电机试验站抗电磁干扰设计原理简述

2010-06-21湘潭电机股份有限公司特电事业部严向锋

电器工业 2010年2期

湘潭电机股份有限公司特电事业部严向锋

随着国家经济和科技的不断发展，电力驱动设备和系统运用日益普及，装机容量逐步增大，电机的使用量日益增多。作为电机研制和试验的基地——电机试验站的作用也越来越重要。而作为一个电机试验站性能优劣的评价标准之一——抗电磁干扰的能力（电磁兼容）也日显重要。

电磁干扰不仅影响和扰乱试验站设备的正常工作，严重时甚至可以造成电气设备的永久性损害和重大安全事故。因此，对试验站抗电磁干扰能力要给予充分的重视。既要注意试验站设备不受周围电磁干扰的影响，又要注意这些设备本身不对周围其它产品产生电磁干扰，影响其它产品的正常工作。

1. 抗电磁干扰的设计思路

为提高电机试验站的抗电磁干扰能力，必须从开始设计时就给予抗电磁干扰能力足够多的重视。抗电磁干扰的设计思路可以从电磁干扰的三要素，即电磁干扰源、电磁干扰传播途径及易被干扰对象入手。也就是

1）要充分分析试验站设备中可能存在的电磁干扰源及其性质，尽量消除或降低电磁干扰源的参数。

2）要充分了解电磁干扰传播途径，尽量切断其通路，或设法降低电磁干扰耦合的能力。

3）要充分认识易被干扰对象，尽可能的减少其接收电磁干扰的机会。

据此，在设计时应采取相应对策，消除或部分消除可能出现的电磁干扰，以减轻实际工作中的抗干扰压力。在试验站的建造和调试过程中，还可根据现场展现出的具体现象，以及易被干扰对象的表现进行分析，以确定电磁干扰源所在及电磁干扰传播的途径，再采取相应的解决办法。

2.抗电磁干扰设计的常用方法

2.1 对电磁干扰源的设计方法

电磁干扰源的种类相当繁多，有自然的电磁干扰源，人为的电磁干扰源等等。可以说电磁干扰源无处不在，下面仅讨论与我们相关的主要电磁干扰源。

2.1.1 供电电源

供电电源，常由于负载的通断过渡过程、半导体元器件的非线性，脉冲设备及雷电的耦合等因素，而成为电磁干扰源。

供电电源电磁兼容的设计方法为

1）采用交流电源滤波器

由于交流电源滤波器是低通滤波器，不妨碍工频电能的通过，而对高频电磁干扰呈高阻态，有较强的抑制能力。使用交流电源滤波器时，应根据其两端阻抗和要求的插入衰减系数选择滤波器的型式。要注意其承受电压和导通电流的能力，屏蔽与机壳要电气接触良好，地线要尽量短、截面足够大，进出线要远离，而且滤波器应尽量靠近供电电源。但从制作成本和安装体积考虑，滤波器不可能无限做大，因此安装交流滤波器的方法比较合适于功率容量不大于1000KVA的交流供电电源。

2）交流电源变压器加静电屏蔽

由于电源变压器初、次级间存在分布电容，进入电源变压器初级的高频干扰能通过分布电容耦合到电源变压器的次级。在电源变压器初、次级间增加静电屏蔽后，该屏蔽与绕组间形成新的分布电容。将屏蔽接地，可以将高频干扰通过这一新的分布电容引入地，从而起到抗电磁干扰的作用。此种方法适合大多数的交流电源变压器，应注意静电屏蔽应选择导电性好的材料制作，且首尾端不可闭合，以免造成短路。

3）脉冲电压的吸收

对脉冲电压的电磁干扰可以采用脉冲电压吸收器件来吸收。当脉冲电压吸收器件承受一个高能量的瞬态过电压脉冲时，其工作阻抗能立即降到很低，允许通过很大的电流，吸收很大的功率，从而将电压箝制在允许的水平内。压敏电阻或固体放电管可应用于直流或交流电路。单向瞬态电压抑制二极管应用于直流电路，而双向瞬态电压抑制二极管应用于交流电路。使用脉冲电压的吸收器件时，应选择其额定电压略高于设备的最大工作电压，以保证无脉冲电压时，吸收器件的功耗最少；当有脉冲电压时，其箝位的电压应低于设备的最高绝缘电压，以保证设备的安全；其通流能力应大于脉冲电压所产生的电流。试验站脉冲电压一般多为机械和电子开关（含可控整流/逆变装置）分合时产生的过电压，因此这些方法多用于各种交直流电气柜。

4）直流电源的电磁兼容措施

直流电源普遍采用两种方式提供，一种是直流机组电源，另一种是整流电源。而直流机组电源现在比较常见的励磁方式也是采用整流电源供电，直流机组只不过是将整流电源的电磁干扰进行了放大。因此对整流电路进行高频滤波，即在功率元器件上并联小电容进一步滤掉从变压器进入的高频干扰，可以减少整流电源对外的电磁干扰。同时在所有的直流输出端进行直流退耦，即在直流电源和地之间并联2个电容，大电容滤掉低频干扰，小电容滤掉高频干扰，以便更进一步减少对外的电磁干扰。

2.1.2 电磁辐射

电磁辐射包括试验站设备内部和外部两种电磁辐射源。电气设备中主要的电磁辐射源是大电流、高电压的强功率电路和器件，电压或电流快速变化的电路和器件以及高频电路和器件。

对电磁辐射的电磁兼容设计是，采用电磁屏蔽的方法，即用屏蔽材料将电磁辐射源封闭起来，使其外部电磁场强度低于允许值。电磁屏蔽的技术原理主要有两种：一是反射，二是吸收。电磁场屏蔽一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大，而以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。应当特别注意电磁屏蔽的完整性，特别是电磁场屏蔽，因为它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场干扰的。如果屏蔽体不完整，则涡流的效果降低，导致电磁场泄漏，屏蔽的效果将大打折扣。

2.2 对电磁干扰传播途径的设计方法

通过电机试验站现场的观察与测量，以及电磁干扰传播的可能途径的研究和分析，在电机试验站场地存在以下四种干扰耦合方式，即电路性耦合、电容性耦合、电感性耦合、辐射性耦合。

2.2.1 电路性耦合

当两个试验线路存在公共阻抗时，一条线路的电参数通过公共阻抗对另一条线路的电参数产生了影响。而这种影响造成误动作时，即为通过电路性耦合的途径产生了电磁干扰。公共阻抗主要有共回路导线、共地阻抗和共电源内阻三类。

解决电路性耦合电磁干扰设计方法有：

1）对共电源内阻产生的电磁干扰，可以用不同的电源分别供电的方法，以去除共电源内阻产生的电路性耦合。

2）对共回路导线产生的电磁干扰，可以用对导线阻抗加以限制或去耦的方法，以减低共回路导线产生的电路性耦合。常用方法有增大共回路导线的截面、减小共回路导线的长度、减小来回线之间的距离和降低接触电阻；或者干脆去掉共回路导线，而将不同的回路仅在一点连接。

3）对共地阻抗产生的电磁干扰，可以用降低共地阻抗的方法以去除共地阻抗产生的电路性耦合。正确良好的接地既可以起到很好的人身设备保护作用，又可以将一部分高频电磁干扰引走。但是，不正确的接地方式反而会增加干扰，比如共地线干扰，地环路干扰等等。

对接地电阻的要求是越小越好。因为当有电流流过接地电阻时，其上产生的电压，将产生共地阻抗的电磁干扰。另外，该电压不仅使设备受到反击过电压的影响，而且使操作人员受到电击伤害的威胁。因此，一般要求接地电阻小于4Ω。接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻组成。为此降低接地电阻的方法有以下三种：一是降低接地线电阻，因此要用总截面大和长度小的多股细导线做为接地线。二是降低接触电阻，因此要将接地线通过高导电率的接地螺栓与接地极紧密而又牢靠地连接在一起，并要设法增加接地极与土壤之间的面积与接触的紧密度。三是降低地电阻，因此要设法增大接地极的有效接触表面积和增加土壤的电导率（如在土壤中注入工业盐水）。

2.2.2 电容性耦合

任何两条导体之间都存在着电容。电容值与介质的介电常数和两个导体的有效面积成正比、与两个导体之间的距离成反比。

解决电容性耦合电磁干扰设计方法有：

1）尽可能减小干扰源对地电压幅值和干扰源电压的变化速度。

2）将每条线路的阻抗设计得尽可能的大，并且设法增大使各线路支路之间的阻抗差异值。

3）使线路间的耦合电容尽可能的小，如尽量加大两条线路之间的距离、缩短两条线路的长度、避免两条线路平行布线等。

4）用屏蔽方式切断干扰源和被干扰对象之间的电力线，以避免发生电容性耦合的电磁干扰。屏蔽的方式有如将屏蔽与干扰源基准电位相连；将屏蔽与被干扰对象基准电位相连；或者上述两者都用，其效果更好。但屏蔽时应注意要有完整的屏蔽层，用导电性能好的材料作屏蔽，有良好的屏蔽接地，否则屏蔽的效果降低。

5）当干扰源和被干扰对象的基准电位是互相独立时，可以采用平衡的方法，即使干扰源和被干扰对象的耦合电容平衡，以免除电容性耦合的电磁干扰。平衡的方式有如干扰源和被干扰对象均采用绞合导线等。

2.2.3 电感性耦合

任何两个回路之间都存在着互感。互感值与介质的磁导率成正比，并与两个回路的几何尺寸有关。

解决电感性耦合电磁干扰的设计方法有：

1）尽可能减小干扰源电流的变化速度。

2）尽可能减小两个回路之间的互感值，如尽量加大两个回路间的距离、缩短两个回路的长度、避免两个回路平行走线、缩小两个回路的面积，并减低重合度等。

3）用屏蔽的方式切断干扰源和被干扰对象之间的磁力线，以避免产生电感性耦合的电磁干扰。屏蔽采用铁磁性导体做静态磁屏蔽，采用电导率高的导体感应涡流做动态磁屏蔽。

4）采用平衡的方法，可以减少或免除电感性耦合的电磁干扰。

2.2.4 辐射性耦合

辐射性耦合是电磁场通过空间耦合到被干扰对象的。如被干扰对象是两组导线，它们之间就互为发射/接收电场的天线。

解决辐射性耦合电磁干扰的设计方法有：

1）采用空间分离的方法即把容易相互干扰的设备和导线尽量安排得远一些，并调整电磁场矢量方向，使接收设备耦合的干扰电磁场最低。

2）采用时间分离的方法即将产生辐射的设备和易接收辐射的设备安排在不同的时段工作。

3）采用频率分离的方法即设法使产生辐射的设备和易接收辐射的设备的工作在不同频段。

4）采用屏蔽的措施即用屏蔽材料将被干扰对象封闭起来，使其内部电磁场强低于允许值的一种措施。

2.3 对易被干扰对象的设计方法

通过对电机试验站设备的分析与测量，试验站易被干扰的对象常为两类：一是被试电机，二是控制与测量回路。

2.3.1 被试电机

被试电机作为产品它有自身的技术条件要求，其抗电磁干扰能力不在本文讨论。但仍需指出电机产品试验时良好正确的接地不但能有效可靠的保护人身安全、产品安全和设备安全，同时也能将部分电磁干扰引入大地不会影响电机本身。

2.3.2 控制与测量回路

现代电机试验站必然存在大量的控制系统和测量系统，其中测量单元、控制单元和执行机构都有较强的抗电磁干扰能力，但作为单元和机构之间电气连接通道的测量线路和控制线路也是试验站里面最容易受到主功率线路电磁干扰影响的弱电回路。对于这两种线路最常用的抗干扰方法就是屏蔽接地和电位隔离。

2.3.2.1 屏蔽接地

对线路实施整体屏蔽，即用屏蔽材料将电磁辐射源屏蔽（包裹或隔绝）起来，并将屏蔽体接地，以切断干扰源和被干扰对象之间的电磁力线，降低电磁辐射的干扰。屏蔽体内的线路地线只能一点接屏蔽体，而不得利用屏蔽体作返回导体。

对于使用多层屏蔽电缆的线路，每个屏蔽层应在一点接地，各屏蔽层应相互绝缘。当电缆长度大于工作信号波长的0.15倍时，采用间隔工作信号波长0.15倍的多点式接地。如果不能实现，则至少应将屏蔽层两端接地。

屏蔽接地按工作频率采用不同的接地方式。对于工作频率低于1MHz的低频线路采用单点式接地。多个电路的单点式接地又分为串联和并联两种，由于串联接地产生共地阻抗的电路性耦合，所以低频线路最好采用并联的单点式接地。对于工作频率高于30MHz的高频电路采用多点式接地。多点接地时，尽量找接近的低阻值接地面接地。对于工作频率介于1～30MHz的电路采用混合式接地。当接地线的长度小于工作信号波长的1/20时，采用单点接地式，否则采用多点接地式。

为防止工频和其它杂散电流在信号地线上产生干扰，信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘。并且只在功率地、机壳地与大地连接的安全接地螺栓上相连。

2.3.2.2 电位隔离

电位隔离分为机械、电磁、光电和浮地几种隔离方式，其实质就是人为地制造电的隔离，以阻止各种耦合产生的电磁干扰。

机械隔离——采用继电器来实现，其线圈接收信号，机械触点发送信号。机械触点分断时，由于阻抗很大、电容很小，从而阻止耦合产生的电磁干扰。缺点是线圈工作频率低，不适合于工作频率较高的场合使用。而且存在触点通断时的弹跳和干扰以及接触电阻等。

电磁隔离——采用变压器来实现，通过变压器传递电信号，阻止耦合产生的电磁干扰。对于使用交流电源的场合较为方便实用，由于变压器绕组间分布电容较大，所以使用时应当与屏蔽和接地相配合。

光电隔离——采用光电耦合器来实现，通过半导体发光二极管（LED）的光发射和光敏半导体（光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等）的光接收，来实现信号的传递。光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合器输入端的干扰电压较小，而且一般干扰源的内阻较大，它所能提供的电流并不大，因此不能使发光二极管发光。光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响。光电耦合器的隔离电阻很大（约1012Ω），隔离电容很小（约数pF）能阻止耦合产生的电磁干扰。只是光电耦合器的隔离阻抗随着频率的提高而降低，抗干扰效果也将降低。

浮地——此外，还有一种浮地方式，即该线路的地与大地无导体连接。浮地可使功率地（强电地）和信号地（弱电地）之间的隔离电阻很大，所以能阻止共地阻抗耦合产生的电磁干扰。其优点是该电路不受大地电性能的影响。其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。