湘潭電機(jī)股份有限公司特電事業(yè)部 嚴(yán)向鋒

隨著國家經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，電力驅(qū)動設(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)研制和試驗的基地——電機(jī)試驗站的作用也越來越重要。而作為一個電機(jī)試驗站性能優(yōu)劣的評價標(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站設(shè)備的正常工作，嚴(yán)重時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，對試驗站抗電磁干擾能力要給予充分的重視。既要注意試驗站設(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)計思路

為提高電機(jī)試驗站的抗電磁干擾能力，必須從開始設(shè)計時就給予抗電磁干擾能力足夠多的重視?？闺姶鸥蓴_的設(shè)計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象入手。也就是

1）要充分分析試驗站設(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)識易被干擾對象，盡可能的減少其接收電磁干擾的機(jī)會。

據(jù)此，在設(shè)計時應(yīng)采取相應(yīng)對策，消除或部分消除可能出現(xiàn)的電磁干擾，以減輕實際工作中的抗干擾壓力。在試驗站的建造和調(diào)試過程中，還可根據(jù)現(xiàn)場展現(xiàn)出的具體現(xiàn)象，以及易被干擾對象的表現(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)計的常用方法

2.1 對電磁干擾源的設(shè)計方法

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。可以說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，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、次級間存在分布電容，進(jìn)入電源變壓器初級的高頻干擾能通過分布電容耦合到電源變壓器的次級。在電源變壓器初、次級間增加靜電屏蔽后，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高能量的瞬態(tài)過電壓脈沖時，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，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，吸收器件的功耗最少；當(dāng)有脈沖電壓時，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外的電磁干擾。同時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)一步減少對外的電磁干擾。

2.1.2 電磁輻射

電磁輻射包括試驗站設(shè)備內(nèi)部和外部兩種電磁輻射源。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。

對電磁輻射的電磁兼容設(shè)計是，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的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場的干擾，又因屏蔽體接地而實現(xiàn)電場屏蔽。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，特別是電磁場屏蔽，因為它是利用屏蔽體在高頻磁場的作用下產(chǎn)生反方向的渦流磁場與原磁場抵消而削弱高頻磁場干擾的。如果屏蔽體不完整，則渦流的效果降低，導(dǎo)致電磁場泄漏，屏蔽的效果將大打折扣。

2.2 對電磁干擾傳播途徑的設(shè)計方法

通過電機(jī)試驗站現(xiàn)場的觀察與測量，以及電磁干擾傳播的可能途徑的研究和分析，在電機(jī)試驗站場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)兩個試驗線路存在公共阻抗時，一條線路的電參數(shù)通過公共阻抗對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作時，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)計方法有：

1）對共電源內(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）對共回路導(dǎo)線產(chǎn)生的電磁干擾，可以用對導(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增加干擾，比如共地線干擾，地環(huán)路干擾等等。

對接地電阻的要求是越小越好。因為當(dāng)有電流流過接地電阻時，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)和兩個導(dǎo)體的有效面積成正比、與兩個導(dǎo)體之間的距離成反比。

解決電容性耦合電磁干擾設(shè)計方法有：

1）盡可能減小干擾源對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)干擾源和被干擾對象的基準(zhǔn)電位是互相獨(dú)立時，可以采用平衡的方法，即使干擾源和被干擾對象的耦合電容平衡，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象均采用絞合導(dǎo)線等。

2.2.3 電感性耦合

任何兩個回路之間都存在著互感。互感值與介質(zhì)的磁導(dǎo)率成正比，并與兩個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）盡可能減小兩個回路之間的互感值，如盡量加大兩個回路間的距離、縮短兩個回路的長度、避免兩個回路平行走線、縮小兩個回路的面積，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通過空間耦合到被干擾對象的。如被干擾對象是兩組導(dǎo)線，它們之間就互為發(fā)射/接收電場的天線。

解決輻射性耦合電磁干擾的設(shè)計方法有：

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)整電磁場矢量方向，使接收設(shè)備耦合的干擾電磁場最低。

2）采用時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象封閉起來，使其內(nèi)部電磁場強(qiáng)低于允許值的一種措施。

2.3 對易被干擾對象的設(shè)計方法

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

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)品試驗時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，同時也能將部分電磁干擾引入大地不會影響電機(jī)本身。

2.3.2 控制與測量回路

現(xiàn)代電機(jī)試驗站必然存在大量的控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，其中測量單元、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量線路和控制線路也是試驗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

對線路實施整體屏蔽，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。

對于使用多層屏蔽電纜的線路，每個屏蔽層應(yīng)在一點(diǎn)接地，各屏蔽層應(yīng)相互絕緣。當(dāng)電纜長度大于工作信號波長的0.15倍時，采用間隔工作信號波長0.15倍的多點(diǎn)式接地。如果不能實現(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。對于工作頻率低于1MHz的低頻線路采用單點(diǎn)式接地。多個電路的單點(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，盡量找接近的低阻值接地面接地。對于工作頻率介于1～30MHz的電路采用混合式接地。當(dāng)接地線的長度小于工作信號波長的1/20時，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地線上產(chǎn)生干擾，信號地線應(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——采用繼電器來實現(xiàn)，其線圈接收信號，機(jī)械觸點(diǎn)發(fā)送信號。機(jī)械觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r，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合使用。而且存在觸點(diǎn)通斷時的彈跳和干擾以及接觸電阻等。

電磁隔離——采用變壓器來實現(xiàn)，通過變壓器傳遞電信號，阻止耦合產(chǎn)生的電磁干擾。對于使用交流電源的場合較為方便實用，由于變壓器繞組間分布電容較大，所以使用時應(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，來實現(xiàn)信號的傳遞。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和增加了對模擬電路的感應(yīng)干擾。

3.結(jié)束語

電機(jī)試驗站抗電磁干擾能力的好壞是由上敘多個方面共同作用的結(jié)果，對于不同規(guī)模和不同電源性質(zhì)的試驗站應(yīng)根據(jù)其本身的設(shè)計目的、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。