载人航天发射场信息设备抗干扰技术分析与施工应用.docx

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载人航天发射场信息设备抗干扰技术分析与施工应用

载人航天发射场信息设备抗干扰技术分析与应用

摘要：

指出造成载人航天发射场信息系统计算机网络硬件损坏和运行不正常的主要因素为：

谐波干扰、雷击电磁波干扰、地电位升高干扰、强弱电线路并行导线之间分布电容耦合干扰、以及采用等电位措施后，TN-S、TN-C-S电源系统对信息设备造成的干扰等五个方面。

提出信息系统计算机网络采用TT供电系统以及装设防雷击、防干扰容性隔离变压器。

综合解决防雷击、防电磁干扰、防谐波干扰、防地电位升高问题，确保信息系统计算机网络的安全可靠性。

关键词：

信号地谐波干扰电磁干扰地电位反击隔离变压器等电位联接参考地

1、引言

载人航天发射场的信息设备主要是指计算机、微电子测控设备、网络设备、电话交换机等IT（信息技术）设备。

由于现代信息设备的核心都是采用计算机技术，因此信息设备系统的安全保护意义非常重大。

任何计算机系统的硬件都是由CPU（中央处理单元）、内存及各种外设构成。

它们之间通过数据总线、地址总线和控制总线来实现数据传递、寻址和逻辑控制。

在外设接口与外设之间传递信息的总线成为外部总线。

为了在设备之间或元器件之间正确的传递和识别数字信号，各设备之间或元器件之间应有一个统一的基准电位，信号地线就是起到这个基准电位的作用。

系统总线的电平一般为TTL（晶体管—晶体管—逻辑）电平（高电位为5V），如果由于干扰等原因造成地线出现电位差，计算机系统就难以正确工作，造成数据丢失或测控失误重大事故。

1999年11月神州1#飞船发射前夕，神州1#飞船由垂直测试厂房转场到发射脐带塔进行发射前火箭和飞船联合测试期间，由于变频电梯的开启，出现了地电位升高5-7V，导致测试数据混乱，计算机系统无法正常工作的事故。

2、信息设备受干扰的原因

2、1谐波干扰

由于发射场用电负荷中配用较多的电子整流器、电焊机、电梯、整流装置，中频逆变电机，各弱电子系统、测控网络中心UPS配置量较大，各种电子装置中开关电源大量应用等原因，必然在供电系统中产生谐波电势和谐波电流（含有正序、负序、零序谐波电势和谐波电流）。

大量谐波电流流入电网后，通过电网阻抗产生谐波压降，叠加在电网基波上，引起电网的电压畸变，使电子计算机误动作、电子设备误触发、电子元件测试无法进行，会使信息设备处于瘫痪状态。

简要分析一下谐波干扰的原因。

在稳态条件下，谐波干扰波中只含有奇次谐波并具有以下特性：

（1）三相线路中同相位的谐波电势和电流称为零序谐波电势和电流。

（2）三相对称的电气、电子设备产生的3n次（n为正整数）谐波电势和电流，在三相线路的各相线中是同相位的，属于零序的3n次谐波电势和电流。

三相不对称的负荷产生的3n次谐波电势和电流便不一定属于零序的谐波电势和电流。

当三相基波电势对称而三相基波电流的功率因数角不同时，各相线中3n次谐波电势和电流便不是同相位的，除可能含有（也可能不含有）零序的3n次谐波电流外，还可能含有正序和负序的3n次谐波电流。

非零序的三次谐波电势和电流可以不受抑制地通过D，yn或Y、yn联结组的变压器。

（3）三相对称的3n+2次（n为正整数）谐波电势和电流称为负序谐波电势和电流。

（4）三相对称的3n+4次（n为正整数）谐波电势和电流称为正序谐波电势和电流。

（5）三相非对称的3n+2和3n+4次谐波电势和电流中将均有可能含有正序、负序、零序谐波电势和电流。

所以，当电网中非对称负荷较多时，其产生的各次零序谐波分量均会通过中性线和电子装置的参考地连接线，给电子装置和线路的安全造成危害。

上述结论正是通过多年的航天工程事故实例和试验中发现，并经过理论分析后得出的，弄请楚这些概念对于采取正确、有效的抗谐波干扰措施具有重要意义。

2、2雷电电磁波干扰

雷闪也是造成发射场内信息设备运行故障和硬件损坏的重要因素之一。

其主要干扰形式表现为雷击电磁脉冲通过电源传输线路和信号、数据传输线路引入设备（装置和系统）的浪涌电压和浪涌电流。

雷击电磁脉冲从高压电网侵入的可能性很小，主要是雷电电流经钢筋引下时，在金属立管（线槽）中分流，或直接在非屏蔽低压配电线路和数据传输线路中产生电磁感应的过电压。

雷击电磁脉冲在电源传输线路和数据传输线路的各芯线中产生的浪涌电压和浪涌电流是同相位的，且只含有直流和耦次谐波分量。

2、3地电位的干扰

发射场信息设备通常为取得一个基准电位（或称参考电位）而进行接地，该接地点称为接地基准点（或称参考点）。

如果在发射场一个分布式网络中用金属数据总线连接着几个智能化系统，每个系统都分别取得一个参考地的话，在这些参考地之间以及这些参考地与电源变压器中性点的工作地之间，就可能由于单相接地短路电流或电磁感应所引起的，在接地连接线及其与钢筋之间所形成的接地环路中产生感应电流而出现电位差，导致信息设备运行混乱、出错、死机，甚至毁机事故。

其次，发射场建筑物的防雷装置一旦接闪，雷电流流经防雷引下线、接地装置时产生的电压降是十分惊人的。

如果按雷电流为100KA，接地电阻为1Ω计算，接地装置上的电压降便为100KV，而防雷引下线上的电压降可达15KV/m以上。

使绝缘接地线可能因击穿或电磁感应，而引起信息设备参考地上的高电位通过主机线路板、低压电源线路对变压器接地中性点产生反击，将主机烧毁。

而垂直敷设的数据总线没有采用正确的屏蔽结构，或屏蔽层的接地方式不正确，也可能由于钢筋与数据总线之间危险电位差而导致系统硬件被击毁。

此外，当雷闪发生，雷云所带的电荷消失时，被束缚在该建筑物顶部的静电感应电荷立即沿着防雷引下线流入地中，在引下线中仍能产生电压降，尽管引下线并联支路数多，电压降幅值比起直击雷电流下行时要小得多，但对信息系统来说，此时所产生的电磁感应以及各层楼板钢筋之间所产生的电位差，仍然可能危及信息设备系统的电子设备安全及系统运行的可靠性。

2、4强、弱电并行敷设线路之间分布电容耦合干扰

在发射场经常见到有些强、弱电线路采用非屏蔽导线穿塑料管进行敷设，施工时又往往挨得很近，通过强、弱电导线之间存在的分布电容的耦合途径，使得弱电线路产生较高的静电感应电压，导致信息设备电子线路板被击穿。

这种事故在发射场曾经发生过，变频电梯的动力电缆为非屏蔽电缆，并且和信息系统测试电缆垂直敷设在同一个通道上并且距离较近，变频电梯启停时干扰GNC测试设备的正常工作。

2、5采用等电位措施后，TN-S、TN-C-S电源系统对信息设备造成的干扰

在TN-S、TN-C-S系统中，由于三相用电不平衡而造成N线中有电流流过，N线与大地之间存在接地电阻。

这样，入点O处与真正的大地间必有一定的电位差。

也就是说，O点带有一定的电压，此电压也就是PE线带的电压。

如果PE线直接与信息设备相连而不形成其它接地回路，则PE线上不会有电流流过。

但是一旦PE线参与等电位连接，比如与结构主钢筋连接，由于PE线上的电位高于大地电位，会有电流沿PE线经结构钢筋流入建筑物的基础地网。

如果信息设备采用S型接法与PE线相连（单点接地），由于设备所有接地点都通过一点入地，即使PE线上有电流，也不会产生共阻抗耦合。

但由于PE线上带有电压，此电压会影响设备的信号地（直流地、逻辑地）。

如果信息设备采用M型接法与PE线相连（多点接地），由于PE线上带有电位，必有电源经PE线流入等电位接地平面，然后通过法拉第笼式结构钢筋网入地。

等电位接地平面上出现了工频电流，导致各设备的接地点电位不一致而引起干扰。

2、6电磁干扰侵入信息系统所通过的界面及其耦合机理

电磁干扰侵入信息系统所通过的界面是：

供电线；信号、数据输入线；信号、数据输出线；设备外壳；接地基准点；变压器。

电磁干扰侵入信息系统的耦合机理是：

（1）直接传导耦合

两个电路通过一个导体连接起来，一个电路中的信号会通过导体传进另一个电路，对另一个电路形成干扰。

例如在下图，电感、模拟电路、数字电路共用一个电源。

当电感断开时，在共用电源的另两个电路上会产生干扰，在数字电路的工作过程中，电源上会产生很强的噪声，这些噪声电压也会有传导进共用电源的模拟电路中。

（2）公共阻抗耦合（电阻性的，如接地电阻）

两个电路共用一个阻抗时，电压就能从一个电路中传递到另一个电路中。

RC耦合方式的多级放大器就是这种原理的应用。

如果这种耦合是意外的，就会给电路带来干扰问题。

例如下图，两个电路共用一段地线，由于地线都是有阻抗的，因此电路1的负载电流I1流过地线时，就会在地线上产生电压VG，而VG成为电路2的输入电压一部分，可能会对电路2形成干扰。

（3）电感耦合（如变压器、并行导线之间、雷电流通过防雷引下线在非屏蔽导线中或大电流通过金属导线管（槽）在线管（槽）内导线中感应出互感电势等）

任何一个载流导体的周围都存在着磁场，如果这个导体上的电流是变化的，则这个导体周围的磁场也是变化的。

在下图中，导体1流过交变电流I1，就会在导体1周围产生交变磁通φ。

在另一个导体（导体2）处于这个变化的磁场中间时，就会在这个导体中感应出电动势，这就是互感耦合。

导体2上感应的电动势为：

VN=dφ/dt

（4）电容耦合（如导线之间、变压器原副边绕组之间的分布电容）

电容器的基本结构就是两个平行的金属板，因此两个靠得很近的金属物体之间存在着较大的电容。

这意味着，电路中相距较近的导体之间也存在着电容，电容量的大小与导体的尺寸、导体之间的相互位置等因素有关，这种电容称为电路中的寄生电容或杂散电容。

电容对于交变电流是导通的，它的阻抗为1/2πfC，电流的频率f越高，阻抗越小，因此，电路中的一个导体上的电压会通过杂散电容传递到另一个导体上，这就是电容耦合的机理，如下图所示，耦合电压为：

VN=VS[ZL/（ZC+ZL）]

式中，VN——导体2上的噪声电压（V）；

VS——导体1上的电压（V）；

ZL——导体对地租抗（Ω）；

ZC——耦合电容的容抗（Ω），数值为1/ωc（ω为VS的角频率，C为导体1与导体2之间的电容）。

当耦合电压超过一定的噪声门限时，就产生了干扰问题。

由于构成电容的两个电极之间存在着电场，能量的传递也是通过电场发生的，因此这种耦合机理也成为电场耦合。

（5）电磁辐射

根据电磁感应原理，任何一个导体在交变电磁场的作用下，都会产生感应电动势。

电磁辐射有很多种来源，诸如：

输电线、荧光灯、电机、CRT、通讯设备、雷达、计算机中的高速数字逻辑电路、发射机、以及很多其它类型的电气和电子设备。

当辐射性的干扰源与敏感源相距较远时，能量以电磁波的方式从干扰源传到敏感源的。

首先干扰源的能量借助寄生天线将能量辐射到空间，形成电磁波。

然后电磁波传到敏感源，被敏感源中的一些寄生天线所接受，传进敏感源电路，形成干扰。

3、信息设备抗干扰的措施

3、1发射场低压供、配电系统采用TT系统供电方式

发射场低压供、配电系统采用TT系统供电方式，TT系统中PE线与N线是真正分开的，PE线中既没有电流也没有对地电压。

PE线以任何方式与建筑物结构钢筋或信息系统的等电位接地平面相连，都不会产生干扰电流。

电源N线不与建筑物钢筋等金属构件相连接，信息设备就可随意进行S型及M型等电位连接。

为了降低低频（工作频率在1MHz以下）干扰信息设备采用S型等电位连接，为了降低高频（工作频率在1MHz以上）干扰信息设备采用M型等电位连接，连接导线采用金属屏蔽导线。

3、2信息设备供电系统采用防雷击、防干扰容性隔离变压器

发射场信息系统主机房设备和各层终端插座采用防雷击、防干扰容性隔离变压器供电。

隔离变压器能有效的消除零序奇次谐波电势，从而抑制电网中最主要的干扰谐波成分；能完全隔离三相电源线路中同相位的雷击电磁脉冲。

3、3信息系统电源配电线路单独敷设在专用供电金属电缆桥架内，采取防雷与等电位联结措施

垂直测试厂房、1.5km长的专用电缆通道和发射脐带塔都分别设置了不同用途的供电金属电缆桥架和不同用途的弱电金属电缆桥架，按照施工规范间隔一定的距离，电缆桥架每隔10米进行等电位连接。

计算机网络的主机和终端低压电源线路单独敷设在专用的金属电缆桥架内，从电缆桥架到专用配电箱采用穿金属管敷设，金属管并采取等电位连接。

在各层隔离变压器的一次侧各相电源线、中性线与PE线之间装设电涌保护器。

PE线多点同各层楼板钢筋实行等电位连接。

当雷电流下行，楼板钢筋电位升高时，通过电涌保护器将高电位引到电源线上，达到隔离变压器一、二次侧准等电位联结的目的。

3、4信息系统的数据、信号传输线路敷设在专用弱电金属电缆桥架内，采取防雷和等电位联结措施

发射场建筑物内信息系统的数据总线或信号线采用了光缆或屏蔽金属线。

当采用屏蔽金属线时专门敷设在弱电金属电缆桥架内，该金属屏蔽层作为内屏蔽，只应同主机房内参考地一点连接。

作为外屏蔽的弱电金属电缆桥架多点同各层楼板钢筋实行等电位联结。

这样做法，即使外屏蔽层中流过大电流出现很大的电位差，由于内屏蔽层及其内部的数据线只有一点接地，不构成通流回路，始终保证内屏蔽层及其内部数据线处于同参考地等电位状态，达到良好的屏蔽和等电位连接效果，保证系统硬件的安全和运行可靠性。

如果没有内屏蔽层，则外屏蔽层两端出现很大的电位差时，便可能对其内部数据线及其所连接的设备绝缘击穿。

信息系统数据、信号线在各层配线架处装设专用电涌保护器。

3、5信息系统的数据、信号传输线路长距离传输采用光纤电缆

发射场信息系统数据、信号从技术区到发射区传输长达近2km，采用了光纤电缆传输。

利用光纤传输信息，不仅可以使传输带宽得以扩展，传输距离增长，更重要的是光缆优异的抗电磁干扰及抗信息泄露的性能是铜质媒体无法比拟的。

3、6计算机总线技术的抗干扰措施

计算机总线分为内部总线（系统总线）和外部总线。

内部总线的作用是将计算机主板上的CPU、内存、外设接口及其它各类集成芯片连接在一起。

内部总线及主板上的各种元器件的抗干扰能力，是靠高质量的印刷电路板（PCB板）及合理的各种总线及元器件的分布来解决的。

现在计算机主板的PCB板都是4层到6层的多层板，地线单独安排在中间层。

各种台式计算机和服务器的地线并不与其设备外壳做电器连接。

也就是说计算机的信号地是悬浮的。

计算机外部总线是指计算机接口与各种外设连接的总线。

数据的传输方式主要以串行传输方式为主。

常用的RS-232通信接口为了克服地线耦合的共模干扰和线路分布电容造成的信号畸变，采用大幅度的电位摆动（﹣15V—﹢15V）来抑制干扰。

RS-485接口采用平衡方式传输，即双端发送和双端接受。

靠两条传输线的电位差来表示信号的逻辑值，而不是根据信号线上的电平相对于公共信号地电平的大小来确定信号逻辑值，因此它具有很强的抗共模干扰能力。

RS-485接口采用双绞线传输信号，在传输速率100kbps的情况下，传输距离为1.2km。

3、7计算机网络参考地的做法

对于戈壁滩高电阻率区，要想获得独立的低接地电阻的接地网很困难，况且，要想把各建筑物的防雷地、保护地、信息地等各种接地完全分开很难做到，因此发射场的垂直测试厂房、发射测试控制指挥楼和发射脐带塔分别做了一个接地大网（联合共用接地网），其接地电阻值都在0.5Ω以下。

其特点是信息系统接地、保护接地、防雷接地、防静电接地、等电位接地共用同一个接地网，可以形成等电位接地，防止由于各接地点电位不相等而导致高电位反击。

其中各系统局域网采用一点接地，设在主机房，各个终端采用悬浮地。

如果存在两点接地，则在两个参考地之间出现微小的电位差，便可能发生数据差错、丢失或死机等运行故障。

在整个局域网主机和终端均采用TT系统供电和只有主机参考地一点悬浮地的情况下，地电位任何浮动都不会危及系统硬件安全和运行可靠性。

主机房的所有设备设置在一个等电位的金属平板（采用防静电地板）上。

将各设备（包括外围设备，如UPS等）的参考地用最短的屏蔽导线连接到该金属板上。

金属板只有一点同本层楼板钢筋相连，以防大电流（诸如雷电电流）通过钢筋时金属板产生电位差。

以太网参考地按以下方式设置：

当数据总线采用光缆时，各系统应分别设置参考地；当数据总线采用屏蔽金属导线时，参考地设在主要系统的主机房内。

其它系统的参考地应悬浮连接。

该金属屏蔽层作为内屏蔽，只能与主机房的参考地一点连接，不构成通流回路，始终保证内屏蔽层及其内部数据线处于同参考地等电位状态，达到良好的屏蔽和等电位连接效果，保证系统硬件的安全和运行可靠性。

4、应用情况

载人航天发射场信息设备抗干扰技术的应用，在神州1#—神州6#的成功发射中得到了很好的鉴定，使信息设备免受雷击干扰、电磁波干扰、地电位升高干扰、谐波干扰、强、弱电线路并行导线之间分布电容耦合干扰、以及采用等电位措施后，TN-S、TN-C-S电源系统对信息设备造成的干扰。

发射场信息系统设备，工作正常，运行良好，达到了零故障状态。

为以后神州系列载人飞船成功发射、正常运转、安全返回起到技术保障作用。