一、引言随着电子电气产品种类及应用范围与日俱增,电磁兼容（ＥＭＣ—ＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃＣｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）设计作为一门高新技术正受到日渐广泛的重视。电子电气设备因受其所处环境中的电磁干扰影响,可能出现运行紊乱、计算差错、检测失误等而无法正常工作。严重时还会危及设备与人员安全。同时,该设备也可能成为干扰源,对其它设备产生电磁干扰。而干扰信号中有的是无用的噪音,如雷达信号。如何使电子电气设备既不受外来干扰影响、也不对所处环境和其它设备造成干扰,维持共存的电磁环境、相互兼容,均能正常工作,是ＥＭＣ设计需要解决的课题。国际电工委员会（ＩＥＣ）设立的国际无线电干扰特委会（ＣＩＳＰＲ）于６０年代制定了系列电子电气设备的电磁干扰限制标准。８０年代后,我国参照ＣＩＳＰＲ标准制定了若干相关国家标准,促进了我国无线电广播与有关工业领域的ＥＭＣ设计工作。在工业及民用建筑工程中,随着电子电气产品种类与功能的日新月异及计算机的普及、工业与办公自动化的推广、智能大厦的逐步增多,等等,对ＥＭＣ环境有了更高的要求。而今,ＥＭＣ设计已成为工业与民用建筑工程设计的重要内容。
二、电磁干扰的种类、传播方式及影响电磁干扰可分为自然干扰与人为干扰。前者如,雷电、宇宙辐射、太阳黑子的干扰等;后者如,变配电设备,架空输电线,无线电发射台,工业、科研、医疗射频设备（ＩＳＭ）产生的干扰等。电磁干扰的传播方式大体分为空间传播的电磁辐射耦合干扰及电路传输的传导干扰,还常存在这两种干扰影响共同作用的复合干扰（图１）。电磁辐射干扰,近场表现为静电感应与电磁感应导致的干扰,远场则为通过辐射电磁波造成的干扰。任一载流导体周围都产生感应电磁场并向外辐身一定强度的电磁波,相当于一段发射天线。处于电磁场中的任一导体则相当一段接收天线,会感生一定电势。导体的这种天线效应是导致电子电气设备相互产生电磁辐射干扰的根本原因。干扰源辐射电磁干扰的强度可以计算或实测。广泛应用于工业、科研及医疗领域的ＩＳＭ设备可能产生０．１５ＭＨｚ～１８ＧＨｚ电磁波辐射干扰,如工业感应加热设备、工业或医用超声波设备、医用微波治疗及手术设备等。现以此为例,其辐射场强Ｅ随距离成反比衰减,可由（１）式计算。又如,高压架空输电线及变配电装置,由于开关或导线联接接触不良处的火花放电、金具或导线电晕放电或变压器漏磁等原因,可能产生０．１５ＭＨｚ～３０ＭＨｚ的电磁辐射干扰。其场强Ｅ２０（ｄＢ）以距边相线投影２０ｍ处１ＭＨｚ的干扰强度来衡量。式中,Ａ为衰减系数,一般取平均值２．２,市中心区取２．８。由（３）、（４）式计算出各类电子设备（建筑物）距ＩＳＭ设备及高压架空线的电磁防护间距Ｄ。表１、２分别列出电子设备（建筑物）距ＩＳＭ设备和架空输电线的防护间距部分数据,由此可见一斑。当离干扰源（ＩＳＭ及架空线）一定距离处的电子设备接收的干扰信号强度超过其防护率Ｒ时,将无法正常工作。传导干扰是经导线、金属管道、公共接地阻抗等导电路径传播的干扰。只要有电连接便可能传导电磁干扰。干扰信号可通过电源回路、负载回路、信号回路及任何引入（出）建筑物的金属管线传入（出）电子电气设备,使之受到干扰或干扰网路中的其它设备。工程实践表明,影响最大的是电源回路传导的干扰,其中最易导致电子设备故障停运或运行错乱的是,脉宽小于１μＳ的干扰脉冲与瞬变噪声,以及持续时间大于１０ｎｓ的持续噪声。产生干扰脉冲与瞬变噪声的主要原因有电力负载通断、电容器投入、熔断器熔断、继电器类感性负载切断、雷电等等。多为不规则的正、负脉冲或振荡脉冲,其尖峰电压可达１００Ｖ—１０ｋＶ,电流可达１００Ａ,以断开感性负载情况最严重。持续噪声主要有:持续欠电压与过电压、电压缺口（多为短路或过载时断路器动作引起的０．５ｓ以上的停电）、大容量异步电机起动或雷电引起的扰动,等等。美国曾对２０个城市的１２０Ｖ低压电网作长期观测证实,开合感性负载与雷电是传导干扰的主要影响因素。ＩＢＭ曾公布该公司总部的统计:雷雨季节平均每月发生１～２次断电故障,电源扰动时间约０．３ｓ;因传导干扰影响公司计算机每年出现２５次乃至数百次运算紊乱或停机。电子电气设备运行中通过辐射或传导向外传播的干扰也不容低估。如ＩＳＭ设备工作时产生的辐射干扰;电子变流装置等非线性负载的高次谐波通过传导对电网的干扰;计算机、电视机使用中对其它电子电气设备的干扰等等,信息泄漏造成失密也可视为同类问题。因而ＣＩＳＰＲ及各国对各类电子电气设备的电磁干扰量（其ＥＭＣ性能）都规定了限制标准并依此进行考核,作为产品重要性能的指标之一。可见,ＥＭＣ问题已涉及到工业及民用领域的各个方面,成为工程设计必须考虑解决的问题之一。
三、电磁干扰的抑制与防范措施
１．保持对辐射干扰源的电磁防护间距保持对ＩＳＭ设备、高压架空输电线路等电磁辐射干扰源应有的防护间距（表１、表２）,即可将电子设备所受干扰减至允许范围内而不影响正常工作。而今,民用建筑或工业企业在选址阶段仅按传统要求考虑交通、供水、供电条件及防火间距已不够了,还必须考虑电磁防护间距,以满足ＥＭＣ要求。同时还应考虑本工程内部干扰源对环境的影响,以及工程内部电子电气设备间、强电与弱电及控制线路间保持必要的防护间距。若条件所限无法满足应有间距,则应采用其它防范与抑制措施。
２．屏蔽与接地屏蔽与接地是抑制辐射电磁场干扰的基本办法。屏蔽并辅以恰当的接地,绝大部分辐射电磁干扰问题都可以得到解决。难以保持必要的电磁防护间距时,将干扰源设备及受干扰设备以屏蔽室（对控制、信号线路等则以屏蔽电缆）屏蔽隔离起来,可消减其对（受）外部的电磁辐射干扰程度。屏蔽可分静电屏蔽、磁屏蔽及电磁屏蔽,其功能分别在于抑制分布电容耦合导致的电场干扰、低频磁场干扰及高频电磁场干扰,一般多指电磁屏蔽。据干扰性质与屏蔽类型,屏蔽层分别以低阻金属或离导磁材料构成,并酌情采取相应的接地方式。对干扰源（或受干扰）设备是否需设屏蔽可由（５）式判定。式中Ｅ———辐射干扰场强,可由计算、实测或设备技术资料得出,ｄＢ
Ｒ———防护率（ｄＢ），因电子设备而不同,我国现有水平一般在２７～４０ｄＢ之间Ａ———衰减系数,可平均取２２左右Ｄ———防护间距（或实际距离）,为Ｅ测（求）得处与电子设备之间距，ｍＥＳ———电子设备最低工作信号场强（灵敏度）,取具体设备之值，ｄＢ有时为预防电子设备泄漏微弱辐射信号造成失密,也须采取屏蔽措施。如重要的军事、经济、金融及科研部门的机密计算机室、会议室也多须设屏蔽室。这时是否应设屏蔽室由（６）式判断。式中Ｅ———电子设备泄漏信号场强，ｄＢＥＳ———窃听设备灵敏度（现已可达３．５ｄＢ）而防护率Ｒ为９ｄＢ已可被有效窃听,故保密所要求的屏蔽条件比防干扰所要求的苛刻得多。接地包括电子电气设备正常工作必须的信号接地、功率接地及安全接地以及屏蔽接地。现代工业及民用建筑因场地限制与建筑结构影响,多采用将各种接地系统以适当方式联为一体的闭合环状接地系统。基本要求是使各种接地点间无电位差（等电位联结）。屏蔽室（层）本身则应据干扰噪声的频率特征采用一点接地或多点接地。接地系统之设置与土建工程密切相关。而屏蔽室可分为建筑式与装配式,也与土建工程关联。可见,屏蔽与接地都应在设计工作的各阶段与土建工程设计、施工及设备制造等环节密切配合。
３．滤波与隔离滤波与隔离是防治传导干扰的主要方法。对电源线路视干扰噪声频率及受保护电子设备性质可采用不同类型的滤波装置。在设备的工频电源进线上采用普通（低通）电源滤波器;在４００Ｈｚ～１０００Ｈｚ中频电源线路上设特种滤波器;对负载线路,则有适用于通信线路的通信（电话）滤波器、用于变流设备的高次谐波滤波器、用于屏蔽室通风及其它金属管道上的波导滤波器等等,它们可过滤不同频率的干扰噪音、消减电子电气设备（向）外部的传导干扰。在电子电气设备的电源或信号输入（出）端设置隔离变压器、光电隔离装置等也是防止传导干扰（如抑制浪涌噪声及中频噪声）的必要手段。在设备选择及线路配置等设计环节中,滤波与隔离措施是必须认真对待的设计内容。
４．严格选用ＥＭＣ性能符合ＣＩＳＰＲ标准及国家标准的电子电气设备电子电气设备的电磁干扰限制标准是根据ＥＭＣ基本要求制定并随着技术与经济水平提高而逐步制定、修订的。选用符合限制标准的设备是维持ＥＭＣ环境的基本条件之一。选用合乎标准的设备并采取适当的屏蔽与滤波措施,一般都收效良好。否则,会不同程度的破坏ＥＭＣ环境。例如,我国曾多次进口辐射超标的彩电,在一些招待所使用后,干扰邻近房间计算机正常工作;一些品牌的国产微机电磁辐射超标,影响邻近电视机的正常收视;不少进口及国产家用电动工具辐射超标,使用时都对电视及计算机造成严重干扰,等等。
四、ＥＭＣ设计的基本原则与步骤由上所述可知,防范与抑制电磁干扰,实现ＥＭＣ的基本原则是:①抑制电磁干扰源、直接消减干扰源头的影响;②切断电磁干扰传播途径或增加传播路径对电磁干扰的阻碍（衰减）作用、降低干扰源与受扰设备间的耦合作用;③加强受干扰电子电气设备的抗干扰能力。这三方面相互关联,不可偏废。按照电磁干扰规律及建设工程程序,ＥＭＣ设计可分为五个步骤:①调查工业及民用建筑附近及本工程建筑内已经存在及将要安装使用的人为干扰源的数量与性能数据;②调查了解本工程建筑附近及建筑内安装使用的电子电气设备数量与性能参数;③了解①及②项中设备及线（管）路之间可能存在的干扰传播方式与途径;④根据①～③项的调查了解资料,各专业协调配合,合理确定工业及民用建筑工程的选址及内部配置方案,在此基础上,结合设备及线（管）路,布置进行屏蔽、滤波、接地及布线设计;⑤施工图设计及施工、安装、调试过程中,电气专业与建筑、结构、暖通及给排水等各专业必须密切配合。ＥＭＣ设计效果如何,要根据竣工后的测试结果才能评定。实践证明,无论对于成套电子电气设备或安装使用电子电气设备的工业或民用建筑,在设计阶段可供选择的解决ＥＭＣ问题的技术手段较多而所需费用较少;待到设备制造完毕、安装就绪或建筑工程落成投入使用后,才发现电磁干扰严重再来补救,则其难度与费用就都大大增加（图２）,甚至可能为时已晚。例如,我国曾有一些省、市级医院配备了高频医疗电热（属ＩＳＭ）设备,设置了许多灵敏电子设备（如心、脑电图仪,心脏起搏仪,计算机监护仪等等）,但在设计及建筑施工过程中均未考虑ＥＭＣ问题,医院开业后,这些电子设备因电磁干扰严重而无法正常工作,不得不对这些医院做局部改造,增设屏蔽室并采取其它相应措施,才得以解决。为此,我国还作了功率在１０ｋＷ及以上的ＩＳＭ设备都应设置屏蔽室的规定。又如,某地一实验楼竣工使用后,其灵敏电子仪器无法正常工作,其原因调查为相距３ｋｍ之外某工厂的１００ｋＷ高频电炉电磁辐射干扰影响所致。但实验楼与该厂均成现实,无法搬迁,只得在工厂高频炉车间及实验楼所有灵敏电子仪表室都设置屏蔽室加以补救。这两个例子都是建设初期忽视了ＥＭＣ设计而造成不良后果的实际例证。五、结语常规工业及民用建筑工程电气设计早已涉及了ＥＭＣ的若干问题。但迄今为止,作为包容各专业相关内容的一项系统工程的ＥＭＣ设计并未被视为一个必要的设计环节,尚未占其应有的一席之地。实例分析表明,工程设计阶段进行ＥＭＣ设计乃是解决电磁干扰、防患于未然的必要举措。凡工程设计阶段认真完成ＥＭＣ设计的工程项目,竣工后,调试测得８０%～９０%都不存在电磁干扰问题。 |
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