电气系统抗干扰措施.docx
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电气系统抗干扰措施
目录
1概述2
1.1干扰的传播途径2
1.2接地技术概述2
2接地的种类和目的2
2.1安全接地2
2.2防雷接地2
2.3工作接地3
2.3.1信号地3
2.3.2模拟地3
2.3.3数字地3
2.3.4电源地3
2.3.5功率地3
2.4屏蔽接地3
3接地方式3
3.1单点接地4
3.2多点接地4
3.3混合接地4
3.4浮地4
4接地电阻4
4.1对接地电阻的要求4
4.2降低接地电阻的方法4
4.3接地电阻的计算4
5屏蔽地5
5.1电路的屏蔽罩接地5
5.2电缆的屏蔽层接地5
5.2.1低频电路电缆的屏蔽层接地5
5.2.2高频电路电缆的屏蔽层接地5
5.3系统的屏蔽体接地5
6设备地5
7系统地6
8安装与配线7
8.1EMC安装规则7
8.2抗干扰布线原则10
8.3控制电缆选择11
8.4抗干扰接地12
9参考文件17
1
概述
1.1干扰的传播途径
干扰的途径可以归为2类：
1是通过空间的电磁干扰（感应、辐射），2是通过线路传导（共阻抗耦合）；各种干扰源与敏感设备间的耦合途径有传导、感应、辐射，以及它们的组合。
形成被干扰结果的三个基本要素：
有电磁干扰源的存在、有传播的途径和媒介、有敏感设备和元件；
共阻抗耦合：
当两个以上不同电路的电流流过公共阻抗时，就出现工阻抗耦合。
在电源线合接地导体上的传播的骚扰电流，通常是通过共阻抗耦合进入敏感电路的。
典型例子：
电路1和电路2有公共的0V回路，对电路1来说，它的地电压被流动在共地阻抗上的电路2的地电流所调制。
感应耦合：
分为电感应（容性）耦合和磁感应（感性）耦合两种；
电感应耦合：
源电路上的电压可产生变化，它与敏感电路相互作用后，就出现电感应（容性）耦合。
感应电压与源电压、频率、导体形状和电路阻抗有关。
典型例子：
两个平行敷设的电缆之间形成电容（几何形状），当一根导线中的电压和频率变化时通过电容效应会对另一导线中的信号产生干扰。
磁感应耦合：
当变化的电流产生磁通时，使源电路与另一电路（敏感电路）链环，结果出现磁感应耦合；磁感应耦合同样与源电压、频率、导体形状和电路阻抗有关。
导线都存在电感因素，当一根导线中的电流和频率变化时，会在临近空间产生磁场的变化，变化的磁通会在临近导线中产生电感效应，导致在另一导线中的信号受到干扰。
辐射耦合：
辐射电磁场是骚扰耦合的另一种方式，除了有意辐射外，还有无意辐射，例如：
天线、或者小环天线作用的线路和电缆，都可能辐射电场或磁场。
典型途径：
天线-天线、天线-电缆、天线-机壳、电缆-机壳、机壳-机壳、电缆-电缆之间。
可见，身处日益复杂的电磁环境中的电气设备除了不干扰其他设备（称为干扰源），同时，必须提高自身的抗干扰能力，才能使设备可靠运行。
1.2接地技术概述
接地技术最早是应用在强电系统（电力系统、输变电设备、电气设备）中，为了设备和人身的安全，将接地线直接接在大地上。
由于大地的电容非常大，一般情况下可以将大地的电位视为零电位。
后来，接地技术延伸应用到弱电系统中。
对于电力电子设备将接地线直接接在大地上或者接在一个作为参考电位的导体上，当电流通过该参考电位时，不应产生电压降。
然而由于不合理的接地，反而会引入了电磁干扰，比如共地线干扰、地环路干扰等，从而导致电力电子设备工作不正常。
可见，接地技术是电力电子设备电磁兼容技术的重要内容之一，有必要对接地技术进行详细探讨。
2接地的种类和目的
电力电子设备一般是为以下几种目的而接地：
2.1安全接地
安全接地即将机壳接大地。
一是防止机壳上积累电荷，产生静电放电而危及设备和人身安全；二是当设备的绝缘损坏而使机壳带电时，促使电源的保护动作而切断电源，以便保护工作人员的安全。
2.2防雷接地
当电力电子设备遇雷击时，不论是直接雷击还是感应雷击，电力电子设备都将受到极大伤害。
为防止雷击而设置避雷针，以防雷击时危及设备和人身安全。
上述两种接地主要为安全考虑，均要直接接在大地上。
2.3工作接地
工作接地是为电路正常工作而提供的一个基准电位。
该基准电位可以设为电路系统中的某一点、某一段或某一块等。
当该基准电位不与大地连接时，视为相对的零电位。
这种相对的零电位会随着外界电磁场的变化而变化，从而导致电路系统工作的不稳定。
当该基准电位与大地连接时，基准电位视为大地的零电位，而不会随着外界电磁场的变化而变化。
但是不正确的工作接地反而会增加干扰。
比如共地线干扰、地环路干扰等。
为防止各种电路在工作中产生互相干扰，使之能相互兼容地工作。
根据电路的性质，将工作接地分为不同的种类，比如直流地、交流地、数字地、模拟地、信号地、功率地、电源地等。
上述不同的接地应当分别设置。
2.3.1信号地
信号地是各种物理量的传感器和信号源零电位的公共基准地线。
由于信号一般都较弱，易受干扰，因此对信号地的要求较高。
2.3.2模拟地
模拟地是模拟电路零电位的公共基准地线。
由于模拟电路既承担小信号的放大，又承担大信号的功率放大；既有低频的放大，又有高频放大；因此模拟电路既易接受干扰，又可能产生干扰。
所以对模拟地的接地点选择和接地线的敷设更要充分考虑。
2.3.3数字地
数字地是数字电路零电位的公共基准地线。
由于数字电路工作在脉冲状态，特别是脉冲的前后沿较陡或频率较高时，易对模拟电路产生干扰。
所以对数字地的接地点选择和接地线的敷设也要充分考虑。
2.3.4电源地
电源地是电源零电位的公共基准地线。
由于电源往往同时供电给系统中的各个单元，而各个单元要求的供电性质和参数可能有很大差别，因此既要保证电源稳定可靠的工作，又要保证其它单元稳定可靠的工作。
2.3.5功率地
功率地是负载电路或功率驱动电路的零电位的公共基准地线。
由于负载电路或功率驱动电路的电流较强、电压较高，所以功率地线上的干扰较大。
因此功率地必须与其它弱电地分别设置，以保证整个系统稳定可靠的工作。
2.4屏蔽接地
屏蔽与接地应当配合使用，才能起到屏蔽的效果。
比如静电屏蔽。
当用完整的金属屏蔽体将带正电导体包围起来，在屏蔽体的内侧将感应出与带电导体等量的负电荷，外侧出现与带电导体等量的正电荷，因此外侧仍有电场存在。
如果将金属屏蔽体接地，外侧的正电荷将流入大地，外侧将不会有电场存在，即带正电导体的电场被屏蔽在金属屏蔽体内。
再比如交变电场屏蔽。
为降低交变电场对敏感电路的耦合干扰电压，可以在干扰源和敏感电路之间设置导电性好的金属屏蔽体，并将金属屏蔽体接地。
只要设法使金属屏蔽体良好接地，就能使交变电场对敏感电路的耦合干扰电压变得很小。
上述两种接地主要为电磁兼容性考虑。
3接地方式
工作接地按工作频率而采用以下几种接地方式：
3.1单点接地
工作频率低（<1MHz）的采用单点接地式（即把整个电路系统中的一个结构点看作接地参考点，所有对地连接都接到这一点上，并设置一个安全接地螺栓），以防两点接地产生共地阻抗的电路性耦合。
多个电路的单点接地方式又分为串联和并联两种，由于串联接地产生共地阻抗的电路性耦合，所以低频电路最好采用并联的单点接地式。
为防止工频和其它杂散电流在信号地线上产生干扰，信号地线应与功率地线和机壳地线相绝缘。
且只在功率地、机壳地和接往大地的接地线的安全接地螺栓上相连（浮地式除外）。
地线的长度与截面的关系为：
S>0.83L
（1）
式中：
L——地线的长度，m；
S——地线的截面,mm2
3.2多点接地
工作频率高（>30MHz）的采用多点接地式（即在该电路系统中，用一块接地平板代替电路中每部分各自的地回路）。
因为接地引线的感抗与频率和长度成正比，工作频率高时将增加共地阻抗，从而将增大共地阻抗产生的电磁干扰，所以要求地线的长度尽量短。
采用多点接地时，尽量找最接近的低阻值接地面接地。
3.3混合接地
工作频率介于1～30MHz的电路采用混合接地式。
当接地线的长度小于工作信号波长的1/20时，采用单点接地式，否则采用多点接地式。
3.4浮地
浮地式即该电路的地与大地无导体连接。
其优点是该电路不受大地电性能的影响；其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰；由于该电路的地与大地无导体连接，易产生静电积累而导致静电放电，可能造成静电击穿或强烈的干扰。
因此，浮地的效果不仅取决于浮地的绝缘电阻的大小，而且取决于浮地的寄生电容的大小和信号的频率。
4接地电阻
4.1对接地电阻的要求
接地电阻越小越好，因为当有电流流过接地电阻时，其上将产生电压。
该电压除产生共地阻抗的电磁干扰外，还会使设备受到反击过电压的影响，并使人员受到电击伤害的威胁。
因此一般要求接地电阻小于4Ω；对于移动设备，接地电阻可小于10Ω。
4.2降低接地电阻的方法
接地电阻由接地线电阻、接触电阻和地电阻组成。
为此降低接地电阻的方法有以下三种：
——降低接地线电阻，为此要选用总截面大和长度短的多股细导线。
——降低接触电阻，为此要将接地线与接地螺栓、接地极紧密又牢靠地连接并要增加接地极和土壤之间的接触面积与紧密度。
——降低地电阻，为此要增加接地极的表面积和增加土壤的导电率（如在土壤中注入盐水）。
4.3接地电阻的计算
垂直接地极接地电阻R为：
R=0.366（ρ/L）lg（4L/d）Ω
（2）
式中：
ρ——土壤电阻率,Ω•m；
L——接地极在地中的深度,m；
d——接地极的直径,m。
例如，黄土ρ取200Ω•m，L为2cm，d为0.05m，则垂直接地极接地电阻R为80.67Ω。
如在土壤中注入盐水，使ρ降为20Ω•m时，则接地极接地电阻R为8.067Ω。
5屏蔽地
5.1电路的屏蔽罩接地
各种信号源和放大器等易受电磁辐射干扰的电路应设置屏蔽罩。
由于信号电路与屏蔽罩之间存在寄生电容，因此要将信号电路地线末端与屏蔽罩相连，以消除寄生电容的影响，并将屏蔽罩接地，以消除共模干扰。
5.2电缆的屏蔽层接地
5.2.1低频电路电缆的屏蔽层接地
低频电路电缆的屏蔽层接地应采用一点接地的方式，而且屏蔽层接地点应当与电路的接地点一致。
对于多层屏蔽电缆，每个屏蔽层应在一点接地，各屏蔽层应相互绝缘。
5.2.2高频电路电缆的屏蔽层接地
高频（>30MHZ）电路电缆的屏蔽层接地应采用多点接地的方式。
当电缆长度大于工作信号波长的0.15倍时，采用工作信号波长的0.15倍的间隔多点接地式。
如果不能实现，则至少将屏蔽层两端接地。
5.3系统的屏蔽体接地
当整个系统需要抵抗外界电磁干扰，或需要防止系统对外界产生电磁干扰时，应将整个系统屏蔽起来，并将屏蔽体接到系统地上。
6设备地
一台设备要实现设计要求，往往含有多种电路，比如低电平的信号电路（如高频电路、数字电路、模拟电路等）、高电平的功率电路（如供电电路、继电器电路等）。
为了安装电路板和其它元器件、为了抵抗外界电磁干扰而需要设备具有一定机械强度和屏蔽效能的外壳。
典型设备的接地如图1所示。
图5-1设备的接地
设备的接地应当注意以下几点：
—50Hz电源零线应接到安全接地螺栓（PE母排）处，对于独立的设备，安全接地螺栓（PE母排）设在设备金属外壳上，并有良好的电连接；
—为防止机壳带电，危及人身安全，不许用电源零线作地线代替机壳地线；
—为防止高电压、大电流和强功率电路（如供电电路、继电器电路）对低电平电路（如高频电路、数字电路、模拟电路等）的干扰，将它们的接地分开。
前者为功率地（强电地），后者为信号地（弱电地），而信号地又分为数字地和模拟地，信号地线（TE1,TE2…）应与功率地线和机壳地线相绝缘；
—对于信号地线可另设一信号地螺栓（TE母排）和设备外壳相绝缘，该信号地螺栓（TE母排）与安全接地螺栓（PE母排）的连接有三种方法（取决于接地的效果）：
一是不连接，而成为浮地式；二是直接连接，而成为单点接地式；三是通过一3μF电容器连接，而成为直流浮地式，交流接地式。
其它的接地最后汇聚在安全接地螺栓上（该点应位于交流电源的进线处），然后通过接地线将接地极埋在土壤中。
7系统地
当多个设备组成一个系统时，系统的接地如图2所示。
图7-1PE-TE系统的接地
系统的接地应当注意以下几点：
—参照该产品说明书中的设备接地注意事项；
—设备外壳用设备外壳地线和机柜外壳相连；
—机柜外壳用机柜外壳地线和系统外壳相连；
—对于系统，安全接地螺栓设在系统金属外壳上，并有良好电连接；
—当系统内机柜、设备过多时，将导致数字地线、模拟地线、功率地线和机柜外壳地线过多。
对此，可以考虑铺设两条互相并行并和系统外壳绝缘的半环形接地母线，一条为信号地母线，一条为屏蔽地及机柜外壳地母线；系统内各信号地就近接到信号地母线上，系统内各屏蔽地及机柜外壳地就近接到屏蔽地及机柜外壳地母线上；两条半环形接地母线的中部靠近安全接地螺栓，屏蔽地及机柜外壳地母线接到安全接地螺栓上；信号地母线接到信号地螺栓上；
—当系统用三相电源供电时，由于各负载用电量和用电的不同时性，必然导致三相不平衡，造成三相电源中心点电位偏移，为此将电源零线接到安全接地螺栓上，迫使三相电源中心点电位保持零电位，从而防止三相电源中心点电位偏移所产生的干扰；
接地极用镀锌钢管，其外直径不小于50mm，长度不小于2.0m；埋设时，将接地极打入地表层一定深度、并倒入盐水，一般要求接地电阻小于4Ω，对于移动设备，接地电阻可小于10Ω。
8安装与配线
8.1EMC安装规则
为了保证柜子在恶劣电气环境下的电磁兼容性，当设计和安装控制柜时，应遵守以下的EMC规则，规则1-10普遍有效，规则11-15是满足干扰辐射标准所必须执行的。
规则1:
柜内所有金属构件之间必须利用最大可能的表面电气连接（不是涂料与涂料）。
需要的地方必须使用爪垫或接触垫圈。
柜门应该通过尽可能短的接地电缆带接到柜体上（顶部、中部或地部）。
规则2：
控制柜或相邻柜中，如果使用了接触器、继电器、电磁阀等，应安装吸收元件，例如：
RC元件、压敏电阻或二极管。
这些元件必须直接接到线圈上。
规则3：
可能的话进入柜内的信号线（数字信号电缆、模拟线号电缆、脉冲编码器电缆、通讯电缆等）应为同一电压等级。
规则4：
同一电路中的非屏蔽电缆（输入或输出导线）应绞接，或他们之间的距离应保持尽可能地短，以避免耦合干扰。
规则5：
将备用导线的两端接到柜子地（地线），以增加附加的屏蔽效果。
（术语“地”通常指的是所有金属导电部件，他们可以同保护导体相连接，例如柜壳、电动机外壳、地基等）
规则6：
减少电缆的无用长度，以减少耦合电容和电感o
规则7：
如果电缆是紧挨着柜子地布线，相互干扰将较小。
因此，柜内的连线不应随便布置，而应尽可能地贴着柜架和安装板，这也适用于备用电缆。
规则8：
信号电缆和动力电缆必须相互分开布线（避免耦合干扰），至少应保持20cm的间距。
如果编码器电缆和电机电缆不能分开布置，那麽编码器电缆必须通过安装金属隔离物或置于金属管或金属槽内以实现解耦，金属线槽必须多点接地。
规则9：
数字屏蔽电缆的接地必须双端接地（源和目标）：
如果屏蔽层间的电势差较大，就应增加一个至少10mm2的电缆与屏蔽平行连接，以减小屏蔽电流。
一般来说屏蔽层可以在多点连接到柜壳（地），屏蔽层也可在柜外多点接地。
应避免使用薄金属片屏蔽层，它们的屏蔽效果较差，与编织带屏蔽层相比，其效果是有后者的1/5。
规则10：
模拟量的屏蔽电缆，如果有好的电位体，应双端接地（大面积导体），如果所有的金属部件均有良好的连接，并且所有有关的电器元件均由同一电源供电，电位体即可认为是好的。
单端屏蔽接地的接线可以预防低频容性干扰的耦合（例如：
50hz的交流声），屏蔽接线应在柜内完成，在这种情况下，应选用屏蔽线来连接。
规则11：
无线电干扰抑制滤波器应始终安装在靠近被认为是干扰源的地方，滤波器必须安装在与柜体和安装板等尽可能大的面积上，进出电缆必须分别布置。
规则12：
为了保证符合极限值等级A1（EN55011标准中定义的干扰辐射强度的等级），RI抑制滤波器的使用是必要的，附加的负载必须连接到滤波器的进线侧。
柜中控制系统和其他的接线，决定了是否还要加装其他线路滤波器。
规则13：
对于可控励磁电源，必须安装一个进线电抗器。
规则14：
在整流器的进线侧必须加装进线电抗器。
规则15：
非屏蔽的电动机电缆可以用于整流器装置。
但应注意进线电源电缆与电动机电缆（励磁、电枢）在布线时，必须至少保证20cm的距离，如有必要，使用金属隔板。
图8-1传动柜设计和屏蔽布置示例
图8-2计算机柜内接地布置a）计算机主柜b）过程柜
8.2抗干扰布线原则
为提高电控装置的可靠性，必须从装置设计、制造以及外部连线等多方面采取一些必要的措施。
1.抗静电感应，当控制电路连线与动力电路连线平行且很近时，会由于分布电容的耦合，在控制电路中引起静电感应。
预防的方法是将控制电路与动力电路分开走线和采用静电屏蔽措施。
静电屏蔽就是把一个接地的导体插在存在静电耦合的导体之间，例如：
控制信号线采用有绝缘外皮屏蔽导线走线，屏蔽层要接到稳定的接地点上，并要遵守“一点接地”的原则，一般应在信号接收侧接地。
2.抗电磁感应，当动力线中流过大的变化电流时，由于其周围磁场的变化，会在于其临近的控制电路中引起电磁感应电压而产生干扰，预防的方法是采用电磁屏蔽层和控制信号线采用对绞线。
电磁屏蔽层就是将动力电缆置于铁管（或槽）中，铁管应分段多点接地，这样就减弱了他对临近控制电路的电磁干扰。
3.可靠的接地，在施工配线中，注意保持系统的公共零线和接地电位的稳定，否则也可能产生干扰。
现场电缆分类布设方式示例
a）不同回路电缆分类和分层布设；
b）电缆桥架分层走线
c）电缆沟单层走线
d）电缆沟分层走线
8.3控制电缆选择
控制线使用的屏蔽电缆通常有3中：
A为在一根电缆中包括多对双绞，各对单独屏蔽的线对；B为在一根电缆中有多对双绞线，带有总屏蔽；C为在一根电缆中含有多芯信号线，带有总屏蔽。
特殊场合时，也可使用
双层屏蔽电缆。
图8-3.多芯双绞双屏蔽线
图8-4.对芯双绞单屏蔽线
图8-5.屏蔽电缆接地
8.4抗干扰接地
系统接地示例：
图8-6集中型成套控制设备的接地系统
图8-7分散型成套控制设备的接地系统a）多干线式b）等地位式
图8-9二种接地系统
图8-10两种计算机设备的接地系统a）过程控制设备b）电站控制设备
图8-11三种典型的接地系统a）浮地接法b）接地母线c）独立装置大地接法
图8-12典型的交流传动系统接地
为了设备和人身的安全以及电力电子设备正常可靠的工作必须研究接地技术。
接地可直接接在大地上或者接在一个作为参考电位的导体上。
不合理的接地反而会引入电磁干扰，导致电力电子设备工作不正常。
因此，接地技术是电磁兼容中的重要技术之一，应当充分重视对接地技术的研究。
9参考文件
GB14050-93《系统接地的型式及安全技术要求》
GB12668.3-2003《调速电气传动系统第3部分:
产品的电磁兼容性标准及其特定的实验方法》
GB50169—92《电气装置安装工程接地装置施工和验收规范》
3AFY61201998R0025REVA《GroudingoftheDrivessystem》（见：
Notes\ABBACandDCdrives\ACV700\用户手册）
《电气传动自动化技术手册》-天津电气传动设计研究所著
《电磁兼容设计》-白同云等著
《电磁兼容原理与设计技术》-杨克俊著
《PCB电磁兼容技术—设计实践》顾海洲等著
（注：
图书在总工办借阅）
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