（１）从现场测控器件至总控制室之间的长距离传输信号线宜采用双绞线，并选用小节距的双绞线。当多根双绞线在一起敷设时，最好采用不同节距的双绞线；当两对双绞线长距离平行敷设时，每隔一段距离应做一次位置交叉，以抑制噪声。传输线中应尽可能避免使用接插件等不连续连接的接插件。长距离传输线的终端应并联一阻抗器件进行阻抗匹配。 　　（２）关于智能建筑弱电系统的接地问题，过去往往要求弱电系统设置单独的接地系统，不与其它电气系统接地网共用。然而，近些年来一些引进的国外建筑工程设计和学习国外技术的建设项目中，采用大建筑面积的建筑物以及建筑群日益普遍。弱电系统要设置单独的接地体，实施起来常有困难。随着现代建筑技术的发展，目前，建筑物基础一般都采用"大底板"结构。把所有的桩基、地面基础、柱梁内的钢筋结构都联接成一体，作为接地体。其接地电阻往往非常小。弱电系统的接地宜考虑利用建筑物基础作接地体。 　　按照现代电磁兼容技术理论，电子仪表系统和电气系统的接地实质上都是一种"等电位联结"，用以消除外界电磁干扰和安全保护。根据这些理论研究进展，近年来，国内外的有关设计技术规范也都有所修订与调整。例如：我国在参考了国际电工委员会"ＩＥＣ６０３６４－４－４４３：１９９５"，"ＩＥＣ６０３６４－５－５３４：１９９７"等文件后，于２０００年修订出版的强制性国家标准《建筑物防雷设计规范》ＧＢ５００５７－９４（２０００年修订版）中，就新做了以下规定： 　　第（３．３．４）条：--防直接雷接地宜和防雷电感应，电气设备，信息系统等接地共用同一接地装置，并宜与埋地金属管道相连； 　　第（６．３．３）条：--每栋建筑物本身应采用共用接地系统?其原则构成示于图（６．３．３）（图中把包括信息系统在内的所有电气设备的接地母线均连接在同一接地体上）。 　　按照上述国家标准的规定，弱电系统的接地可与其它电气系统共用接地装置。 　　（３）采用有屏蔽层的传输电缆是减少电磁干扰的一项基本措施。过去有些设计规定要求：信号传输电缆的屏蔽层，一般应在控制室的接地汇流排处接地，不应浮空或重复接地。即采用单端接地方式，但这种接地方式存在缺陷。 　　传输电缆屏蔽层仅一端做接地而另一端悬浮时，它只能防静电感应，防不了因磁场强度变化所感应的干扰电压。为减少屏蔽层内芯线上的感应电压，在有些弱电设备的技术要求屏蔽层仅一端做了接地连接的情况下，应采用有绝缘层隔开的双层屏蔽电缆，其外层屏蔽层至少应在两端做接地连接。这样，外屏蔽层与其它同样做了接地连接的导体构成环路，感应出一电流，因此产生降低源磁场强度的磁通，从而基本上抵消掉没有外屏蔽层时所感应的电压。最新修订的国家标准ＧＢ５００５７－２０００版，第（６．３．１）条中已肯定了这种做法："当系统要求只在一端做等电位联结时，应采用两层屏蔽，外层屏蔽按前述要求处理。" 　　（４）在传输线路的终端装设电涌保护器（ＳＰＤ），可有效抑制瞬时电脉冲干扰。采用光电耦合隔离可消除一次元件与控制系统之间因地电位差产生的共模电压干扰对测控系统内部电路的影响。 　　５ 结束语 　　抑制电磁干扰应从各个环节着手，采用综合治理方法，从全系统的立场上来全面考虑电磁兼容问题。对于从事智能建筑弱电系统设计的工程师来说，应从对弱电设备的考察、选型（对电子设备内部构造的了解、挑选）开始，对弱电系统的组成配置、现场电缆管线的布置设计、现场安装施工、系统调校时分析干扰性质及来源等全过程都采取有效措施，才能确保整个弱电系统的电磁兼容性满足要求。