电气调试中规避电磁干扰的检测方法研究

中国水利水电第十二工程局有限公司 李文跃

电气调试中常出现电磁干扰（Electromagnetic Interference），这是干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音，通常由电磁辐射发生源如马达和机器产生[1]。其中，信息通道干扰和空间辐射干扰均会对电气设备产生严重破坏。为此，进一步分析电气调试中规避电磁干扰的检测方法显得尤为重要且必要。

1 电磁干扰危害

1.1 信息通道干扰

电磁干扰首先是对信息通道产生危害，电子电路信号在信息通道内存在信号干扰时，相当于阻碍了信息传递过程。电磁干扰通过电路设备导线传播，而且干扰源难以自行消退。同时，电磁干扰在各种元器件之间传播时，干扰范围会伴随传播距离延长而逐渐增大，最终产生了阶梯式的电磁干扰破坏[2]。当信息通道受到电磁干扰影响时，电气设备中绝大多数导线和元器件都会受到不同程度的影响，而且也会对电气设备电源产生微小影响。所以，在信息通道上的电磁干扰最终影响的是整个电气设备的内部电路。如果发生信息通道干扰，电气设备通常都会出现自激振荡，干扰持续加重的情况下电气设备系统瘫痪也是在所难免。

1.2 空间辐射干扰

空间辐射干扰对电气设备也有同样等级的破坏力，而且也是电磁干扰的主要形式之一。空间辐射干扰的传播机制与信息通道干扰类似，也是通过电气设备内部导线完成干扰传播。具有传播范围大、影响程度高且对电气设备产生较大危害以及难以完全规避和消除的特点。电气设备正常工作状态下，如果空间辐射干扰持续加剧，无疑对电气设备的使用寿命会产生危害[3]。而且空间辐射的传播途径较信息通道干扰更广，空间辐射除了可以通过导线传播干扰源，同时可以在设备内形成空间传播，往往在极短时间内便可干扰到电气设备的所有元器件，所以相对的危害性也会更大。空间辐射干扰范围扩大到电源电路、信号电路、控制电路等多方面。

如果从干扰范围和影响力来看，空间辐射干扰也可以划分为两种类型，分别为近耦合干扰、远辐射干扰。一方面近耦合干扰属于空间辐射干扰中对近距离元器件产生的局部干扰，通过对电磁能量所产生的不同途径来干扰相关设备，因其具有耦合性，所以不易被快速检测和发现。另一方面，远辐射干扰的影响范围更大，因为干扰距离延长，所以在电气设备中的每一条导线都有可能成为其干扰源。依据麦克斯韦方程组的计算原理，当磁场变化并产生电场时，电场也会加速磁场生成。因电场和磁场产生交变特性，所以对电气设备的远距离元器件也会产生干扰。

2 电气调试中电磁干扰检测方法

2.1 观察法和比照法

观察法是最为普遍的检测方法，检测人员直接观察电气设备的运行情况。如当观察到熔丝熔断、冒烟、跳火等现象时，可以采取逐步加压的方式对电气设备进行检验，在通电状态下判断电气设备是否存在电磁干扰问题。

比照法是在调试电气设备时找到一个标准的运行方案参数，可以是测试设备以往时期的运行数据，包括电压、电流、波长、电波频率等方面的基础数据。通过对这些数据进行对比，可以发现潜藏在电气设备中的电路电磁干扰问题，可以在一定程度上判断产生电磁干扰的原因。

2.2 分割法和信号追踪法

电气设备发生空间辐射电磁干扰时，并不一定能够判断电磁干扰的范围。尤其远辐射干扰更难判断受到干扰的元器件距离，故而采取分割法将电子线路板内各部分插件分离开来，而后逐一检测这些元器件的运行情况。如在电气设备电源短路的情况下，需要将电游负载分区切断，找到容易产生电磁干扰的主要测试线路和关键点，逐步缩小电磁干扰的检测，最终找到已经失去原有功能的电器元件，从而进一步明确产生电磁干扰的部位。

信号追踪法主要是利用示波器，对电气设备运行状态下的频率信号进行检测，在电路端部输入频率信号后，再遵循信号级别对波形进行观察，进而实现对电磁信号波形变化的实时监测。电磁信号增强时，示波器可以观察到峰值，并对产生电磁干扰的信号源进行追踪，那么也就能够对电流回路中的电磁信号状态做出追踪判断。所以，信号追踪法在检测电气设备中的电磁干扰时，具有较强的实效性，也是电气动态调试最为普遍的检测方法之一。

2.3 旁路法和补偿法

旁路法是在检测电气设备时，对满足标准规格的电子元器件进行短路测试，观察电气设备在部分元器件短路后是否能够正常运行。如果元器件发生短路后，电磁波完全消失，则代表该部分元器件是电磁干扰源头，那么也就排除掉其他未短路元器件的嫌疑。但是此类检测方法的覆盖范围较广，需要对所有元器件逐一排查，所以相对的检测效率较低。

在电气设备调试过程中检测电磁干扰问题，通常也会采取补偿法。补偿法主要是通过对电气设备在运行状态下产生的振荡现象作出判断，可以提前选取检测位置，让电容器接地短路。而后再观察振荡现象是否完全消失，从而判断电磁干扰位置是否找到。如果电气设备的振荡完全消失，则说明短路部位的电容器是电磁干扰的主要部位。

2.4 射频法和三维有限元法

利用射频法对电气设备进行电磁干扰检测，主要是对大功率变压器设备进行电磁干扰诊断，由于电磁干扰环境在系统开发过程中被认为是一个主要问题，所以新的检测方法利用外部射频传感器来检测外部脉冲干扰，消除干扰触发的捕获，并确保所需脉冲信号的直接实时可视化。通过在变压器中注入人工脉冲信号，验证了弱信号检测的能力。利用定位技术对信号源进行估计，验证了所开发的检测方法。尽管存在强烈的电磁干扰，在主变压器全运行期间，仍能检测到所需的脉冲信号并进行定位。

采用三维有限元法对电磁干扰信号进行检测，提出了一种简化的磁路检测方案。该电路由两个半径径环形钕铁硼磁体组成，由于不需要磁轭，所以结构简单、重量轻。采用单霍尔传感器测量电磁干扰的信号通道，为无损检测电源设计了性能稳定检测方法，不仅能抵抗电压跌落，而且输出噪声也大幅下降。三维有限元法提高了电磁干扰信号的信噪比，改善了信号调节和处理的电路通道，以提高信号在漏磁数据中的检测能力。该新型小型FSWR无损检测系统，实现了强电磁干扰环境下的在线检测，对于直径1.5mm的钢丝绳，由19根导线绞合而成的试验，可识别出半根导线上的坑损。

3 电气调试中规避电磁干扰的检测设备

3.1 高频电磁场分析仪

某品牌发布的EMF-819高频电磁场分析仪，采用三轴天线接收感应器，具有警报设置功能，可锁存峰值。警报设置功能可以在测量天线距离强辐射源太近的情况下发出警告，蜂鸣器报警提示也主要是针对高频电磁干扰的识别设备[4]。EMF-819所采用的三轴探针，射频范围可以控制在50MHz至3GHz以内，用于监视宽大范围射频电磁场变化的效果非常突出。

从检测电磁干扰的精度来看，仪表本身附带了一个高频探头，频率组具有两点选择，标准或2.45GHz。警报设置功能可以在测量强辐射源时提前发出预警，而且在发出预警时也会记录下电磁干扰峰值。检测数据可保持在当前读数，通过液晶显示屏直接观测到电磁干扰数据。

3.2 kh3935型EMI测试接收机

某品牌kh3935型EMI测试接收机，检测频率范围能够达到9kHz至30MHz，而且检测频率分辨率可控制在（9kHz～150kHz）30Hz和（150kHz至30MHz）1kHz范围之内。使用kh3935型EMI测试接收机可以可设定扫描范围、步长以及电平门限，具有全自动和手动两种操作模式。

kh3935型EMI测试接收机是全自动的测试接收机，是进行电磁干扰的主要检测工具。kh3935型接收机频率范围更大，配置人工电源网络后可以直接完成电源端子骚扰电压测试，而且相对的测试速度更快，可操纵性更强，性能稳定，测试数据处理方便等优点。kh3935型接收机使用了usb接口进行数据传输，外部接口设备可通过打印机或终端显示设备传输检测结果，支持即插即用多种外部测试设备。而且kh3935型EMI测试接收机可以独立完成对电气设备电磁干扰情况的检测，无需外加其他控制设备对其进行控制操作，从根本上解决了干扰源复杂多变不好判断的问题。

kh3935型EMI测试接收机可以对电气进行扫描粗测，同时测出峰值和平均值的两条曲线，也可以完成单测平均值或峰值的曲线。对超标的频率点进行自动的准峰值测量，还可以观察单个频率点准峰值的动态变化，直观的图形化能量条显示终端测试电压值，并具有最大值保持功能。同时，可任意设置、修改不同标准的限值，方法简单且功能完善。根据不同的配件选择传导因子仪器自动对数据进行数据处理，且仪器可以对每个频段测出一个最大点的准峰值和平均值，也可以通过人为选点进行准峰值和平均值的终测。仪器给出结果的电磁干扰检测报告可以加入测试人员的信息，并以电子版报告形式保存，报告上传网络后存储时间无限延长。

3.3 电磁辐射干扰自动检测设备

电磁辐射干扰自动检测测试设备，可以测试电气设备抗电磁辐射干扰情况。场强测量误差小于±4dB，中频衰减不小于40dB，镜像波道衰减不小于35dB，检波前过载系数可以达到30dB，检波后直流放大器≥12dB。因此，电磁辐射干扰自动检测设备可以进行CISPR1CISPR2以及相应国标规定的各类电气设备的辐射扰测试。辐射扰测试系统满足CISPR16-1-1/-2/-3/-CISPR16-2-1/-2/-3/-IEC61000-4-3等标准的辐射抗扰度自动化测试对电磁兼容性（EMC）测试系统的全部要求。

电磁辐射干扰自动检测设备的检波器时间常数平均值充放电时间常数小于1ms，准峰值充电时间常数1ms，放电时间常数160ms±10ms，所以相对的检测速度更快且准确度更高。检测人员对电气设备定位后，用支撑架撑起电磁辐射干扰自动检测设备，防止设备试验时脚轮受到震动后移位。如在检测过程中传出意外响声，需及时检查设备运行情况，待查出故障彻底解决后方可后重新开机，以免影响设备使用期限。

电磁辐射干扰自动检测设备符合EMC规范标准，EMC规划与电磁干扰测试是相辅相成的，前期规划决定后电气设备是否能够达到较高的抗电磁干扰标准。只有在电气设备EMC规划全过程中，实时检测电气设备的抗电磁干扰能力，有效评估EMC相容性，才能及早发现或许存在的电磁干扰，并采纳必要的和防护办法，然后确保体系的电磁兼容性。否则，当电气设备设计方案定型后再发现电磁不兼容问题时，需要更多人力、物力用于对电磁干扰的检测及对电气设备的调试。EMC电磁兼容测试实验室对测试电气设备进行抗电磁干扰检测，实际上是将检测步骤提前，预测电气设备的抗电磁干扰能力。这对于提高电气设备使用寿命，防止强电磁干扰均具有积极作用。

4 电气调试中规避电磁干扰的常规处理方法

4.1 信号通道干扰处理方案

信息通道干扰在较多电气设备中都会发生，电路低频率自激振荡也是导致系统瘫痪的主要原因。在处理方式上，应当结合信号通道干扰特点，采取光电耦合传输处理方案，或者是双绞线传输的处理方案。

一方面光电耦合传输的电磁干扰处理方案，主要是根据不同电路特点，甄选适合的光电耦合器，利用其电磁信号的传输特性，提高信号传输速度，在最大传输速率的情况下利用光电耦合传输来防止空间电磁干扰。

另一方面，双绞线传输的电磁干扰处理方案，主要是在原有的电气设备布线方案上增加传输介质，通过双绞线传输来增强电路系统的抗干扰能力。这种处理方案能够提高电气设备在强干扰环境下的适应力，其抗干扰能力远比同轴电缆好，运用这种介质也是防范信号通道干扰的主要措施。

4.2 地线干扰源处理方案

电磁干扰在地线之间表现得更为明显时，需要对电气设备采取相应的保护措施，从地线干扰源处理方案来看，应当采取单点接地、多点接地以及数字接地和模拟接地的处理方式。首先，单点接地主要是将地线接到一点上，造成无线环流，接地点产生低阻抗，地流影响下电流小、电压小，对于相近电路检测具有明显效果。可以通过单点接地的方式，判断检测线路是否存在电位差小而产生电磁干扰的现象。其次，多点接地与单点接地不同，主要是用宽铜皮镀银材质将阻抗降到最小，从而判断多路线路接地母线上的电磁干扰现象是否明显。所有的地线都在接地母线上，直接与直流电源连接，形成了工作接地点，可判断电磁干扰源是否在测试线路中。最后，数字接地和模拟接地是一种模仿电磁干扰现象的接线方式，用两种整流电路来供给数字信号和模拟信号，通过光耦合来判断地线之间是否产生了电磁干扰。

5 结论

综上所述，在电气设备产生电磁干扰时，危害主要是信息通道干扰和空间辐射干扰对电气设备造成的破坏。在信息通道上的电磁干扰最终影响的是整个电气设备的内部电路，电气设备出现自激振荡，干扰持续加重最终造成系统瘫痪。空间辐射的传播途径较信息通道干扰更广，在设备内形成空间传播，往往在极短时间内便可干扰到电气设备的所有元器件。针对电磁干扰的检测方法主要是观察法、比照法、分割法、信号追踪法、旁路法、补偿法、射频法、三维有限元法等。电气调试中规避电磁干扰的检测设备可以应用高频电磁场分析仪，或者选用kh3935型EMI测试接收机和电磁辐射干扰自动检测设备。