电磁兼容与自动控制系统
——06级01班20064213吴穹
摘要：电磁兼容性（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的能力。据国际电工委员会( IEC) 的定义, 电磁兼容( EMC) 指的是设备或系统在其电磁环境中能不受干扰地正常工作, 而且其自身所发出的电磁能量也不至于干扰和影响其他设备的正常运 行。干扰的形成包括干扰源、传播途径和被干扰对象。传播途径一是通过金属导体以及电感、电容、变压器或电抗器等的传导, 特点是载体在传导电磁干扰信号的同时也消耗干扰源的能量。二是以电磁波的形式在空间的辐射干扰, 特点为干扰源对外辐射能量具有一定的方向性, 并且辐射的能量随着距离的增加而逐渐减弱。两种传播途径在传播过程中可以相互转换。阐述干扰的形成及传播途径; 控制系统中常见干扰源; 抑制电磁干扰的措施并提出电磁兼容的规划。
关键词：电磁兼容，电磁干扰，自动化控制系统，应用
一、概述
电磁兼容性（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的能力。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。 国际电工委员会标准IEC 对电磁兼容的定义是：系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不对其他系统和设备造成干扰。
各种运行的电力设备之间以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响，在一定的条件下会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。20世纪80年代兴起的电磁兼容EMC 学科以研究和解决这一问题为宗旨，主要是研究和解决干扰的产生、传播、接收、抑制机理及其相应的测量和计量技术，并在此基础上根据技术经济最合理的原则，对产生的干扰水平、抗干扰水平和抑制措施做出明确的规定，使处于同一电磁环境的设备都是兼容的，同时又不向该环境中的任何实体引入不能允许的电磁扰动。
EMC 包括EMI(电磁干扰) 及EMS(电磁耐受性) 两部份，所谓EMI 电磁干扰，乃为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声；而EMS 乃指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。
EMC 测试必须依据EMC 标准和规范给出的测试方法进行，并以标准规定的极限值作为判据。对于预相容测试，尽管不可能保证产品通过所有项目的标准测试，但至少可以消除绝大部分的电磁干扰，从而提高产品的可信度。而且能够指出你如何改进设计、抑制EMI 发射。
二、控制系统中常见的干扰源
1. 雷电
( 1) 变电站的防雷系统受到雷击。雷电从避雷针等防雷系统进入变电站接地网并流入大地, 在接地网中产生冲击, 导致接地网电位瞬时升高。同时在周围空间中产生强大的暂态电磁场, 从而在二次设备中产生暂态过电压, 影响二次设备正常运行, 甚至导致二次设备损坏热电厂水源地生活水流量计,2007 年夏季雷雨天气时被击毁两次, 经分析, 虽流量计在低洼处, 远离高大建筑, 但由于其电缆线从避雷针下面通过, 致使雷电侵入。
( 2) 雷电
直落到或感应到输电线路上。雷电波以通过输电线路传到变电站内, 在经过一次设备、变电站接地网及电流互感器、电压互感器等耦合到控制室中的二次设备中, 对二次设备造成影响。2005 年配水厂DCS 系统因雷击问题, 模块接口烧坏一次, 室内电流表击爆, 分析结果是配水厂没有
接地系统, 2006 年增加了接地系统。但2007 年7 月DCS 系统再次被雷电击坏, 经查原来是架空引入线有多根和避雷线并行, 改造后正常。
2. 无线电波
随着现代无线通信产品的广泛应用, 在空间电磁场中充斥着各种电磁辐射干扰。尤其是大量用于电力部门的检修现场和其他场所的对讲机, 由于其发射功率较大( 1～10W) 、发射频率较 高( 100～500Hz) , 使与之相距较近的弱电设备的电路中产生高频感应电压, 可能干扰设备的正常运行甚至导致保护装置误动作。2004 年, 公司5 号发电机跳停, 经查为在运行人员检查励磁. 小间内励磁柜时, 打开了柜门并利用对讲机进行通话, 产生的电磁干扰导致了该机组的跳停事故。后来进行了对讲机通话专门试验, 得到了证实。
3. 静电
静电的起因是由于两种不同物质的物体相互摩擦时, 正负极性的电荷分别积蓄在两种物体上形成高压。静电放电属于脉冲式干扰, 干扰程度取决于脉冲能量和脉冲宽度。虽然静电放电的能量较小, 但由于作用时间极短, 其瞬时能量密度可大到干扰装置运行甚至导致设备损坏的程度。2006 年冬季, 化学车间白班化验室, 测试仪器烧坏一台, 经查后确认, 为人体静电造成, 因为早期设计的低压接地方式TN- C 系统, 没有接保护线。此外, 保护装置所使用的直流电源的噪声、继电器开断时的瞬变电压、设计不完善的印制线路板所发出的辐射噪声等等, 也是保护装置设计和运行所不能忽视的干扰源。
三、抑制电磁干扰的措施
通常抑制电磁干扰的措施有抑制干扰源、阻断干扰通道、降低受干扰保护装置的噪声敏感度。
1. 屏蔽
屏蔽主要是用来阻隔来自空间电磁场的辐射干扰。是通过由具有良好导电性的金属材料所构成的全封闭的壳体来隔离和衰减电磁干扰。常见的屏蔽方式有抑制寄生电容的耦合干扰的电场屏蔽、防止辐射电磁场产生电磁耦合的电磁屏蔽以及限制低频磁场产生感性耦合的磁场屏蔽等等。
2. 接地
( 1) 信号接地。通过把装置中的两点或多点接地点用低阻抗的导体连在一起, 为内部微机电路提供一个电位基准。为了尽量减少共模干扰, 同一电路中的地电位应保持一致。同时, 避免不 必要的地线环路, 也可以减少外磁场的空间干扰的耦合。
( 2) 功率接地。为了将沿微机保护电源回路串入的以及从低通模拟滤波回路耦合进的各种干扰信号滤除, 往往要加装滤波器。通常将滤波器接地, 以使干扰信号有泄放的回路。
( 3) 屏蔽接地。即将保护装置外壳以及电流、电压变换器的屏蔽层接地, 以防止外部电磁场干扰及从输入回路窜入的干扰。
( 4) 安全接地。为保证人身安全和静电放电, 通常将保护的外壳接地。2004～2005 年, 厂里发电机DEH 调节不稳, 自动跟踪偏差较大, 故障频繁; 雷雨天气DEH 、DCS 计算机屏幕有黑屏现 象。后查出故障原因为接地电阻大, 电源地和控制系统地有近20V 电压偏差, 同时控制电缆不是屏蔽电缆。根据分析结论, 重新做了接地系统, 接地电阻达到了0.2Ω, 又将DEH 通信电缆全 部换成了屏蔽电缆, 彻底解决了此问题, 现在5#、6# 发电机运行良好, 一年多来没有出现控制系统问题, 并经受住了2007 年夏季的雷雨天气考验。
3. 等电位连接
等电位连接的目的是减少控制系统的设备在金属构件与设备之间或设备与设备之间因雷击等影响产生的电位差。需要保护的控制系统、仪表必须采用等电位连接与接地保护措施。并还应与整个厂区的接地/等电位连接系统相协调。当控制室与现场仪表或其他控制设施相距很远时, 可能难以实施全厂统一的共地和等电位连接, 此时应分别实施局部的接地/共地/等电位连接, 然后加强局部间的电气联系和屏蔽、分流。等电位连接要点如下:
( 1) 控制系统的防雷接地与其他用途的接地共用一组接地装置时, 其接地装置的接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。
( 2) 控制系统的接地装置应优先使用共用接地网, 当共用接地网的接地电阻达不到要求时应增加人工接地体。
( 3) 当设置人工接地体时, 人工接地体宜在建筑物四周散水坡外>1m 处埋设成环形接地体, 并应和共用接地网连接。
( 4) 控制系统的交流电源供配电系统应采用TN 系统, 从建筑物内总配电盘开始引进的配电线路和分支线路必须采用TNS 接地制式。其最大特点是中性线N 和用电设备的保护接地线PE 线是分开的, 正常工作时PE 线上不通过负荷电流及杂散电流, 所以与PE 线相连的用电设备的金属外壳在正常运行时也不带电位, 从而保证等电位的实现以及最小的干扰。
4. 隔离
隔离是一种切断电磁干扰传播途径的抗干扰措施。为了有效抑制共模干扰, 通常将保护装置中与外界相连的信号线、电源线等经过隔离后再连入装置内部。常见的隔离措施有: ①光电隔 离。主要通过光电耦合器将外部开关量信号和内部电气回路进行电气隔离。②隔离变压器隔离。通过专用变压器将一、二次侧的交流回路隔离, 以抑制共模电压的干扰。2007 年9 月, 热电厂 5# 回收水站两台变频自动控制试车, 水位计与控制点仅有15m, 但自动位置无法运行, 波动太大, 换屏蔽电缆也不行, 加装隔离器后工作正常。
5. 合理布线
合理布线是: ①通过减少感应环路面积来减小互感, 从而可以抑制干扰的电感性耦合。②避免局部故障影响全局安全。③和防雷接地引下线保持一定距离, 控制系统电缆和防雷引下线的净距如表1 所示( 引自GB 50343- 2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》)
表1
6. 浪涌保护器( SPD)
SPD 是一种限制
走浪涌电流的器
护设备的前端, 瞬态过电压和分件, 并接在被保在无浪涌出现时为高阻抗( 即开路状态) ,当出现浪涌时就在最短的时间( 纳秒级) 内迅速将雷电流泄放到 地, 使SPD 变为低阻抗, 从而保护了被保护设备。一般为在机柜室或上述措施无效后采取的措施。
四、电磁兼容的措施
在工程的设计阶段就予以考虑DCS 的防雷措施, 是解决问题的根本办法。根据经验, 在新装置的工程设计阶段应充分考虑
以下几个方面。
( 1) 对DCS 系统以及和它相连的变送器、执行器等必须采取等电位接地。DCS 系统应和公用接地系统实行单点接地, 即一个接地基准点( ERP) 。各接地汇流排应采用分类汇总, 汇总点 应尽量靠近ERP 。
( 2) 对外部的电缆要采用金属材质走线槽, 并采用双层屏蔽和接地措施。I/O 电缆、电源电缆、通信电缆在室外的敷设段应在双层屏蔽的前提下尽量采用埋地方式, 尤其是在进控制室前>15m 的距离内。同时要利用建筑物的结构钢筋、金属门窗等( 必要时应加设钢板进行壳体屏蔽或用
金属丝网进行网格屏蔽) 将控制室、机柜室进行格栅型屏蔽。
( 3) DCS 的电源系统要采用TN- S 系统的接地方式, 以保证控制系统的金属外壳( 如机柜) 在正常运行时不带电位。
( 4) 要避免走线桥架和控制柜靠近建筑物防直接雷装置的引下线, 控制柜和操作站也要和窗户、门口保持一定的距离。
( 5) 在进行DCS 机型选择时, 必须要考虑它的EMC 指标, 特别是浪涌抗扰度和脉冲磁场抗扰度。
( 6) 必要的地方应设置浪涌吸收器SPD 。
参考文献
1 林国荣. 电磁干扰及控制[M].电子工业出版社, 2003
2 林维勇. 电子系统中功能性接地和等电位连接的几个问题[J].防雷世
界, 2005(11):13～19。
3 区健昌. 电子设备的电磁兼容性设计[M].电子工业出版社, 2003
4 诸邦田. 电子电路实用抗干扰技术[M].人民邮电出版社, 1994
5司景明、牛慧. 电磁兼容在自动化控制中的应用，2008
电磁兼容与自动控制系统
——06级01班20064213吴穹
摘要：电磁兼容性（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的能力。据国际电工委员会( IEC) 的定义, 电磁兼容( EMC) 指的是设备或系统在其电磁环境中能不受干扰地正常工作, 而且其自身所发出的电磁能量也不至于干扰和影响其他设备的正常运 行。干扰的形成包括干扰源、传播途径和被干扰对象。传播途径一是通过金属导体以及电感、电容、变压器或电抗器等的传导, 特点是载体在传导电磁干扰信号的同时也消耗干扰源的能量。二是以电磁波的形式在空间的辐射干扰, 特点为干扰源对外辐射能量具有一定的方向性, 并且辐射的能量随着距离的增加而逐渐减弱。两种传播途径在传播过程中可以相互转换。阐述干扰的形成及传播途径; 控制系统中常见干扰源; 抑制电磁干扰的措施并提出电磁兼容的规划。
关键词：电磁兼容，电磁干扰，自动化控制系统，应用
一、概述
电磁兼容性（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的能力。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。 国际电工委员会标准IEC 对电磁兼容的定义是：系统或设备在所处的电磁环境中能正常工作，同时不对其他系统和设备造成干扰。
各种运行的电力设备之间以电磁传导、电磁感应和电磁辐射三种方式彼此关联并相互影响，在一定的条件下会对运行的设备和人员造成干扰、影响和危害。20世纪80年代兴起的电磁兼容EMC 学科以研究和解决这一问题为宗旨，主要是研究和解决干扰的产生、传播、接收、抑制机理及其相应的测量和计量技术，并在此基础上根据技术经济最合理的原则，对产生的干扰水平、抗干扰水平和抑制措施做出明确的规定，使处于同一电磁环境的设备都是兼容的，同时又不向该环境中的任何实体引入不能允许的电磁扰动。
EMC 包括EMI(电磁干扰) 及EMS(电磁耐受性) 两部份，所谓EMI 电磁干扰，乃为机器本身在执行应有功能的过程中所产生不利于其它系统的电磁噪声；而EMS 乃指机器在执行应有功能的过程中不受周围电磁环境影响的能力。
EMC 测试必须依据EMC 标准和规范给出的测试方法进行，并以标准规定的极限值作为判据。对于预相容测试，尽管不可能保证产品通过所有项目的标准测试，但至少可以消除绝大部分的电磁干扰，从而提高产品的可信度。而且能够指出你如何改进设计、抑制EMI 发射。
二、控制系统中常见的干扰源
1. 雷电
( 1) 变电站的防雷系统受到雷击。雷电从避雷针等防雷系统进入变电站接地网并流入大地, 在接地网中产生冲击, 导致接地网电位瞬时升高。同时在周围空间中产生强大的暂态电磁场, 从而在二次设备中产生暂态过电压, 影响二次设备正常运行, 甚至导致二次设备损坏热电厂水源地生活水流量计,2007 年夏季雷雨天气时被击毁两次, 经分析, 虽流量计在低洼处, 远离高大建筑, 但由于其电缆线从避雷针下面通过, 致使雷电侵入。
( 2) 雷电
直落到或感应到输电线路上。雷电波以通过输电线路传到变电站内, 在经过一次设备、变电站接地网及电流互感器、电压互感器等耦合到控制室中的二次设备中, 对二次设备造成影响。2005 年配水厂DCS 系统因雷击问题, 模块接口烧坏一次, 室内电流表击爆, 分析结果是配水厂没有
接地系统, 2006 年增加了接地系统。但2007 年7 月DCS 系统再次被雷电击坏, 经查原来是架空引入线有多根和避雷线并行, 改造后正常。
2. 无线电波
随着现代无线通信产品的广泛应用, 在空间电磁场中充斥着各种电磁辐射干扰。尤其是大量用于电力部门的检修现场和其他场所的对讲机, 由于其发射功率较大( 1～10W) 、发射频率较 高( 100～500Hz) , 使与之相距较近的弱电设备的电路中产生高频感应电压, 可能干扰设备的正常运行甚至导致保护装置误动作。2004 年, 公司5 号发电机跳停, 经查为在运行人员检查励磁. 小间内励磁柜时, 打开了柜门并利用对讲机进行通话, 产生的电磁干扰导致了该机组的跳停事故。后来进行了对讲机通话专门试验, 得到了证实。
3. 静电
静电的起因是由于两种不同物质的物体相互摩擦时, 正负极性的电荷分别积蓄在两种物体上形成高压。静电放电属于脉冲式干扰, 干扰程度取决于脉冲能量和脉冲宽度。虽然静电放电的能量较小, 但由于作用时间极短, 其瞬时能量密度可大到干扰装置运行甚至导致设备损坏的程度。2006 年冬季, 化学车间白班化验室, 测试仪器烧坏一台, 经查后确认, 为人体静电造成, 因为早期设计的低压接地方式TN- C 系统, 没有接保护线。此外, 保护装置所使用的直流电源的噪声、继电器开断时的瞬变电压、设计不完善的印制线路板所发出的辐射噪声等等, 也是保护装置设计和运行所不能忽视的干扰源。
三、抑制电磁干扰的措施
通常抑制电磁干扰的措施有抑制干扰源、阻断干扰通道、降低受干扰保护装置的噪声敏感度。
1. 屏蔽
屏蔽主要是用来阻隔来自空间电磁场的辐射干扰。是通过由具有良好导电性的金属材料所构成的全封闭的壳体来隔离和衰减电磁干扰。常见的屏蔽方式有抑制寄生电容的耦合干扰的电场屏蔽、防止辐射电磁场产生电磁耦合的电磁屏蔽以及限制低频磁场产生感性耦合的磁场屏蔽等等。
2. 接地
( 1) 信号接地。通过把装置中的两点或多点接地点用低阻抗的导体连在一起, 为内部微机电路提供一个电位基准。为了尽量减少共模干扰, 同一电路中的地电位应保持一致。同时, 避免不 必要的地线环路, 也可以减少外磁场的空间干扰的耦合。
( 2) 功率接地。为了将沿微机保护电源回路串入的以及从低通模拟滤波回路耦合进的各种干扰信号滤除, 往往要加装滤波器。通常将滤波器接地, 以使干扰信号有泄放的回路。
( 3) 屏蔽接地。即将保护装置外壳以及电流、电压变换器的屏蔽层接地, 以防止外部电磁场干扰及从输入回路窜入的干扰。
( 4) 安全接地。为保证人身安全和静电放电, 通常将保护的外壳接地。2004～2005 年, 厂里发电机DEH 调节不稳, 自动跟踪偏差较大, 故障频繁; 雷雨天气DEH 、DCS 计算机屏幕有黑屏现 象。后查出故障原因为接地电阻大, 电源地和控制系统地有近20V 电压偏差, 同时控制电缆不是屏蔽电缆。根据分析结论, 重新做了接地系统, 接地电阻达到了0.2Ω, 又将DEH 通信电缆全 部换成了屏蔽电缆, 彻底解决了此问题, 现在5#、6# 发电机运行良好, 一年多来没有出现控制系统问题, 并经受住了2007 年夏季的雷雨天气考验。
3. 等电位连接
等电位连接的目的是减少控制系统的设备在金属构件与设备之间或设备与设备之间因雷击等影响产生的电位差。需要保护的控制系统、仪表必须采用等电位连接与接地保护措施。并还应与整个厂区的接地/等电位连接系统相协调。当控制室与现场仪表或其他控制设施相距很远时, 可能难以实施全厂统一的共地和等电位连接, 此时应分别实施局部的接地/共地/等电位连接, 然后加强局部间的电气联系和屏蔽、分流。等电位连接要点如下:
( 1) 控制系统的防雷接地与其他用途的接地共用一组接地装置时, 其接地装置的接地电阻值必须按接入设备中要求的最小值确定。
( 2) 控制系统的接地装置应优先使用共用接地网, 当共用接地网的接地电阻达不到要求时应增加人工接地体。
( 3) 当设置人工接地体时, 人工接地体宜在建筑物四周散水坡外>1m 处埋设成环形接地体, 并应和共用接地网连接。
( 4) 控制系统的交流电源供配电系统应采用TN 系统, 从建筑物内总配电盘开始引进的配电线路和分支线路必须采用TNS 接地制式。其最大特点是中性线N 和用电设备的保护接地线PE 线是分开的, 正常工作时PE 线上不通过负荷电流及杂散电流, 所以与PE 线相连的用电设备的金属外壳在正常运行时也不带电位, 从而保证等电位的实现以及最小的干扰。
4. 隔离
隔离是一种切断电磁干扰传播途径的抗干扰措施。为了有效抑制共模干扰, 通常将保护装置中与外界相连的信号线、电源线等经过隔离后再连入装置内部。常见的隔离措施有: ①光电隔 离。主要通过光电耦合器将外部开关量信号和内部电气回路进行电气隔离。②隔离变压器隔离。通过专用变压器将一、二次侧的交流回路隔离, 以抑制共模电压的干扰。2007 年9 月, 热电厂 5# 回收水站两台变频自动控制试车, 水位计与控制点仅有15m, 但自动位置无法运行, 波动太大, 换屏蔽电缆也不行, 加装隔离器后工作正常。
5. 合理布线
合理布线是: ①通过减少感应环路面积来减小互感, 从而可以抑制干扰的电感性耦合。②避免局部故障影响全局安全。③和防雷接地引下线保持一定距离, 控制系统电缆和防雷引下线的净距如表1 所示( 引自GB 50343- 2004《建筑物电子信息系统防雷技术规范》)
表1
6. 浪涌保护器( SPD)
SPD 是一种限制
走浪涌电流的器
护设备的前端, 瞬态过电压和分件, 并接在被保在无浪涌出现时为高阻抗( 即开路状态) ,当出现浪涌时就在最短的时间( 纳秒级) 内迅速将雷电流泄放到 地, 使SPD 变为低阻抗, 从而保护了被保护设备。一般为在机柜室或上述措施无效后采取的措施。
四、电磁兼容的措施
在工程的设计阶段就予以考虑DCS 的防雷措施, 是解决问题的根本办法。根据经验, 在新装置的工程设计阶段应充分考虑
以下几个方面。
( 1) 对DCS 系统以及和它相连的变送器、执行器等必须采取等电位接地。DCS 系统应和公用接地系统实行单点接地, 即一个接地基准点( ERP) 。各接地汇流排应采用分类汇总, 汇总点 应尽量靠近ERP 。
( 2) 对外部的电缆要采用金属材质走线槽, 并采用双层屏蔽和接地措施。I/O 电缆、电源电缆、通信电缆在室外的敷设段应在双层屏蔽的前提下尽量采用埋地方式, 尤其是在进控制室前>15m 的距离内。同时要利用建筑物的结构钢筋、金属门窗等( 必要时应加设钢板进行壳体屏蔽或用
金属丝网进行网格屏蔽) 将控制室、机柜室进行格栅型屏蔽。
( 3) DCS 的电源系统要采用TN- S 系统的接地方式, 以保证控制系统的金属外壳( 如机柜) 在正常运行时不带电位。
( 4) 要避免走线桥架和控制柜靠近建筑物防直接雷装置的引下线, 控制柜和操作站也要和窗户、门口保持一定的距离。
( 5) 在进行DCS 机型选择时, 必须要考虑它的EMC 指标, 特别是浪涌抗扰度和脉冲磁场抗扰度。
( 6) 必要的地方应设置浪涌吸收器SPD 。
参考文献
1 林国荣. 电磁干扰及控制[M].电子工业出版社, 2003
2 林维勇. 电子系统中功能性接地和等电位连接的几个问题[J].防雷世
界, 2005(11):13～19。
3 区健昌. 电子设备的电磁兼容性设计[M].电子工业出版社, 2003
4 诸邦田. 电子电路实用抗干扰技术[M].人民邮电出版社, 1994
5司景明、牛慧. 电磁兼容在自动化控制中的应用，2008