電力系統、電子系統或電工設備以規定的安全逾度,在指定的電磁環境中按照設計要求工作的能力。是反映電子系統性能的重要指標之一。系統能電磁相容意味著無論是在系統內部,還是對其所處的環境,系統都能如預期的那樣工作。電磁相容性包括兩個方面的含義:①電力系統、電子系統或電工設備之間在電磁環境中相互兼顧和相容;②電力系統、電子系統或電工設備在自然界電磁環境中,能承受幹擾源的作用,按照設計要求正常工作。

  隨著電子技術日益向高頻率、高速度度、寬頻帶、高精度、高可靠性、高靈敏度、高密度(小型化、大規模集成化)、大功率、小信號運用和復雜化方向發展,電磁幹擾已成為系統和設備正常工作的突出障礙,因而開展電磁兼容性研究日顯重要。一些國傢成立瞭專門機構,制訂專門標準,對此進行管理,一切電子設備必須經過專門機構的鑒定和批準才能進入市場,電力系統和電力設備的設計需要考慮電磁兼容問題。一些國際組織制訂並推薦有關的標準或建議,一些學術機構,如國際大電網會議增設電磁兼容專業組,開展科研和交流,以推進電磁兼容的研究。

  電磁幹擾源 任何不希望的電壓和電流對設備性能的影響稱為電磁幹擾,產生這些電壓、電流的根由即為電磁幹擾源。這些電壓和電流會通過傳導或電磁輻射傳到受害的設備。改變設計、調整信號電平或噪聲電平的過程,稱為電磁幹擾控制(EMIC)。通常也用這個詞表示實現這種控制的管理措施。

  電磁幹擾可以來自系統內部,也可以來自系統外部,前者稱為系統內部的幹擾,後者稱為系統之間的幹擾。在分析電磁幹擾時,系統指人們對之進行設計和管理控制的電工設備或電子設備整體。產生電磁幹擾的原因有自然的和人工的兩類。自然幹擾源主要是雷電、太陽輻射或宇宙輻射等。人為幹擾源有輸電線路、電動機、開關、繼電器、氖燈、熒光燈、電鈴、電熱器、電弧焊接機、晶閘管逆變器、氣體整流器、高速邏輯電路、門電路、數據處理機、電流的突變、電弧放電、電暈放電,以及核爆炸產生的核電磁脈沖(NEMP,場強高達105伏/米,磁場強度達260安/米)等。電力和電子信號造成的幹擾可以導致飛機導航誤差、電視接收機中的“重影”和心臟起搏器的失效。雷電幹擾曾經使阿波羅登月計劃受挫(航天器上的電源和計算機失效),靜電放電曾引起歐洲2號火箭爆炸。為給初步設計提供參考,圖中列出瞭在微秒寬度的電磁脈沖(EMP)作用下,各種電路元器件性能惡化或燒毀前允許承受的能量的數量級范圍。

  常見的幹擾源與對幹擾敏感的接受器列於下表。表中,發射器指電磁能量源,接受器則指受到電磁幹擾影響的設備。表中發射器欄中的每一項可以影響接受器欄中的任一項。

常見的幹擾發射器與幹擾的接受器

  電磁幹擾的傳輸 傳輸途徑分為傳導和輻射。傳導是指電壓或電流通過幹擾源和被幹擾對象之間的公共阻抗進入被幹擾對象。這阻抗通常是幹擾頻率的函數。有時幹擾經過金屬線路的傳輸,包括集總元件如電容器、變壓器等直接傳導到電路。輻射則用來表征非傳導性的傳輸,其傳輸機理可能是天線的“近場”或感應場,而不是輻射場。在幹擾電磁場中,磁場通過電感性耦合,電場通過電容性耦合而進入電路中。這樣就可以用傳導發射和輻射發射來描寫發射器的特性,而用接受器的傳導敏感度和輻射敏感度來說明接受器的特性。傳導發射和傳導敏感度的強弱用電壓和電流表示,其單位為V、dBV、dBμV和A、dBA、dBμA(V和A分別為伏和安)。輻射發射和輻射敏感度的強弱用場強表示,其單位為V/m、dBV/m、dBμV/m或T(特)、dBpT等。特是磁通密度單位。dBpT是指相對於1皮特的分貝數。

  提高電磁兼容性的措施 應用那些已由理論和實踐證明的、能保證系統相對地免除電磁幹擾的設計方法,可以對幹擾加以控制。理論分析、實驗室測量和系統性能檢查可以驗證設計是否符合電磁兼容性要求。電磁兼容性設計包括:①明確系統的電磁兼容性指標。本系統在多強的電磁幹擾環境中應能正常工作;本系統幹擾其他系統的允許指標。②在瞭解本系統幹擾源、被幹擾對象、幹擾的耦合途徑的基礎上,通過理論分析將這些指標逐級地分配到各分系統、子系統、電路和元件、器件上。③根據實際情況采取相應措施抑制幹擾源,隔斷幹擾途徑,提高電路的抗幹擾能力。④通過實驗來驗證是否達到瞭原定的指標要求,若未達到則進一步采取措施,循環多次,直到最後達到原定指標為止。電磁兼容性的設計依據是有關電磁兼容的標準,包括國際標準,如國際電工委員會標準,即IEC標準; 國際電工委員會的國際無線電幹擾特別委員會CISPR 建議;國際電報電話咨詢委員會 CCITT建議等。一些國傢也有相應的標準,如德國電氣工程師協會(VDE) 制訂的德意志聯邦共和國幹擾控制法,美國航空航天管理局(NASA)標準,美國輻射衛生局(BRH)標準,美國汽車工程師學會(SAE)標準以及美國軍用標準MIL-STD等。中國則有《電力線對通信線、信號線危害影響協議》(俗稱四部協議)等標準。

  提高電磁兼容性的具體措施是:①屏蔽技術。采用完善的屏蔽體,以防止外部輻射進入本系統,也防止本系統的幹擾能量輻射到外部去。主要困難是對低頻磁場的屏蔽。②搭接技術。屏蔽體應保持完整性,為此對於門、窗、縫、電纜連接處等要進行電搭接處理,對通風孔和電纜孔等也必須妥善處理。③屏蔽體必須結合可靠的接地技術,才能發揮作用。應設計合理的接地系統,小信號、大信號和產生幹擾的電路三部分盡量分開接地,接地電阻應盡可能小,根據設備的性質,一般不宜大於4~10歐。④正確選用連接電纜和佈線方式,低頻電路盡量采用雙扭絞線,高頻電路盡量采用雙同軸屏蔽電纜,並盡量用光纜代替長電纜。⑤采用合適的濾波技術,濾波器的通帶經過合理選擇,盡量減少漏電損耗。濾波技術比屏蔽技術成本低,而且產品體積小,重量輕。⑥使用限幅技術,限幅電平應高於工作電平,並且應雙向限幅。選擇分流電阻大的器件,響應時間應當短,寄生電容要小。⑦采用平衡差動電路、整形電路、積分電路和選通電路等技術。⑧系統頻率分配恰當。當一個系統中有多個主頻率信號工作時,盡量使各信號頻率避開,甚至避開對方的諧波頻率。這實際上是頻率區分。選用這種方法時需在價格、重量、體積、性能等方面綜合考慮,取綜合最佳方案。⑨對雷電幹擾、電力系統故障(過電壓或短路)引起的暫態電壓幹擾,以及核電磁脈沖幹擾,還常常采用分流技術,使幹擾能量在無害或少害的通路泄放,以減輕幹擾強度。當采用上述分流、屏蔽、搭接、接地措施後,幹擾電壓或電流對設備仍有可能造成危險時,需設置保護元件,包括限壓、限流、限幅、均位保護。經驗證明,分流技術、屏蔽技術、搭接技術、接地技術和設置保護元件(習稱D.S.B.G.P.技術)是解決電磁兼容問題的有效措施,在電力、電信、航天工程以及地下核爆炸試驗系統中得到瞭廣泛的應用。

  高壓、超高壓和特高壓輸電線路對於提高電磁兼容性應采取的措施是:將導線電暈幹擾、絕緣子和金具的電暈幹擾限制在規定的范圍內;對其短路工況和操作過電壓工況下引起附近通信和信號線的危險影響和幹擾影響,應根據計算(必要時需進行實測)限制在允許值以下;在超出允許值的情況下,需采取保護措施(包括分流、屏蔽、接地、搭接,必要時在弱電線上安裝放電器),有時甚至要拆遷通信線和信號線,或是使輸電線路繞行。在個別情況下,一個工程為此要耗費數十萬元,甚至達數百萬元之多。

  為提高電磁兼容性,各國開展瞭大量的試驗研究和實測工作,並且開發瞭一系列電子計算機計算程序,如天線-天線兼容性分析程序(ATACAP),機箱-機箱兼容性分析程序(BTBCAP),場-線兼容性分析程序(FTWCAP),美國Signatron 公司編制的可以確定電子線路的非線性傳輸函數的非線性電路分析程序(SIGNCAP)等。由美國空軍研制的系統內部分析程序(IAP)是一種大規模的電磁兼容性分析程序,它可以有100個或更多的源、接受器和通道的組合。IAP提供:①系統電磁兼容性薄弱環節;②改編規范的極限值;③棄權分析,硬件供應部門提出對試驗性產品,要在不符合規范要求並不降低整個系統性能的基礎上請求棄權;對設計折中方案的兼容性分析;④在對系統進行詳細計算之前,預計電磁兼容性控制的效果。IAP 包括兩部分:①系統內部電磁兼容性分析程序(IEMCAP);②對於雷電、靜電、電爆器件、飛機蓄電、非線性接收機效應和電磁場分析的補充模型。至於電力系統暫態過程對通信、信號設備的幹擾,以及雷電對通信、信號設備的幹擾,則有世界廣泛應用的EMTP程序。這些程序的廣泛應用,大大提高瞭信息系統及其設備的電磁兼容性,並且改進瞭電力系統以及相鄰通信、信號系統的電磁兼容性及工程質量。

  電磁兼容性領域的發展 電磁兼容是一個正在發展的領域。這是由於現代的計算、通信、控制系統中,電氣和電子線路的密度以及它們之間的相關功能日益增加。在許多復雜系統中,由於性能要求的擴展,往往需要更高速度的電路和更寬的頻帶。頻譜使用的日益擴展(包括幅度和頻率兩者)以及在各個頻段上使用頻率的日益密集,對電磁幹擾的數量和嚴重程度產生瞭重大影響。一個系統中,隻要把兩個以上很小的元件放在同一環境中,就會產生電磁幹擾,而且,每加入一個新的元件,都會使電磁幹擾的可能性進一步增加。甚至看來很小的幹擾都可能引起嚴重的故障或降低穩定性。隨著輸電電壓等級的提高(達1000千伏至1500千伏的特高壓輸電),電力系統短路電流的進一步增大(高達80~100千安),電力電子設備的廣泛應用,幹擾源變得更為強大瞭;核電磁脈沖的出現,又增加瞭新的幹擾源,使電磁兼容問題顯得更為重要。與此同時,微電子學的進步及微電子元件的廣泛應用,使幹擾的接受器變得更為脆弱和敏感。例如機電型繼電器的起動能量約需0.1瓦,集成電路隻需小若幹數量級的功率就會引起擾動。這樣,原來不存在問題的也會變得幹擾問題嚴重。機電一體化設備的日益廣泛應用,也使得電磁兼容問題變得更為突出。這些都給電磁兼容性帶來瞭新的課題。

參考書目

 B.E.凱瑟著,肖華庭、諸昌清等譯:《電磁兼容原理》,電子工業出版社,北京,1985。