智能建筑电磁兼容问题的布线对策

2018-04-24黎威

现代建筑电气 2018年3期

黎威

[华蓝设计(集团)有限公司, 广西南宁 530011]

0 引言

智能建筑集结构、系统、服务、管理以及其之间的最优化组合,向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境。相比于传统建筑,智能建筑的核心优势是信息化、自动化和能源的高效利用,而随着建筑智能化水平的提高,智能建筑内电力电子设备电磁兼容问题日益凸显,已成为影响系统正常工作的一个重要因素[1-2]。

1 电磁兼容

电磁兼容(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行,并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰能力。因此,EMC包括两个方面的要求:一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值;另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度,即电磁敏感性。

建筑物内EMC问题仅在十多年前才出现,作为敏感源的灵敏电子信息设备的应用不多,而作为骚扰源的变频空调、变频器、信号发射设备等产品在建筑物内应用较少,对建筑物配电系统和设备的影响一般很小。随着人们对办公、居住的舒适性、智能性要求的提高,智能建筑大量出现在住宅、办公、生产企业、公共设施等各行业中,这些智能建筑中应用大量的电力电子设备及元件(有的是骚扰源,有的是敏感源,还有的则是二者兼备),这些设备的核心元器件均基于微处理器,对电磁干扰和电能质量都非常敏感。很多设备对建筑物本身或进驻建筑物内的机构和企业都至关重要。因此,智能建筑由于电磁兼容问题而使设备不能正常工作,引起的后果非常严重[3]。

1.1 电磁兼容问题

智能建筑中出现的电磁兼容问题,常表现以下现象:

(1) 设备之间相互干扰,变频器工作时周围的电子设备不能正常工作;邻近的大型电机工作时自动控制系统、可编程控制器(PLC)等出现故障;变频器驱动的交流电机、电机的定子绕组频繁损坏,轴承寿命缩短;直流电机对周围的电子设备形成干扰。

(2) 设备在环境中出现故障。在雷电天气,电子设备损坏;在气候干燥的季节,人体带有静电,导致接触电子设备误动作或设备损坏;数字控制设备、PLC等误动作,存储数据丢失。

(3) 配电系统故障。配电系统中的变压器、电缆在没有达到额定负荷时过热;三相负荷平衡,但中性线上的电流很大,甚至达到相电流的150%;保护装置在没有达到预定条件时出现保护动作;无功补偿装置频繁损坏,或不能正常投切。

以上这些现象有一个共同特点,即设备之间或设备与配电系统之间产生不良的影响,导致一方不能正常工作。

1.2 电磁兼容问题的3要素

任何一个电磁兼容问题都存在3要素,即骚扰源、耦合途径、敏感源。所以,在解决电磁兼容问题时要从这3要素入手,消除某一要素,就能解决电磁兼容问题。

(1) 骚扰源。智能建筑装备的大量电力电子设备中,常见的各种骚扰源有无线电频率发射装置(如无线通信系统中的设备、无线电话、遥控装置等)、电气设备(如大功率空调机组、水泵、风机、办公设备、大监视器等)、电力系统、雷电、静电放电等。

(2) 敏感源。常见的敏感源有:无线电与电视接收设备、雷达、无线电通信系统,模拟系统(如传感器、测量采集系统、监视器、放大器等),数字系统(如计算机、计算机通信、外围设备)。

(3) 耦合路径。耦合路径是指将骚扰源能量传递到敏感源的路径。智能建筑中强、弱电布线系统构成最主要的干扰耦合路径。理解这种耦合机理对解决电磁干扰十分重要。布线系统充当网络耦合路径的示意图如图1所示。

图1 布线系统充当网络耦合路径的示意图

布线系统充当耦合介质,骚扰源发射的谐波电流、射频噪声电流等流过布线系统的阻抗时形成谐波电压、射频噪声电压,这些电压施加到敏感电子设备上会出现故障。

2 布线对策

在解决智能建筑电磁兼容问题的过程中,耦合路径是一项关键工作。当建筑物内的骚扰源和敏感源都清楚时,解决电磁兼容问题的关键是切断或削弱骚扰源和敏感源之间的联系。布线系统(配电网和弱电布线系统)是智能建筑内最主要的干扰耦合路径。通过以下方面对智能建筑内部的布线系统采取针对性的对策,消除或减少智能建筑内的电磁兼容问题。

2.1 线缆型式的选择对策

线缆材质的性能是影响电磁兼容特性的重要因素。对于大功率设备(如中央空调机组、大电机),其配电回路应直接从变电所低压配电盘引出,并强烈建议采用母线槽配电。母线槽金属外壳具有屏蔽作用,其辐射电磁场的水平比标准电缆或导线低80%～90%。对于敏感设备,采用屏蔽电缆连接是消除电磁干扰的较好选择,但采用屏蔽电缆时须确定如何进行屏蔽连接(接地形式、连接线、电缆入口等),否则效果会大大降低。而在有严重电磁干扰环境中的弱电系统线缆,强烈推荐使用光纤。

2.2 电缆通道的选择对策

智能建筑布线系统的通道从材质上分有非金属通道和金属通道两种,这两种电缆通道在智能建筑中都是可用的。

非金属电缆通道主要适用以下场所:连续和低的电磁环境,低发射水平的布线系统,应当避免使用金属电缆通道的环境(如腐蚀环境、化学环境),光纤系统。显然,非金属电缆通道在智能建筑内的应用环境是局部的,尤其对智能化程度高的建筑更是如此。

金属电缆通道适用于智能建筑内大部分场所,能提供较好的电磁兼容特性,决定金属电缆通道阻抗特性的是其形状(平型,U型,管型等),而不是截面积,封闭型通道优于开启型通道,能减少共模耦合。各种金属电缆通道的电磁兼容性能如图2所示。

图2 各种金属电缆通道的电磁兼容性能

槽型金属电缆通道防外部电磁场范围如图3所示。从图3可以看出,U型金属电缆通道两个角落的电磁场减少,因此为避免电磁干扰,尤其对模拟和数字信号线路而言,应尽量采用深槽型金属电缆通道,且电缆通道内敷设的电缆数量不应超过电缆通道满量的50%,如果采用平浅型金属电缆通道,则最好采用光纤。

图3 槽型金属电缆通道防外部电磁场范围

当金属电缆通道是由许多短段组成时(如电缆桥架),要正确连接各个部分,以确保整个通道的连续性,且应确保各短段接触面能传导电流。总之,金属电缆通道(电缆托盘,导管,电缆桥架等)应从头到尾提供连续的、导电的金属结构。

正确利用等电位联结的金属线槽,可在很大程度上改善内部的电磁兼容环境,金属电缆通道的两端应就近接至接地极。对于很长的金属电缆通道,建议在连接电器之间增加至接地系统的附加连接,如有可能时这些接地连接之间的距离无规律,可避免相同频率谐振,所有连接至接地系统的连接线应短些。

2.3 电缆敷设的对策

建筑物内电子设备的敏感性大部分决定于连接的电缆系统。智能建筑的电缆敷设应按照电磁兼容的规定执行。

对于电磁兼容,将大电流电缆和小电流电缆进行分隔很重要,特别是对没有屏蔽或有屏蔽但未连接到外露可导电体的小电流电缆更重要。假如没有分隔,电磁耦合达到最大,在这样的条件下电子设备会通过连接它们的小电流电缆而受到电磁干扰。在实际工程运作中,电缆分隔有两种方式,一方面,大电流电缆和小电流电缆最好选择不同的电缆通道进行敷设,另一方面,如果两种电缆必须共通道敷设,它们之间也要保持一定的电缆间距。通常情况下,干扰电缆(主电力线)与敏感电缆(模拟测量线路和数字控制线路)之间须有一定的间距,电缆之间分开10 cm的距离平行敷设于金属板上能满足最低要求(用于共模和差模两种情况)。假如有足够的空间,不同类型的电缆之间平行敷设最好保持30 cm的间距。金属电缆通道内的电缆组安装示意如图4所示。