电磁兼容典型案例分析.ppt

第第9 9章章 电磁兼容电磁兼容 案例分析案例分析 1 9.1 防雷保护案例分析 9.1.1 雷电的产生及其对电器设备的危害 l雷电的产生 p形成雷暴的积雨云常有大量冰晶，云内垂直方向 的热力对流发展旺盛，不断发生起电和放电（闪 电）现象，其机制十分复杂。 p在放电过程中，闪电通道上的空气温度骤升，空 气中水滴汽化膨胀，甚至还有电离现象产生，短 时间内空气迅速膨胀，从而产生了冲击波，导致 强烈的雷鸣（打雷）。 p由于云中的电荷在地面上引起感应电荷，使云底 与地面之间形成 “ 闪道 ” 。当电荷积累和其他条 件 （如突出的建筑物、孤立的烟筒和旷地上的人 等等）具备时，就会发生闪电击地，即雷击，造 成雷电灾害。 2 l雷电对电器设备的危害 雷电对电气设备的影响，主要由以下四个方面造 成：直击雷；传导雷； 感应雷；开关过 电压。 直击雷：雷电直接击中建筑物，雷电的不到50% 的能量将会从引下线等外部避雷设施泄放到大地 ，其中接近40%的能量将通过建筑物的供电系统 分流，其中5%左右的能量通过建筑物的通信网络 线缆分流，其余的雷击能量通建筑物的其他金属 管道、缆线分流。 3 传导雷（雷电波侵入）：在更大的范围内（几公 里甚至几十公里），雷电击中电力或信息通讯线 路，然后沿着传输线路侵入设备。 感应雷（雷电波感应）：在周围1000公尺左右范 围内所有的导体上产生足够强度的感应浪涌。因 此分布于建筑物内外的各种电力、信息线路将会 感应雷电而对设备造成危害。 雷击所造成的破坏性后果体现于下列三种层次： 设备损坏，人员伤亡；设备或元器件寿命降 低；传输或储存的信号（模拟或数字）、数据 受到干扰或丢失，甚至电子设备产生误动作而造 成系统暂时瘫痪或整个系统停顿。 4 9.1.2视频监控系统防雷保护方案 l方案设计说明 系统防雷方案包括外部防雷和内部防雷两个方面: （1） 外部防雷包括避雷针、避雷带、引下线、接 地极等等，其主要的功能是为了确保建筑物本体 免受直击雷的侵袭，将可能击中建筑物的雷电通 过避雷针、避雷带、引下线等，泄放入大地。 （2） 内部防雷系统是为保护建筑物内部的设备以 及人员的安全而设置的。将因雷击而使内部设施 所感应到的雷电流得以安全泄放入地，确保后接 设备的安全。 5 l方案设计思想 直击雷的外部防护措施 接闪器 避雷针及其变形产品避雷线、避雷带、避雷网等 统称为接闪器。一定高度的金属导体会使大气电 场畸变，这样雷云就容易向该导体放电，并且能 量越大的雷就越易被金属导体吸引。这样接闪器 的防雷是因为将雷电引向自身而防止了被保护物 被雷电击中。 引下线 引下线的作用是将接闪器闪接的雷电流安全的导 引入地 6 接地体 接地体是指埋在土壤中起散流作用的导体 接地汇集线的布置 接地汇集线（汇流排）应布置在靠近避雷器的地 方，以使避雷器的接地连接线最短，各楼层的分 汇集线应直接与楼底的总汇集线相连，这样能保 证实现单点接地方式。 感应雷的防护措施 感应雷可通过两种不同的感应方式侵入导体： 静电感应：在雷云中的电荷积聚时，附近的导体 也会感应上相反的电荷，当雷击放电时，雷云中 的电荷迅速释放，而导体中原来被雷云电场束缚 住的静电也会沿导体流动寻找释放通道，就在电 路中形成电脉冲。 7 电磁感应：在雷云放电时，迅速变化的雷电流在 其周围产生强大的瞬变电磁场，在其附近的导体 中产生很高的感生电动势。研究表明：静电感应 方式引起的浪涌数倍于电磁感应引起的浪涌。 等电位连接 各种系统的防雷要求种类很多，但其防雷思想是 一致的，就是努力实现等电位。 l防雷方案设计依据 (1) 建筑物防雷设计规范 GB50057-94 (2) 电子计算机机房设计规范 GB50174-93 (3) 民用建筑电气设计规范 JGJ/T16-92 (4) 计算站场地安全要求 GB9361-88 8 (5) 计算站场地技术文件 GB2887-89 (6) 计算机信息系统防雷保安器 GA173-1998 (7) 雷电电磁脉冲的防护 IECI312 (8) 微波站防雷与接地设计规范 YD 201193 (9) 通信局（站）接地设计暂行技术规定 YDJ26E9 l综合防雷方案设计 前端设备的防雷 传输线路的防雷 终端设备的防雷 9 具体保护措施-各部分防雷设备的安装 在监控中心机房各终端设备设备的前端， 安装通流容量10KA电源防雷器若干套，作 为监控中心机房内各终端设备电源第三级 的防雷防护，具体防雷器数量根据终端设 备数量决定。 10 9.1.3 通信线路的雷电过电压及抑制措施 l通信装置遭受到雷害有两种： 感应雷雷害：当落雷到通信设施附近的场所时， 就会产生一个强电磁场，就有在通信线路上感应 一个非常高的感应电压。 直击雷雷害：当落雷到天线铁塔或者建筑物顶的 避雷针时产生的一部分雷电流直接流入通信装置 ，由于产生的电位差而损坏通信装置。 l对这些雷害的基本保护措施是： 1.等电位法，2.旁路法， 3.隔离法。 11 通信中心大楼的直击雷的防雷措施 一种方法是集成接地法，尽可能分散侵入 通信装置的雷电流。 第二种接地方法称为隔离接地法，以隔离 作为重点的接地方法，以便使雷电流不得 侵入大楼内。 12 9.1.4 油库及汽车加油站系统防雷设计 l汽车加油站的环境特点 地理位置：加油站通常设在城区开阔地带或郊区 、山区、乡村、高速公路等道路边的开阔地带； 电源系统：一般加油站的380V交流供电线路是架 空明线接入至站区附近再地埋引入建筑的，部分 加油站是由10KV电力线架空接入，经变压器后再 地埋引入建筑的。 通信网络系统：引入加油站的ISDN等通信线路通 常也是由户外架空明线引入的，并且通常未安装 专用电涌保护器（SPD）做雷电防护措施。 13 l汽车加油站直击雷防护设计 站区的防雷设计 油罐区的防雷设计 引下线的设计 地网的设计 l电源配电系统雷电防护设计 外来导体的布置 电源系统电涌保护器的布置和选择 电涌保护器的布置原理：尽量通过多级钳位使残 压逐步降低，以有效地抑制外来雷电波入侵和雷 电电磁脉冲的危害。 14 电涌保护器的选择 A、动作电压的选择 变压器低压侧的电涌保护器其三相电压为动作电压 ；U0 = 400V B、电涌保护器的通信容量选择 加油站电源系统设计方案 电源一级防雷： 应在380V低压总配电箱安装标称通流容量25KA 的10/350s波形的开关型模块式电源电涌保护器, 用于整个加油站所有用电设备的第一级电源防护 。 15 电源二级防雷 电源三级防雷 l信号系统保护方案 应在从营业厅液位仪检测仪引出的液位仪控制线 上安装额定负载电流11.5A的大功率特殊信号 电涌保护器，用于液位仪检测仪信号线路的保护 。 应在从营业厅加油机总控制线上安装精密的控制 信号电涌保护器，用于加油机总控制线路的保护 。 应在PSTN拨号网络通讯线MODEN前和电话通讯 系统进线端分别安装电话线路通信线电涌保护器 ，用于各设备网卡及电话通信线路的防雷保护。 16 9.2电子元器件电磁兼容案例分析 9.2.1 电子元件的防静电损坏措施 l静电放电 静电放电（ESD）是大家熟知的电磁兼容问题， 它可引起电子设备失灵甚至使其损坏。当半导体 器件单独放置或装入电路模块时，即使没有加电 ，由于静电放电的原因也可能造成这些器件的永 久性损坏。对静电放电敏感的元件被称为静电放 电敏感元件（ESDS）。 17 l实际问题解决 问题的解决包括：如果静电放电敏感元件（ESDS ）在生产和维护期间暴露在外面，那么在这些元 件附近，应防止电荷的积累，并且在运输和保管 过程中，将这些元件按防静电放电的方法包装。 l静电放电保护区域（EPA） 静电放电保护区域（EPA），有时指安全操作区 ，是任意一种静电放电控制措施的核心所在。 典型的静电放电保护区如下图所示。该图给出了 各种可能的措施，但并没有必要全部使用这些措 施，这主要由特定的环境决定。 18 19 l安全性 EPA内一般有加电的工具和设备。在这种环境中 ，将单个物件或设备直接连接到地是很危险的。 20 正是由于此原因，腕套接地导线、转轮及脚趾带 箍的连接处均要串入一只不低于1M的电阻。有些 腕套接地导线的每端均有一只这样的电阻，因此 ，即使腕套接地导线接在加电维修的产品的带电 接线端，也不会有危险。 l运输与存放 运输带引脚的元件时，通常使用导电泡沫材料。 这可以防止元件引脚间出现较高的电势差，对于 双列直插式封装的元件，在散装运输过程中常采 用静电损耗性管。 对于线路板组件，当位于静电放电保护区外时， 应将其置于静电屏蔽袋或导电搬运箱内进行运输 。 21 9.2.2直流放大器电磁兼容分析 l故障现象和原因分析 故障现象： 某直流放大器在进行GJB151中的CS06试验时， 放大器出现饱和现象而失效。 故障原因分析： 该直流放大器安装在一块线路板上，为了安装方 便，整块线路板通过一条电缆与其它电路模块连 接起来，如下图所示。 22 23 由于电缆中导线平行，因此导线之间的寄生电容 较大。由于放大器的输入线与输出线之间也有较 大的寄生电容，因此放大后的输出信号又被耦合 到输入信号线上，结果形成正反馈，导致放大器 饱和而失效。 l解决措施 要解决这个问题可以有两个方案： 首先可以将导线分开，减小导线之间的寄生电容 ，特别是将电源线与放大器的输入线分开，这样 可以避免试验脉冲的能量耦合进放大器的输入端 。 另一个办法是压缩放大器的频带，使放大器对耦 合进输入端的高频信号没有响应。 24 9.2.3 变频器应用中的干扰问题及其对策 l变频器干扰的来源 晶闸管换流设备对变频器的干扰 电力补偿电容对变频器的干扰 l干扰信号的传播方式 电路耦合方式 感应耦合方式 空中幅射方式 l变频调速系统的抗干扰对策 25 干扰的隔离 所谓干扰的隔离，是指从电路上把干扰源和易受 干扰的部分隔离开来，使它们不发生电的联系。 设置滤波器 在系统线路中设置滤波器的作用是为了抑制干扰 信号从变频器通过电源线传导干扰到电源电动机 。 输入滤波器 通常又有两种： 线路滤波器：主要由电感线圈构成。它通过增大 线路在高频下的阻抗来削弱频率较高的谐波电流 。 辐射滤波器：主要由高频电容器构成。它将吸收 掉频率很高的、具有辐射能量的谐波成分。 26 输出滤波器：也由电感线圈构成。它可以有效地 削弱输出电流中的高次谐波成分，不但起到抗干 扰的作用，而且能削弱电动机中由高次谐波谐波 电流引起的附加转矩。 屏蔽干扰源 屏蔽干扰源是抑制干扰的最有效的方法。 接地 正确的接地既可以使系统有效地抑制外来干扰， 又能降低设备本身对外界的干扰。 采用电抗器 交流电抗器 串联在电源与变频器的输入侧之间。 直流电抗器 串联在整流桥和滤波电容器之间。 27 合理布线 对于通过感应方式传播的干扰信号，可以通过合 理布线的方式来削弱。具体方法有 （1） 设备的电源线和信号线应量远离变频器的输 入、输出线。 （2） 其他设备的电源线和信号线应避免和变频器 的输入、输出线平行。 28 9.4 开关电源中电磁干扰的抑制 9.4.1 180W开关电源的电路结构分析与电磁 干扰测试 l主电路与结构布局分析 29 30 l电磁干扰测试 下表所列为测得的721次谐波电流的数值，其中 11、15、17次谐波电流都超标。 31 下图为测得的传导干扰超标现象。 32 辐射骚扰预测结果在3050MHz和100MHz处超出 限值，如下图所示。 33 9.4.2 电磁干扰的抑制 l谐波电流的抑制 采用功率因数校正可以解决谐波电流超标的问题 。 l传导骚扰的抑制 输入滤波器是为变换器的电磁骚扰电平和外界的 电磁骚扰源设计的一种低阻抗通道（即低通滤波 器），以抑制或去除电磁骚扰，达到电磁兼容的 目的。输入滤波器的组成见下图： 34 l辐射骚扰的抑制 从电磁骚扰源产生的机理入手，查找辐射骚扰源 的所在，从根本上降低其产生辐射骚扰噪声的电 平。 35 9.5 通信网络及电力线路中的干扰及其解决方 案研究 9.5.1 无线通信系统频率干扰及其解决方案研究 l频率干扰原理分析 工作于不同频率的系统间的共存干扰，本质上都 是由于发射机和接收机的非完美性造成的。通常 ，有源设备在发射有用信号的同时，由于器件本 身的原因和滤波器带外抑制的限制，在它的工作 频带外还会产生杂散、谐波、互调等无用信号， 这些信号落到其他无线系统的工作频带内，就会 其他系统形成干扰。 36 l无线通信系统频率干扰情形 无线干扰基本情形 37 GSM1800、PHS、SCDMA、TD-SCDMA、 CDMA2000、WCDMA等无线系统的频段直接相 邻或重合，难以避免之间的相互干扰，而UWB的 超宽带的特点也会造成干扰。 移动通信系统干扰 移动通信系统中的各种干扰一般可以分为小区内 的干扰、小区间的干扰、不同通信制式之间的干 扰、不同运营商之间的干扰、系统设备造成的干 扰等。 38 l干扰解决方案 基本技术类方法 从具体技术角度分析，小区内干扰可以采 用设计正交性好的多址码、上下行链路同 步、纠错编码、功率控制、分集接收/发送 、联合检测、智能天线、空时处理等信号 处理技术加以改善或解决。而小区间的干 扰以及TDD与FDD系统间的干扰，可以从 物理层技术方面考虑，也可以从高层的无 线资源管理技术着手。 39 工程建设类方法 这些方法主要有：增加频率保护带、提高滤波精 度、增加站址间距、优化天线安装、限制设备参 数等。 9.5.2 卫星通信中的常见干扰及处理措施 l地面干扰 地球站设备的杂波干扰 产生干扰的原因包括：设备杂散指标不合格，工 作载波中带有杂波或谐波；调制器、上变频器输 出电平过高，或者“功放”工作非线性，出频谱扩 散；上变频器、功放的工作点设置不当，造成载 波噪声。 40 电磁干扰 由于地面存在着大量的微波、雷达、无线电视、 调频广播、工业电噪声等，这些干扰源串入用户 站，通过上行链路发射到卫星造成上行干扰或串 入下行链路造成接收干扰。 互调干扰 一般存在于上行站处于多载波工作状态时，由于 功放容量储备不足，回退不够，三阶互调分量超 过规定，或上行发射功率超标，使卫星转发器被 推至非线性工作区，导致下行互调特性恶化。 41 交叉极化干扰 上行交叉极化干扰是因为地球站天线系统发射交 叉极化隔离度没有调整好，导致上行交叉极化分 量过大，或天线馈源薄膜受损未能及时更换，有 其他物质掉进馈源也会导致交叉极化干扰。接收 用户站天线接下来收时极化未调整好，导致下行 接收受干扰。 l空间干扰 邻星干扰 邻星干扰有上行干扰：邻星系统个别用户天线口 径小，上行电平过高，功率谱密度超出协调指标 ，邻星个别用户天线偏向被干扰卫星或其旁瓣指 向被干扰卫星。 42 下行干扰：干扰卫星和被干扰卫星具有重叠覆盖 区，在此区域内，被干扰卫星地球站在接收正常 信号的同时，其旁瓣接收到邻星信号。 相邻信道干扰 用户载波频率分配与相邻信号的频带出现重叠， 没有足够的保护带宽；用户载波频谱特性不符合 要求，噪声过高或出现副瓣。 个别用户不规范操作误发信号干扰 有的卫星地球站入网操作时误操作，频率、速率 、纠错、调制设置有误；没有按照程序严格测试 即上星；新装设备急于调试，误操作；甚至个别 用户私自上载波偷发信号，这些错误动作都会对 正常的通信造成影响。 43 l自然干扰 雨衰 当电波在传输过程中穿过降雨区域时，雨滴会对 电波产生吸收和散射造成衰减。衰减的大小与雨 滴半径和波长的比值有关，由于C波段波长一般 大于雨滴半径而KU波段波长与雨滴大小相近，所 以降雨对C波段影响比较小而对KU波段就非常严 重。 日凌 每年春分和秋分前后，在卫星地球站所在地的每 天中午时分，卫星将处在太阳与地球之间的直线 上，这时卫星地球站天线在对准卫星的同时也对 准太阳，使太阳产生的强大的电磁波变成一个个 巨大的噪声源，对其所接收的卫星信号造成干扰 从而使接收链路严重恶化甚至中断，这种现象即 称为卫星通信的“日凌现象”。 44 电离层闪烁 当电波穿越电离层时，由于电离层结构的不均匀 性和随机时变性，造成信号的振幅、相位、到达 角等特性短周期变化，形成电离层闪烁。 卫星蚀 每年的春季和秋季，在每天的特定时间内，卫星 将进行入地球的阴影区域，此时卫星见不到太阳 光，太阳能电池不能提供电能，卫星只能依靠蓄 电池或燃料电池供电，这一阶段称做”星蚀期”。 45 l人为干扰 不法分子利用卫星透明转发器的弱点，干扰我们 的正常卫星电视广播，并采用“功率掠夺”的形式 进行非法宣传。从已发生的案例来看，这些恶意 干扰的技术含量并不高，使用的也不过是卫星通 信的常规设备，这暴露了目前我们卫星通信的弱 点。 9.5.3 线路谐波的危害及抑制 l规定的谐波极限值 1992年电力系统对谐波控制方法及必要条件做了 修改，重新规定了电源线公共耦合点处单独的和 总的电流、电压谐波允许的极限值。 46 l抑制谐波的方法 为满足新规定的电流、电压畸变极限要求，我们 可以使用以下三种方法来抑制谐波： 驱动滤波器 下图为用于各种驱动的专用滤波器，这种滤波既 不影响系统正常运行，又能抑制和消除靠近电源 的有害谐波，且不影响其他设备。 47 48 模拟脉冲系统 采用一半负荷由接成/Y结线的变压器供电，另一 半负荷由接成/结线变压器供电，这样可以产 生一种近似12脉冲驱动的混合谐波，具体接线见 下图。 如果使/Y结线的负荷总量等于/结线的负荷， 这种作法能在公共耦合点处较好的减少谐波。 49 50 专用脉冲系统 对于较大容量拖动状况(370kW以上)，考虑采用 两个脉冲驱动组成一套专用的12脉冲系统。这种 系统具有均分负荷能力，并能产生12脉冲驱动， 合成谐波相当稳定。这种方法将降低需过滤的总 量和相应的投资，这种系统有两种基本接线组合 。 （1） 两台隔离变压器各自独立，其中一台接成 /Y结线；另一台接成/结线。总的接线见下图 。 51 52 （2） 采用一台变压器，但具有两个二次绕组。这 种情况，初级绕组接成结线，而次级绕组，一 组接成Y形，另一组接成形，具体如下图所示.。 53 9.6计算机产生的射频,电磁干扰的解决 l射频干扰源 我们要做的第一件事就是决定CPU和监视器所产 生的射频干扰有多大。 (1) 快速扫描整个频段，弄清射频干扰在什么频率 处最强。 (2) 从主机上依次断开鼠标、串口电缆、打印机电 缆、键盘、视频电缆、显示器电源线等，将接收 机用电池供电（如果可能），观察射频干扰是否 减小。 54 (3) 然后再依次连接上键盘、鼠标、串口电缆、并 口电缆、显示电缆、显示器电源线（但先不要打 开显示器），在连接的同时，注意射频干扰的变 化。作完这些后，你对哪部分是主要的射频干扰 源就有了一些认识。 (4) 打开显示器，同时注意射频干扰的增加，运行 文字和图形两种模式的应用程序，看射频干扰是 否有变化。 (5) 重新把无线电广播设