电磁兼容第六章

1、第六章 典型的电磁兼容问题6.1 磁性线圈的消干扰在打开感应电流回路时，例如，继电器圈和保护线圈、磁阀门、提升磁铁等的开断，在开关触头间会产生电弧，它随触头间距的增加而突然熄灭，在电流回路内出现了一个快速的电流变化di/dt，与此电流变化相连的磁通变化d/dt在该线圈内感应出一个自感电压，它在等值电路图6.1内以一个由电弧特性决定的与线圈串接接的电动势来模拟。图6.1 打开电感电路时发生的开断过电压感应电压被看作是经过回路阻抗的环行电压，在电弧熄灭时它完全回在触间隙上，在合适的条件下在那里造成一次或多次的重燃。不论是大的电流变化速度或大的自感应电压，通过整个回路的电感和电容的耦合对邻近电流回路

2、会产生电磁骚扰。电弧本身向空间扩展很小，不是主要的干扰源。在交流回路中电弧的熄灭在过零点或超前一点，在直流回路中没有过零点，所以一直要到触头不断分开，当维持电弧燃烧的电压大于工作电压时才熄灭。因此，后一种情况只有出现触头严重烧坏时才同时造成干扰。这两个问题都可以用下述措施得到满意的解决。直流磁线圈的接线工作在直流下的磁性线圈的线路可选用与两极管、变阻器或RC串联支路相并联的线路，如图6.2所示。图6.2 直流线圈的接线在第一种情况中与线圈并联的是一个反向两极管（IF1.5 I线圈和UR1.5U线圈）。对于自感电压来说两极管为正向，可认为几乎是完全短路的。经开关流过线圈的电流通过短路，而在此回路

3、中以时间常数LRF衰减。由于两极管的导通电阻RF不大，时间常数很大，例如在继电器的情况下太长的下降时间是不允许的，必要时和两极管串联一个电阻来帮助它，如图6.2b所示。当同时要求最小过电压和短的开断时间时采用变阻片和RC串联元件（所谓熄弧元件）。RC的组合这样来选择：在开断时已充电到工作电压的熄弧电容器C以储存在线圈内的能量刚好达到非周期性衰减放电，即 （6.1）其中，RS为线圈电阻。为防止合闸时触头的熔化，另外要求RUIEmax。倘若只为了减小开断过电压，人们选用RC元件跨线圈，也可跨接触头，图6.2c，在后一种情况下，线圈电流在开关打开时经过并联的RC支路而对电容C充电。如果RC接线不是用

4、于熄弧，例如在有欧姆性小负载的直流回路内，那么RC的接线必须跨接在触头两端。交流磁性线圈的接线由于工作电压极性的变换这里不可能采用有两极管的接线。一般采用变阻片和RC元件，图6.3。图6.3 交流线圈的接线RC元件的大小要考虑非周期性的极限情况，避免两种极性的交变电流（通过RC元件），可以在其中间接入一个整流器，如图6.3c所示。在三相磁铁情况，上述线路常常采用星形或三角形接线。6.2 交流单相马达的无线电干扰炊事机器、吸尘器、电子工具等整流马达是传播共模干扰和差模干扰的根源。由整流过程在整流马上产生的电流变化或磁通变化在线圈中产生自感电压，它们在等值回路中被认为是电动势，如图6.4所示。图6

5、.4 产生在整流马达上的无线电干扰两个电动势的串接首先形成一个对称的差模干扰Usym(w)。由此电动势经线圈杂散电容造成的不对称的电流经导线电容CL而流动。不对称电压的大小的计算可根据电容式电压分压的电压方程式： （6.2）在内时，人们得到相对来说是比较小的不对称干扰电压，在时（铁皮外壳及其他接地体）有极大的不对称干扰电压。顺便要提及的是在图6.4中线圈末端的杂散电容不是一定要考虑的，在复杂的模型中才要求加上线圈两末端的杂散电容。由图6.4的等值电路经过对源的变换可导出典型的等值电路图，其中所有三个干扰电压看成一个电压源，如图6.5所示。图6.5 一个整流马达的等值电路图a) 有一个对称两个接

6、地不对称干扰电压的电压源b) 包括源电压、消干扰电容器和串连扼流圈 应用网孔规则于等值电路图，图6.5a所示的回路得 （6.3）或 （6.4）因此，差模干扰是不对称电压的外差值。从图6.5a不是一下就能看出，三个干扰电压源是如何通过导线L1、N和PE的消干对称电路中在两根引线间只用X电容器不可能达到完全消除干扰。因此，首先要加入两个附加的Y电容器。这些电容器接在引线和保护引线之间，跨接在绝缘上。所以它们必须看作是防止接触电压的电容器。在Cx10CY时大多省去一只Y电容器，见图6.6。图6.6 各一只X和Y电容器的整流马达的全面消干扰X电容器使两根引线间呈高频短路，所以经CY和保护引线的连接就不

7、重要了。经济的办法是把两个电容器放在一个结构组件中。可惜杂散电容和差模电动势是未知数，Cx和CY的电容量不是很容易计算出来的。从数量级推测出的基本值是CY2500pF，Cx0.022uF。习惯上要求的最小值是经测量决定的，因为测量花费很大，所以就出现了要求和EMC商号或消干扰元件制造厂的合作。6.3 静电放电静电放电（ESD，Electrostatic Discharge）通常是由磨擦生电而荷电的人、物和元件与周围接地体经空气火花放电而产生的。根据放电途径有两种静电放电形式：直接放电（例如：带电的人和计算机链盘、有号码储存的电话，码卡读出器的接触产生的放电）；间接放电（例如：带电的人经测量仪器

8、车、导电桌面、落地灯具的放电。在第一种情况下不接地的部分（例如半导体的入口）通过直接的电耦合得到一个对地有几千伏的电压，它能损坏绝缘。在后种情况中，在相邻的、末屏蔽的仪器中与间接放电的磁场和电场通过应和磁感应产生干扰电压和电流，它们同样可以造成不可逆的干扰。出现静电放电问题的消除措施是：消除静电荷电采用防静电地毯，防静电服装（用棉布人造纤维和动物毛发）控制空气湿度大于50；加固受害仪器，采用金属屏蔽外壳、金属性导电的或敷设有金属导电层的塑料外壳、采用有集成的保护两极管的加固组件；安全地引走静电荷（例如，在制造过程中无避免的与会受静电危险的组件打交道），采用导电的包装和容器、导电工作台（高阻接地

9、！）、在人体与工作台间的高阻的电位调整引线、弱导电性地毯和鞋子、在接触有静电危险的组件和集成块插件之前先用接地体接地等。因为制造厂完全不考虑它的产品以后用在什么环境下，所以最好对通常有发生静电放电的地方在制造时就进一步加固。加强反对放电现象是一个世界范围内的问题。6.4 电网反作用由开关带电部分、扼流圈、电力电子学中的整流器等造成的电网反作用对与导线相连的电磁骚扰的传播和耦合均属典型的例子。一个吸收大功率的用户赞成的非正弦电流可破坏与它相连的整个电网的电压波形，从而损害到无数的中小用户。如果许多小用户工作同步（电视接收机）也能赞成明显的电网反作用。因此，反作用的影响是很大的。因为非正弦电流中的

10、高次谐波电流IV常常会遇到正比于频率的电抗，由此也可能由一个高频的小电流的高次谐波造成一个明显的高次谐波电压UV。如果补偿无功功率的电容量CB和产生干扰的用户是并联的，反作用有更大的影响。它和电网电抗一起组成一个闭合电路，在谐振情况下不仅会出现极大的电压升高，还可能有极大的谐波电流经电容流入电网，如图6.7所示。图6.7 在有非线性补偿的用户时电网反作用的提高一方面供电企业有责任尽可能保证电压和电流的稳定，使一般使用仪器能正常工作。另一方面，要求所用仪器和设备的工作不能对其他用户赞成干扰和对供电企业的或第三者的设备赞成有干扰的反作用。对一定电压质量的监督和使用，首先是规定电网操作者有责任，电网

11、至少应控制它的大量无关紧要的小用户能吸收高次谐波。在有大功率的高次谐波的用户时，必须从所有用户的经济和技术利益出发力争达到兼容。它要求下列技术措施。在电网方面：小的电网内阻（受短路功率限制）；调节负荷的无功功率补偿（通过安装闸流管）；加装有源和无源的吸收回路。在用户方面：规定整流器的最高动作次数；限制起动电流；在有许多高次谐波发生者的情况下，规定运行程序或切断电源；加装有源和无源吸收回路。所有措施基本上得出的结果是：电网内阻Zi对用户阻抗ZV的比值应尽可能的小，电网短路功率SK和仪器最大功率（SAmax）之比尽可能的大。从最坏的情况出发对SK取最小的可能值，对SAmax取最大可能值。对新接入的

12、用户可无顾虑的采用下列比值：电压晃动出现的正数倍谐波和非正数倍谐波 SKSAmax1000电压不对称时 SKSAmax150这些数值只是粗略的规定值，可以按实际情况合理降低。电网的反作用由于它的表现的多种多样，是一个极复杂的问题，对它作彻底的处理远远超出本书的范围。6.5 户内的雷电保护人们区分防雷保护为户外的和户内的两类。第一种用于保护人身和建筑物，当建筑物外部遭受直击雷时预先装好一个或多个低阻和低感的引线把电流引入地中（防雷设备由捕电雷设备，引线和接地系统组成），这也是户内防雷最基本的条件；后一类则是保护户内电气设备和电子仪器不遭受雷电流、防止接地系统的电位升高以及雷击引起的电磁场（Lig

13、htning Electromagnetic Pulse）。户内防雷一直到最近随着微电子学的广泛应用具有突出的意义。对户内防雷人们认为要有一系列措施，它保护来自电网的过电压（操作过电压、雷击过电压）也保护由直接引起的过电压。最重要的措施是依靠防雷设备、基础接地体、电网接地中线（PEN）对所有导电物体（采暖、煤气、水管等）进行电位的调整。此外，在带电导线L1、L2、L3和电位调整母线之间接放阀型避雷器，如图6.8所示。图6.8 防止大气过电压的电位调整和分级保护阀型避雷器的动作可以是遇上来自电网内的过电压，也可以是因为遇上直击雷时A点电位的提高所致。在后一种情况下A点对远处接地点来说，例如配电变

14、压器及接地点，它的电位升高值在理论可达兆伏级，但在电位调整母线和电子装置的不带电引线间的电压不会大于避雷器的动作电压。换言之，所有电子装置获得的升高是相同。假定阻抗比为1：10（接地阻抗供电电网阻抗），则大约雷击总电流的10流过供电导线，这10电流再分流入每根导线。因此，根据电度表来看大气过电压肯定在6kV以下，除了老式的阀型避雷器之外，在户内防雷中引入了火花间隙和变阻片并联的专门避雷器，变阻片限制由远处打雷引起的相当频繁的过电压，在遭直击雷时若通过变阻片的电流很大，存在足够高的残余电压时，则火花间隙就动作。需要时6kV的残余过电压可通过再接入的，短接引线电感的变阻片来再次降压。借助这样有目的

15、分级保护，类似于在和配电网络中那样，达到完善的绝缘配合。6.6 脉冲功率技术高压实验室在受控热核的研究和高压试验技术中经常提出测量快变化的高压和大电流的任务,电压可达兆伏级，电流可达千安级，上升时间为ms级甚至于ns级。这里要求的测量设备由电压分压器或冲击电流测量电阻、连接电缆和电子射线示波器组成，在第一次投入运行时在屏幕上得到的显示，如图6.9所示。图6.9：电压100kV的高功率气体激光器电容器放电时的非周期性电流波的示波图绝大多数情况下，尤其是插件式电子射线示波器内，这一显示不是所求过程的真实时间扫描，是真实被测信号和干扰信号的叠加，后者是通过不同路径进入偏转系统的。若有疑问可通过试探实

16、验很容易搞清楚，示波图的高频振荡确实是被测信号本身或纯属干扰电压。造成干扰电压的原因是与快变化电压和电流交链电磁场的存在和电位升高（bounce），特别是在杂散电容充放电时造成的杂散场的变化。图6.9中产生不真实显示的可能性有四种：1、 电磁场进入不完善的示波器的屏蔽外壳直接在垂直偏转板上产生干扰电压。若把示波器放入屏蔽的测量室内这一困难可以排除。根据场和频率的大小，通常用一边开口的薄板箱子也足够了。如果增加示波器和脉冲回路的距离干扰场强的影响还可减小。2、 似稳电场和似稳磁场进入不完善的电缆屏蔽。电场透过不紧密的纺织层而到达内导体，在其上直接产生一个电感应的干扰电压。决定干扰电压大小的电缆的

17、透入度。磁场在内导线两边造成两个大小相同而相位相反的电压，它们是相互抵消的。由于内导体总是存在轻微的偏心而保留了一个剩余电压，但是两个干扰电压，通常与电缆外皮电流引起的干扰电压相比是可以忽略的。3、 示波器的干扰电压是通过其表现为与引线相连的干扰（30MHZ）。针对消除，此类干扰采用带专门对付无线电干扰的套管型滤波器的引线。为了得到高质量的宽带耦合，一般情况下把滤波器放在一屏壁上，即和上述屏蔽措施联合起来。有的时候把电源线绕在一个铁氧体上或移动套在引线上的的铜锌合金套也就足够了。但合金套要和屏蔽壁或示波器外壳有良好的电连接。4、 在接地引线上因差引起的电线外壳电流和仪器外壳电流造成了一个电压降

18、，它们经耦合阻抗产生干扰电压。现在在下面说明电缆外套电流产生的电动势和由此得出的适用的预防措施。A）沿保护导体的电压降从安全工作出发，电气仪器的外壳通常接大多相系统的中线或专用的保护导线上。流过这些引线电流是所有在同一电网中工作的用户的回流电流，通过中线的还有此仪器的一部分工作电流。经过两个导体之间的电连接，在保护导线上可能同样流过一部分工作电流。这些电流沿中线和保护导线造成一个电压降，使不同插座的保护线触头间和一块开关扳的不同接地接线柱间存在一个不可忽视的电压。如果现在许多电子仪器经不同的插座工作，那么和同轴信号电缆的外套形成所谓的（接地环路）（ground loop）。通过这一接地回路流过

19、电流以50HZ的基频的干扰电压叠加在原来的信号上（50HZ噪声）。要消除这一干扰电压应打开接地回路，只让仪器和保护触连接。（这里首先不能破坏试验工作的安全，因为在接地仪器和末经保护引线而接的仪器之间经过信号引线的电缆外套一个电连接。即使如此，安全隔离、定点绝缘等附加的保护措施仍然值得推荐使用）。如果高压回路和示波器经它的保护导线都直接接地，会出现和在快变高压的测量中同样的现象，当要立刻消除50HZ干扰电压时，大多让示波器在无保护引线下地运行，在拆除各处的保护引接线后高频的瞬态干扰电压仍然存在，因为示波器和其他仪器对高频来说如前所述经过对地杂散电容是和地相连的。B）电感应和磁感出的源电压与快变过

20、程交链的似稳磁场和拟稳电场在电缆外套（图6.10中的CStur）或接路回线内（图6.10斜线面积）感应出的源电压，它们样造成电缆外套电流和仪器外壳放电。两种场的作用是经过把测量引线放在两端接地的钢管中来减小的。钢管屏蔽电场几乎是最想的，因为现在电力缆不再到达电缆外套了，而是终止在接地的钢管上。当频率很高导电的屏蔽衰减就小了，但对大多数应用场合它还是有足够大的数值的。对付交流磁场的屏蔽其作用是基于这样的事实：由两端接地的钢管和地之间形成的回路中有一个电流流过，它的磁场抵消了一部分外磁场。图6.10 脉冲电流放电回路的示意图（FS开关火花间隙CS冲击电容，RM电流测量电阻，L工作线圈）电缆外套电流

21、是由磁感应和电感应出的源电压以及不同保护导体间的电压差造成的C) 冲击放电回路内的电位升高除了电的和磁的感应电动势外，冲击电压发生器的电位升高是产生干扰电压的最基本的原因。图6.11a、b所示高压回路由发生器G和试品P组成，ZE是不可避免的接地阻抗。从设备的高电位部件出发的电力线终止于周围处于地电位的物体上。人们在电力线中引入了杂散电容CStur，它在冲击过程的极短时间内被充电或放电。由于电压的高速变化可以认为这一电荷电流是极大的。此电荷电流经接地阻抗流回发生器的底部，同时在很小的ZE上产生一个很大的电位升高，在总的接地网内造成一个瞬态电流。如果高压回路处于一个法接弟笼内，图6.11b，那么杂

22、散电力线全部终止在屏蔽上。电荷电流在笼的内壁上流过，不再在ZE上引成电位升高。在这种情况下很深的接地是不必要的。图6.11 正高压放电回路内的地电位升高a) 表示政党试验条件下杂散场力 线的分布b) 整个装置处于法拉弟笼内的力分布G 冲击电压发生器，P试品，CStur杂散电容ZE 接地阻抗，IL 杂散电容的电荷电流图6.12形象化地说明沿通向发生器底部的回线上产生的电位升高。图6.12 冲击电流放电回路的示意图，说明在工作回路的回线阻抗上由于电位升高造成的干扰电压（发生器接地）火花间隙点燃后电容器经工作线圈和测量电阻RM放电，在分支点P信号电缆的外壳连接处分流了放电电流。电流的大部分直接流回电

23、容器的接地极板。同时它在回线的阻抗Z上引成了一个电压降而抬高了P点的电位。这一电压升高是造成电缆外套电流的源电压。为了消除它，通常推荐不在发生器底部接地，而在P点接地，即测量电阻的接地端接地。这种情况下点P处于地电位，但现在冲击电容（CS）近地极板的电位提高了，它的大小和上述差不多。由于工作回路对地杂散电容的存在，这一电位升高仍旧成为电缆外套电流的源电压，图6.13。图6.13 冲击电流放电回路的示意图。说明在工作回路四线阻抗上由于电位升高造成的干扰电压（测量电阻接地）显然还可以有更好的接地状态，让产生电缆外套电流和建筑物电流的源电压更小，但总不能完全消除。走出这种状态的出路是采用旁路技术消除

24、电缆外套的和建筑物的电流，因为它们起因相同。特别要推荐的是把测量引线安置在屏蔽外面或大厅接地网下面的钢管内。因为杂散电容的电荷电流由于电流集肤效应主要流过屏蔽内壁（比较图6.11b的说明），保证测量引线内不存在电缆外套电流。为电力系统所用仪器进行检收试验的冲击设备，不仅有从电压分压器到示波器的同轴测量引线，还有许多连接冲击设备本身和带测量仪器的担任台的控制和测量引线。这里由接地回线偶然引起的和不明原因而造成的危险特别大的，如图6.14所示。图6.14 冲击电压试验设备示意图a) 控制和测量引线布置正确（专用支路）b) 控制和测量引线布置错误（形成回路）图6.14b所示为冲击装置的原理性布置图，

25、肯定会出现不可控制的电位升高和不理想的测量结果。相反图6.14a所示是同一装置符合规定的布置图。所有引线相互分开沿着电缆沟单独布线。布线不存在回路，而只有支路。倘若外部环境还是极不理想，即使用了所有限制干扰电压的措施仍然不能进行满意的测量，那么还有的可能性让工作回路测量回路在电气上完全脱离，用光导和光电方法来传递信号。最后还要说明的是：大功率的高压试验室验室大多是完全屏蔽的和从被屏蔽的体积来年可算是世界上最大的法拉第笼了。屏蔽一方面把与高压试验相关的极快变化的电磁场和周围环境分开，另一方面又可以在高压设备上进行灵敏的局放测量而不受无线电发射机和汽车等造成的骚扰。6.7 有差分放大器的测量在测量

26、电压的仪器上大多是两个入口接头之一被固定接地，例如：示波器和干扰测量接收机的同轴入口插头的外壳，用这些仪器来测量电压只能用一端接地的电源。倘若一个未知电源两端均不接地，那么最终在连接同轴测量电缆时两个头之一必须强迫接地，显然这只能在工作回路中没有其他接地点的前提下才是允许的，否则不可避免会短接线路元件。例如：在电力电子学用整流线路中要求测出闸流管的陡度、熄弧时间和引燃时间而它们的主接线是不接地的。而造成的共模电压对地可达几千伏，这一基本问题的最简单表示为图6.15，三相交流系统相电压波形的测量，两个接线柱无一是接地的，用通常的探头去测量电压在它接外壳时要形成短路。在这种和类似的情况中心须采用养

27、分器，它的两个入口是都不接地的。也有这样的仪器，它们没有差分入口而是经隔离变压器而不接地运行，例如：示波器同轴输入接头的外套可以和一相连接。但此示波器会存在有一个危及生命的电压。此时必须以保护接触电压为基准，把它放在绝缘外壳中和经过绝缘棒来操作。图6.15 三相交流系统相电压的测量差分入大器只放大测量引线两导线之间的测量信号，在两导线上出现的同相同幅的共模信号受到压限。测量信号uM（t）经两个性能一致的探头或两个同类型的在端点有波阻短接的同轴电缆进入放大器的入口，差分放大器具有丙个连接两概测量引线的同轴入口插头，如图6.16所示。图6.16 用差分放大器进行测量的接地情况测量引线的屏蔽是经示波

28、器外壳接地的，在信号源那一边是相互连接的。两根电缆的屏蔽形成一个短路匝，它阻止了由两根内导线、信号源和示波器三者组成的回路感应出的干扰电压。基于安全的理由要求工作回路允许有一端接地和对差分测量没有影响，在电缆入口处必须存在有附加的接地。在信号源电阻远小于测量引线的波阻或波阻相等的各种测量任务中推荐用匹配好的同轴电缆来传输测量信号。内阻有高欧姆值的信号源和进行高压测量时要求用两个很好校正过的高压探头和分压器。在不能很好压制共模信号或共模信号很大时推荐用光导束作为模拟的或数字的中间传输线。6.8 电磁场对生物组织的影响电磁频谱包括静电场和静磁场、50HZ的电场和磁场、无线电电磁波和光波直到电离造成

29、的射线，如图6.17所示。图6.17 电磁频谱根据不同频率和强度电磁场和电磁波对生命组织有极有利的影响或极不利的影响。在紫外光以上的区域电磁波的能量 （6.6）其中， h为勃朗克作用量子，f为频率。W相当大，是以从原子的电子层内释放出电子，即电离原子和造成化学的和其他的变化。在人身上这种变化随着频率的增加从渴望皮肤晒黑发展到造成皮肤癌和处于深层的各种癌，电磁波在这一能量范围内各种表现形式总称为电离射线。地球上的生命是不能没有可见光的，它的范围直到红外光、热辐射和微波。微波对生命组织的作用是基于荷电粒子的力的作用。 （6.7）由于这个力的作用，使微波交流场内的电子和离子被电离的原子或分子产生振荡，极子在其静止位置上振荡。粒子通过碰撞把它所含的振荡动能交给另外的粒子且提高它们的平均动能，这一能量的发送在客观上表现为发热或被照射物体的温度升高，这已经在微波灶内得到广泛的应用。除电磁场和电磁波的力按（6.7）作用在电荷和偶极子上外，相似的作用在磁偶极子的力，它作用在磁偶极子两端假想的磁荷上或形成产生磁偶极子的安培电流。偶极子矩大的磁极子很少，所以并不表现出宏观的热效应。根据已知其他效应对此还在研究之中。在交流电场中单位体积内产生的热功率和频率成正比，但到频率较低