大学设计信息技术设备抗干扰研究.docx

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大学设计信息技术设备抗干扰研究

南京气象学院

毕业论文

系别电子工程系专业防雷专业

姓名刘唯学号200405214

论文题目信息技术设备的抗干扰

指导教师梅卫群

二OO四年六月

信息技术设备的抗干扰

摘要：

本文主要讲书述了干扰的来源，以及基本的解决方法还有雷击浪涌产生的原因，介绍了浪涌保护器的保护原理及安装。

关键词：

接地雷击浪涌浪涌保护电路

一、引言

随着电子计算机之类的信息技术（IT）设备的应用日益广泛，这类设备的干扰问题也随之而来。

如果抗干扰问题不妥善处理则IT设备难以正常工作，有时可能造成巨大经济损失或政治损失。

二、干扰的来源

干扰按其来源分为自然的和人为的干扰。

人为骚扰源包括连续波骚扰、瞬态干扰和非线形现象。

电子噪声源、天电噪声、地球外噪声、沉积静电等都是自然干扰源。

另外，雷电也是干扰中比较严重的干扰源之一。

三、IT设备抗干扰的措施

需要说明抗干扰问题的解决与设备本身的抗干扰水平、工作频率以及现场干扰电磁场强度、电源质量参数等外界影响条件有关。

在设计阶段往往无法妥善处理好抗干扰问题常需要电气装置安装完毕投入使用时在现场用仪器进行检测，测定干扰的起因和幅度后，采取一些改正措施，有时只需简单的纠正一下布线和接地的不正确就可消除干扰，下面所列是一些在电气设计中能注意的基本的抗干扰要求。

1、IT设备的电源线路应和干扰源设备的电源线路分开，IT设备遇到即使极短暂间断供电也会丢失数据，它如果和大功率电动机同一电源线路则电动机启动时的大幅度电压骤降，对IT设备而言，其影响无异间断供电，也可能丢失数据。

有些大功率的非线性负载是引起波形畸变的谐波产生源，有些能产生电弧的设备则能在设备上引起电压波动，诸如此类的设备对IT设备而言都是能引起电源扰动的干扰源，在电源线路上应与分开，如能用不同的配电变压器供电，抗干扰效果更好。

2、IT设备应远离产生电磁场的设备。

大功率变压器、电动机等设备都是产生干扰电磁场的设备，IT设备在空间布置上应远离这些设备。

3、IT设备应远离载有大电流的导体。

诸如载有大电流的无屏蔽接地的母干线或穿管道线等都能产生干扰电磁场，IT设备都应与之远离。

4、IT设备电源线路作用于切断电源的防护电器应具有适当的延时。

这是指遭遇雷击时，瞬间雷电流脉冲通过电源线路对地放电，断路器、RCD等保护电器可能瞬间跳闸，引起不应有的间断供电，使数据丢失。

如果保护电器若稍具有延时，就可躲过雷电脉冲，避免这种间断供电。

5、在IT设备电源线路上视干扰性质的不同，安装合适的消除电源扰动的设备。

这类设备，例如调压器、滤波器、电涌保护器、电动机－发电机组、UPS等，各有不同的作用，可用有针对性的消除不同性质的电源干扰。

6、妥善设置IT设备的接地和等电位连接。

7、IT设备的信号线靠近电力线时，应加以屏蔽，两者交叉时应做直角交叉，以减少电力线对信号线的干扰。

8、IT设备的电源线和和信号线应远离防雷装置的引下线，否则应加以屏蔽。

装设有防雷装置的建筑物遭受雷击时，防雷引下线将瞬间通过以若干千安计的雷电冲击电流，其周围空间将产生强大瞬变的电磁场，建筑物的IT设备的电源线、信号线如靠近引下线，不仅受其干扰，也可能因感应脉冲过电压而损坏设备，因此应远离防雷引下线（包括分流雷电流的建筑物外墙的立柱钢筋）至少2m，否则应加以屏蔽。

9、接向设备的信号线和电源线宜布置在同一线路通道内，以免形成大包环绕。

图一所示的两台IT设备其间的信号线和电源线未布置在同一线路通道内，从而形成一大面积的闭合环，当空间有瞬变的电磁场时次包饶环内将产生感应电压，它能干扰甚至损坏IT设备。

若能如图二所示，将两路线路布置在同一线路通道内，使其形不成包环绕，则这类事故的发生几率将大为降低。

图一信号线和电源线闭合成大环感应产生干扰电压

图二信号线和电源线敷设在同一通道内不形成闭合环

10、IT设备的信号线宜采用屏蔽接地的电缆、穿钢管导线或双绞线，以消除或减少干扰电磁场的影响。

11、单芯导线组成的电源回路应套金属管槽等外护物以做屏蔽，并在两端与等电位系统相连通而接地，以消除或减少单芯导线不对称布置产生的电磁场的干扰。

12、分离的不同等电位连接场所宜采用光缆做作信息联系。

分离的不同等电位连接场所的等电位连接系统的对地电位不同存在电位差。

若场所间仍采用电的联系，势将引起干扰。

光缆联系是非电的联系，不会因电位差而产生这种干扰。

四、IT设备的接地和等电位连接

IT设备的正确接地和等电位连接是保证设备正常工作的重要措施。

视IT设备的工作工作频率、本身的抗干扰水平和现场干扰源条件不同，其接地要求也不尽相同，现简述如下：

1、保护接地和信号接地的关系

IT设备有两个接地：

一个是为电气安全而设置的保护接地，即将设备的金属外壳接以PE线的接地；另一个是为实现其功能性作用的信号接地。

按IEC标准规定，除个别特殊情况外一个建筑物电气装置内只允许存在一个共用的接地装置，并应实施等电位连接，这样才能在建筑物内消除或减少电位差。

对IT设备也不例外，其保护接地和信号接地只能共用接地装置而不能分接不同的接地装置，也即信号接地是通过连接PE线而实现接地的。

如果分设两个接地，不但在电气装置内出现电位差会对人身不安全，而且对IT设备也同样不安全。

不妨设想IT设备的电源线因感应雷击瞬态脉冲过电压而进入IT设备，但设备的信号接地则另接单独的地，其电位为零伏，设备内部不可避免的在某些部位出现危险地电位差，信息设备被过电压击坏的危险将是很大的。

如果共用一个地，信号地的电位即PE线的电位，设备击坏的危险将小的多。

在共用同一接地系统并实施等电位连接后，对IT装置的接地电阻阻值的大小没有要求，因IT装置是以等电位连接系统的电位而不是以大地的电位为参考电位。

2、IT设备的接地的特殊要求

随着IT设备的工作频率日益提高，因此要求尽量减少接地和连接通路的接地阻抗，其走线应尽力短而直。

为此可将电源进线处的接地母排延伸为接地母干线，它沿建筑物外墙内墙的墙角敷设。

凡需连接的金属部分，例如金属结构、管道等都可在建筑物任一处就近与该接地母干线相连接而不必接往汇集总等电位连接的接地母排，以减少回路的接地阻抗。

柱子钢筋应与此接地母干线连接以加强垂直方向的等电位连接。

为使接地母干线阻抗中的电阻分量不至过大，接地母干线的截面应适当的加大。

IEC标准认为采用50mm2截面的铜质导体在技术上和经济上是比较适当的。

对于大型建筑物，接地母干线可敷设成环。

它可采用绝缘导体，也可采用裸导体。

当采用锣导体时，如固定用的支撑为另一种金属材料，则固定处的裸体导体应包以绝缘，以避免不同接触形成局部电池腐蚀接地母线排。

为保证等电位连接的低阻抗和钢筋混凝土建筑物屏蔽的有效性，IEC标准规定安装IT设备的建筑物内的主钢筋应采用焊接，并与接地母干线相连。

如果不允许焊接可采用压接，也可专门放置一作等电位连接用的钢筋，此钢筋的连接应采用焊接，它也可与原有的钢筋绑扎相连。

成排的IT设备如果长度超过10m，宜在两个端头处与IT设备下敷设局部的等电位网格或接地母干线相连结而实现可靠的接地，以提高接地系统导通的可靠性

五、IT设备接地方式推荐的三种范例

1、放射式（S式或称星形接地）接地

对于现有建筑物内抗干扰能力较强、工作频率比较低的IT设备，可采用放射式的接地方式，如图三所示。

从图可知，从配电箱PE母排放射引出的PE线兼作IT设备的信号接地线。

此PE线具有较大的阻抗因此设备间信号线承受的噪声水平较高。

但对于抗干扰能力较强的IT设备，这种用带PE接线插脚的三脚插头插入插座即接入电源并同时实现保护接地和信号接地的方式是最为简单易行的，它适用于住宅、小商业楼之类的IT设备。

图三用电源线路的PE线作放射接地

这种接地方式中，如IT设备和其他干扰源设备共用同一末端回路和PE线，因回路阻抗的耦合，对此IT设备的干扰可能较强。

如果此IT设备采用单独的末端回路和PE线，将能大大减少干扰。

在有些情况下，图三中如将PE线和配电盘内为其专设的PE母排加以绝缘，并用绝缘的导线接向建筑物的接地母线排，在接地母线排前与其它金属部分绝缘，其抗干扰效果可进一步得到提高。

采用这种做法时，配电盘内出现两个PE母排，IT设备的PE线和PE母排则被称之为隔离的PE线和PE母排。

2、水平局部等电位的网格式（M式）接地

在图四中，除用PE线做保护接地外，还将IT设备的外壳尽量短而直的连接到设备下方的局部等电位铜质网格上以取得低阻抗的信号接地。

网格也和配电箱内的PE母排相连接。

网格的尺寸约为IT设备工作频率的波长的1/10，可取为600mm×600mm。

铜带宽可为60～80mm，厚约0.6mm，以增大表面积，减少高频集肤效应导致的高频阻抗。

此网格的作用是为IT设备间的高频连接通路提供一低阻抗的参考电位平面，从而降低干扰水平。

图四M式接地方式

在此接地方式中，如果将IT设备的电源线路以及PE线与其它线路分开，并将质网格与地绝缘，则PE线需和插座的金属接线盒、穿线钢管以及其他回路的PE线绝缘，直到与总等电位连接的接地母排连接为止。

3、水平和垂直的等电位连接接地

由于IT设备的工作频率的日益提高，即使使用了上述水平局部等电位连接网格式接地方式，并与绝缘线予与隔离，但由于在高频条件下导体与导体间存在电感耦合，互相靠近的的导体间又存在电感耦合，高频干扰信号将通过这些耦合的传导而难以消除。

为此又推出了种水平和垂直等电位连接的接地方式。

采用这种接地方式时，在信息网络建筑物内有需要装设水平等电位网格，这些网格又和所在场所的电气装置外露导电部分、建筑物金属结构、管道等就近相连接。

各楼层间也通过金属结构、管道等相互作垂直的连接，如图五所示。

图五水平和垂直接地示意图

采用这种方式时也需要从等电位连接接地母排引申出接地母干线，以便于与各种金属结构、管道等作水平和垂直的低阻抗的直接连接。

由于这种接地方式具有众多的连接点和分流通路，其高频阻抗将大大降低，对于只具有一般抗干扰水平的IT设备与其下网格的连接线也应尽量短而直，以不大于500mm为好。

网眼的尺寸不应过大，否则将影响干扰的效果。

这种接地方式特别适用于新建的IT网络建筑物，他较能适应设计时对各种干扰因素尚不清楚的场所。

以上是对干扰的一些最基本的防护措施，但一些测量线、控制线、电源线上的浪涌同样会通过工频供电电源对设备造成干扰和损坏，这时单一的防护措施不一定将干扰得到很好的抑制。

六、浪涌引起的干扰和防护

1、浪涌的分类

一般来讲，电压浪涌基本上可以分为二类，一类是系统内部引起的、低能量的浪涌（高电压快速瞬变），例如开关操作引起的浪涌以及由系统外部耦合到系统的电压浪涌，第二类则是来自系统外部的浪涌，一般为耦合到系统中的大功率的电压浪涌，其电流峰值可高于10kV。

导致浪涌的原因还有静态器件的冲放电、如高压线的开关和核爆炸引起的电磁脉冲（EMP或NEMP），但最常见的还是雷击引起的浪涌。

2、浪涌的耦合方式

雷击电流可以各种方式或多或少的耦合到电气系统上。

最典型的方式则是通过接地电阻或通过耦合分布参数。

如图六所示。

图六雷电流的耦合示意图

图六中，避雷器接地电阻Re上的电压可达到100kV，其中的一部分电压会作用到测量传感器或发射器上及其周围的物体上，这时往往会产生火花放电。

此时，即使信号线没有遭到雷击，设备的信号输入端也会遇到干扰。

这也说明，对于一个电工电子设备所有与远程设备的连接点都必须受到保护。

如果可能的话，设备的户外安装点（发射器等）应尽可能的给予隔离保护。

这种情况下，被保护的单元可免受雷击引起的频繁火花放电的干扰，当然，连接电缆对地应该有足够的介电强度。

实用的方法是保护最弱的绝缘点以使放电火花不会对设备造成永久性的破坏。

浪涌保护器也可作为目标点使用。

由电气耦合的过电压可以估算出电流半峰值约为1ms。

由磁耦合则可估算出雷击电流参数di/dt的值。

在与避雷器磁耦合的导体环路中，最大电压是由最大电流感应产生的。

雷电流达到其峰值一般是在几个微秒之内，磁耦合的电压浪涌达到其峰值的时间上限一般为20μS。

拒有关的经验表明，对浪涌保护器来讲25kA的放电能力足够适用于所有的实际情况。

极其特殊的情况下，大功率和持续时间长的雷击电流会击穿保护器（如电车系统中的牵引电缆），对100kA这类特别大的放电电流可以连接一个特制的电感进行放电。

七、保护电路

电压浪涌保护器由初级和次级保护单元组成。

它至少包括一串联阻抗以解耦各种限压单元。

图七说明了这种装置的基本原理。

图七保护电路

当然，ZL的电阻部分也十分重要。

一方面，电阻值应尽量的大，这样，即使输入电压增长非常缓慢至刚刚低于浪涌保护器的静态点火电压时，串联的保护二级管也不会遭到破坏，另一方面，正常应用时的电压降也可以维持在一个合理的水平

不论何种形式的保护电路都不是万能的，只有将它正确安装在要保护的系统中时，才能起到保护作用。

安装时，在保护电路的输入和输出之间产生的附加的外部耦合（容性、磁性、和电气耦合）应越少越少。

图八中的三副图表示这三种可能的耦合方式

（1）保护电路非正确连接时的三种耦合途径

（2）保护电路未正确安装时通过放电地电阻的电气耦合

（3）上图为保护电路的优化安装

图八保护电路非正确安装时的三种可能的耦合方式

利用适当的布线和屏蔽可以容易的去除容性和磁性耦合，对放电地为电阻性耦合、尤其对放电地为感性阻抗所引起的电气耦合则很难去除。

图八

（2）表示了冲击引起电流i的电压降u1作用于被保护的电子系统的输入端的情况。

实际上，接地电缆至少也有几M的长度，即使使用非常粗的导体时，每M的电感量也不会有很大降低，因此电压降u1必须通过改变对地的布线来消除，其具体方法如上文的几种基本做法。

放电地和系统地相互间的磁性耦合必须尽可能的小。

必要时必须利用适当的电感抑制不可避免的第二次接地。

一般来讲，所有设备的输入和输出，例如电源连接，必须利用保护电路进行保护以防具有同一接地系统。

当在大面积范围内进行多组设备的保护安装时，我们所面临的问题是安装能否作为一个整体受到保护，或是否还要建立多组保护电路。

通常来说保护系统中的保护电路越少越好，如能为其提供可靠的、公共的高频地，通用保护系统是唯一可行的方式。

最好是通过法拉第笼来获取等电位点。

当然，系统地所要求的高频特性很大程度上取决于冲击电流的最大变化值di/dt，di/dt的最大值也可通过其他方式大大的降低，例如在保护电路前面加上大约50m的防雷电缆。

如果形成组，组周围所画交叉点处的所有电缆连接都必须受到保护电路或保护器的保护。

一组设备中的所有保护电路应尽可能的安装在一起，最好是安装在一块公共金属板上，组地则连到这块金属板上而且只能安装在这里。

八、对被保护设备的要求

经验表明，很少有设备生产厂会在设备的开发阶段考虑其设计的抗电压浪涌的问题。

即使是主要与户外测量电缆相连的设备，也经常缺少最基本的二次保护措施。

因此，在每一种情况下都应该确定被保护的电子系统能否承受保护电路的可能的最大输出。

如果不是这样就必须内置附加的二次保护装置。

如图九所示

电阻R的值应该是使持续时间为10ms的接近点火电压的脉冲电压不能损坏与Vp和VA相连的两个二极管。

为了避免耦合到传输线，接收机或发射机一般是不接地的。

在这种情况下，不限压的二次保护装置单元可以接地，即使只有几伏的对地电位差，也会排除电流，同时也会影响信号传输。

图九所示为两端内置保护电路经过正确设置的数据通道。

九、总结：

在电子技术的迅速发展的同时，电子设备的集成度越来越高，其耐受过电压的水平却越来越脆弱，这就为设备的耐压能力和抗干扰能力提出了新的挑战，如何应对这些问题已是一项重要的任务。

十、参考文献

《电工电子设备和系统的雷击浪涌及其防护》谢娟娟

《信息技术的抗干扰》王厚余

《电磁兼容与防雷》区健昌

《信息通信设备的防护措施》李承耀