電磁兼容典型案例分析.ppt

1,第9章 電磁兼容案例分析,2,9.1 防雷保護案例分析 9.1.1 雷電的產生及其對電器設備的危害 雷電的產生 形成雷暴的積雨云常有大量冰晶，云內垂直方向的熱力對流發(fā)展旺盛，不斷發(fā)生起電和放電（閃電）現(xiàn)象，其機制十分復雜。 在放電過程中，閃電通道上的空氣溫度驟升，空氣中水滴汽化膨脹，甚至還有電離現(xiàn)象產生，短時間內空氣迅速膨脹，從而產生了沖擊波，導致強烈的雷鳴（打雷）。 由于云中的電荷在地面上引起感應電荷，使云底與地面之間形成 “ 閃道 ” 。當電荷積累和其他條件 （如突出的建筑物、孤立的煙筒和曠地上的人等等）具備時，就會發(fā)生閃電擊地，即雷擊，造成雷電災害。,3,雷電對電器設備的危害 雷電對電氣設備的影響，主要由以下四個方面造成：直擊雷；傳導雷； 感應雷；開關過電壓。 直擊雷：雷電直接擊中建筑物，雷電的不到50%的能量將會從引下線等外部避雷設施泄放到大地，其中接近40%的能量將通過建筑物的供電系統(tǒng)分流，其中5%左右的能量通過建筑物的通信網絡線纜分流，其余的雷擊能量通建筑物的其他金屬管道、纜線分流。,4,傳導雷（雷電波侵入）：在更大的范圍內（幾公里甚至幾十公里），雷電擊中電力或信息通訊線路，然后沿著傳輸線路侵入設備。 感應雷（雷電波感應）：在周圍1000公尺左右范圍內所有的導體上產生足夠強度的感應浪涌。因此分布于建筑物內外的各種電力、信息線路將會感應雷電而對設備造成危害。 雷擊所造成的破壞性后果體現(xiàn)于下列三種層次：設備損壞，人員傷亡；設備或元器件壽命降低；傳輸或儲存的信號（模擬或數(shù)字）、數(shù)據(jù)受到干擾或丟失，甚至電子設備產生誤動作而造成系統(tǒng)暫時癱瘓或整個系統(tǒng)停頓。,5,9.1.2視頻監(jiān)控系統(tǒng)防雷保護方案 方案設計說明 系統(tǒng)防雷方案包括外部防雷和內部防雷兩個方面: （1） 外部防雷包括避雷針、避雷帶、引下線、接地極等等，其主要的功能是為了確保建筑物本體免受直擊雷的侵襲，將可能擊中建筑物的雷電通過避雷針、避雷帶、引下線等，泄放入大地。 （2） 內部防雷系統(tǒng)是為保護建筑物內部的設備以及人員的安全而設置的。將因雷擊而使內部設施所感應到的雷電流得以安全泄放入地，確保后接設備的安全。,6,方案設計思想 直擊雷的外部防護措施 接閃器 避雷針及其變形產品避雷線、避雷帶、避雷網等統(tǒng)稱為接閃器。一定高度的金屬導體會使大氣電場畸變，這樣雷云就容易向該導體放電，并且能量越大的雷就越易被金屬導體吸引。這樣接閃器的防雷是因為將雷電引向自身而防止了被保護物被雷電擊中。 引下線 引下線的作用是將接閃器閃接的雷電流安全的導引入地,7,接地體 接地體是指埋在土壤中起散流作用的導體 接地匯集線的布置 接地匯集線（匯流排）應布置在靠近避雷器的地方，以使避雷器的接地連接線最短，各樓層的分匯集線應直接與樓底的總匯集線相連，這樣能保證實現(xiàn)單點接地方式。 感應雷的防護措施 感應雷可通過兩種不同的感應方式侵入導體： 靜電感應：在雷云中的電荷積聚時，附近的導體也會感應上相反的電荷，當雷擊放電時，雷云中的電荷迅速釋放，而導體中原來被雷云電場束縛住的靜電也會沿導體流動尋找釋放通道，就在電路中形成電脈沖。,8,電磁感應：在雷云放電時，迅速變化的雷電流在其周圍產生強大的瞬變電磁場，在其附近的導體中產生很高的感生電動勢。研究表明：靜電感應方式引起的浪涌數(shù)倍于電磁感應引起的浪涌。 等電位連接 各種系統(tǒng)的防雷要求種類很多，但其防雷思想是一致的，就是努力實現(xiàn)等電位。 防雷方案設計依據(jù) (1) 建筑物防雷設計規(guī)范 GB50057-94 (2) 電子計算機機房設計規(guī)范 GB50174-93 (3) 民用建筑電氣設計規(guī)范 JGJ/T16-92 (4) 計算站場地安全要求 GB9361-88,9,(5) 計算站場地技術文件 GB2887-89 (6) 計算機信息系統(tǒng)防雷保安器 GA173-1998 (7) 雷電電磁脈沖的防護 IECI312 (8) 微波站防雷與接地設計規(guī)范 YD 201193 (9) 通信局（站）接地設計暫行技術規(guī)定YDJ26E9 綜合防雷方案設計 前端設備的防雷 傳輸線路的防雷 終端設備的防雷,10,具體保護措施-各部分防雷設備的安裝 在監(jiān)控中心機房各終端設備設備的前端，安裝通流容量10KA電源防雷器若干套，作為監(jiān)控中心機房內各終端設備電源第三級的防雷防護，具體防雷器數(shù)量根據(jù)終端設備數(shù)量決定。,11,9.1.3 通信線路的雷電過電壓及抑制措施 通信裝置遭受到雷害有兩種： 感應雷雷害：當落雷到通信設施附近的場所時，就會產生一個強電磁場，就有在通信線路上感應一個非常高的感應電壓。 直擊雷雷害：當落雷到天線鐵塔或者建筑物頂?shù)谋芾揍槙r產生的一部分雷電流直接流入通信裝置，由于產生的電位差而損壞通信裝置。 對這些雷害的基本保護措施是： 1.等電位法，2.旁路法， 3.隔離法。,12,通信中心大樓的直擊雷的防雷措施 一種方法是集成接地法，盡可能分散侵入通信裝置的雷電流。 第二種接地方法稱為隔離接地法，以隔離作為重點的接地方法，以便使雷電流不得侵入大樓內。,13,9.1.4 油庫及汽車加油站系統(tǒng)防雷設計 汽車加油站的環(huán)境特點 地理位置：加油站通常設在城區(qū)開闊地帶或郊區(qū)、山區(qū)、鄉(xiāng)村、高速公路等道路邊的開闊地帶； 電源系統(tǒng)：一般加油站的380V交流供電線路是架空明線接入至站區(qū)附近再地埋引入建筑的，部分加油站是由10KV電力線架空接入，經變壓器后再地埋引入建筑的。 通信網絡系統(tǒng)：引入加油站的ISDN等通信線路通常也是由戶外架空明線引入的，并且通常未安裝專用電涌保護器（SPD）做雷電防護措施。,14,汽車加油站直擊雷防護設計 站區(qū)的防雷設計 油罐區(qū)的防雷設計 引下線的設計 地網的設計 電源配電系統(tǒng)雷電防護設計 外來導體的布置 電源系統(tǒng)電涌保護器的布置和選擇 電涌保護器的布置原理：盡量通過多級鉗位使殘壓逐步降低，以有效地抑制外來雷電波入侵和雷電電磁脈沖的危害。,15,電涌保護器的選擇 A、動作電壓的選擇 變壓器低壓側的電涌保護器其三相電壓為動作電壓；U0 = 400V B、電涌保護器的通信容量選擇 加油站電源系統(tǒng)設計方案 電源一級防雷： 應在380V低壓總配電箱安裝標稱通流容量25KA的10/350s波形的開關型模塊式電源電涌保護器,用于整個加油站所有用電設備的第一級電源防護。,16,電源二級防雷 電源三級防雷 信號系統(tǒng)保護方案 應在從營業(yè)廳液位儀檢測儀引出的液位儀控制線上安裝額定負載電流11.5A的大功率特殊信號電涌保護器，用于液位儀檢測儀信號線路的保護。 應在從營業(yè)廳加油機總控制線上安裝精密的控制信號電涌保護器，用于加油機總控制線路的保護。 應在PSTN撥號網絡通訊線MODEN前和電話通訊系統(tǒng)進線端分別安裝電話線路通信線電涌保護器，用于各設備網卡及電話通信線路的防雷保護。,17,9.2電子元器件電磁兼容案例分析 9.2.1 電子元件的防靜電損壞措施 靜電放電 靜電放電（ESD）是大家熟知的電磁兼容問題，它可引起電子設備失靈甚至使其損壞。當半導體器件單獨放置或裝入電路模塊時，即使沒有加電，由于靜電放電的原因也可能造成這些器件的永久性損壞。對靜電放電敏感的元件被稱為靜電放電敏感元件（ESDS）。,18,實際問題解決 問題的解決包括：如果靜電放電敏感元件（ESDS）在生產和維護期間暴露在外面，那么在這些元件附近，應防止電荷的積累，并且在運輸和保管過程中，將這些元件按防靜電放電的方法包裝。 靜電放電保護區(qū)域（EPA） 靜電放電保護區(qū)域（EPA），有時指安全操作區(qū)，是任意一種靜電放電控制措施的核心所在。 典型的靜電放電保護區(qū)如下圖所示。該圖給出了各種可能的措施，但并沒有必要全部使用這些措施，這主要由特定的環(huán)境決定。,19,20,安全性 EPA內一般有加電的工具和設備。在這種環(huán)境中，將單個物件或設備直接連接到地是很危險的。,21,正是由于此原因，腕套接地導線、轉輪及腳趾帶箍的連接處均要串入一只不低于1M的電阻。有些腕套接地導線的每端均有一只這樣的電阻，因此，即使腕套接地導線接在加電維修的產品的帶電接線端，也不會有危險。 運輸與存放 運輸帶引腳的元件時，通常使用導電泡沫材料。這可以防止元件引腳間出現(xiàn)較高的電勢差，對于雙列直插式封裝的元件，在散裝運輸過程中常采用靜電損耗性管。 對于線路板組件，當位于靜電放電保護區(qū)外時，應將其置于靜電屏蔽袋或導電搬運箱內進行運輸。,22,9.2.2直流放大器電磁兼容分析 故障現(xiàn)象和原因分析 故障現(xiàn)象： 某直流放大器在進行GJB151中的CS06試驗時，放大器出現(xiàn)飽和現(xiàn)象而失效。 故障原因分析： 該直流放大器安裝在一塊線路板上，為了安裝方便，整塊線路板通過一條電纜與其它電路模塊連接起來，如下圖所示。,23,24,由于電纜中導線平行，因此導線之間的寄生電容較大。由于放大器的輸入線與輸出線之間也有較大的寄生電容，因此放大后的輸出信號又被耦合到輸入信號線上，結果形成正反饋，導致放大器飽和而失效。 解決措施 要解決這個問題可以有兩個方案： 首先可以將導線分開，減小導線之間的寄生電容，特別是將電源線與放大器的輸入線分開，這樣可以避免試驗脈沖的能量耦合進放大器的輸入端。 另一個辦法是壓縮放大器的頻帶，使放大器對耦合進輸入端的高頻信號沒有響應。,25,9.2.3 變頻器應用中的干擾問題及其對策 變頻器干擾的來源 晶閘管換流設備對變頻器的干擾 電力補償電容對變頻器的干擾 干擾信號的傳播方式 電路耦合方式 感應耦合方式 空中幅射方式 變頻調速系統(tǒng)的抗干擾對策,26,干擾的隔離 所謂干擾的隔離，是指從電路上把干擾源和易受干擾的部分隔離開來，使它們不發(fā)生電的聯(lián)系。 設置濾波器 在系統(tǒng)線路中設置濾波器的作用是為了抑制干擾信號從變頻器通過電源線傳導干擾到電源電動機。 輸入濾波器 通常又有兩種： 線路濾波器：主要由電感線圈構成。它通過增大線路在高頻下的阻抗來削弱頻率較高的諧波電流。 輻射濾波器：主要由高頻電容器構成。它將吸收掉頻率很高的、具有輻射能量的諧波成分。,27,輸出濾波器：也由電感線圈構成。它可以有效地削弱輸出電流中的高次諧波成分，不但起到抗干擾的作用，而且能削弱電動機中由高次諧波諧波電流引起的附加轉矩。 屏蔽干擾源 屏蔽干擾源是抑制干擾的最有效的方法。 接地 正確的接地既可以使系統(tǒng)有效地抑制外來干擾，又能降低設備本身對外界的干擾。 采用電抗器 交流電抗器 串聯(lián)在電源與變頻器的輸入側之間。 直流電抗器 串聯(lián)在整流橋和濾波電容器之間。,28,合理布線 對于通過感應方式傳播的干擾信號，可以通過合理布線的方式來削弱。具體方法有 （1） 設備的電源線和信號線應量遠離變頻器的輸入、輸出線。 （2） 其他設備的電源線和信號線應避免和變頻器的輸入、輸出線平行。,29,9.4 開關電源中電磁干擾的抑制 9.4.1 180W開關電源的電路結構分析與電磁干擾測試 主電路與結構布局分析,30,31,電磁干擾測試 下表所列為測得的721次諧波電流的數(shù)值，其中11、15、17次諧波電流都超標。,32,下圖為測得的傳導干擾超標現(xiàn)象。,33,輻射騷擾預測結果在3050MHz和100MHz處超出限值，如下圖所示。,34,9.4.2 電磁干擾的抑制 諧波電流的抑制 采用功率因數(shù)校正可以解決諧波電流超標的問題。 傳導騷擾的抑制 輸入濾波器是為變換器的電磁騷擾電平和外界的電磁騷擾源設計的一種低阻抗通道（即低通濾波器），以抑制或去除電磁騷擾，達到電磁兼容的目的。輸入濾波器的組成見下圖：,35,輻射騷擾的抑制 從電磁騷擾源產生的機理入手，查找輻射騷擾源的所在，從根本上降低其產生輻射騷擾噪聲的電平。,36,9.5 通信網絡及電力線路中的干擾及其解決方案研究 9.5.1 無線通信系統(tǒng)頻率干擾及其解決方案研究 頻率干擾原理分析 工作于不同頻率的系統(tǒng)間的共存干擾，本質上都是由于發(fā)射機和接收機的非完美性造成的。通常，有源設備在發(fā)射有用信號的同時，由于器件本身的原因和濾波器帶外抑制的限制，在它的工作頻帶外還會產生雜散、諧波、互調等無用信號，這些信號落到其他無線系統(tǒng)的工作頻帶內，就會其他系統(tǒng)形成干擾。,37,無線通信系統(tǒng)頻率干擾情形 無線干擾基本情形,38,GSM1800、PHS、SCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000、WCDMA等無線系統(tǒng)的頻段直接相鄰或重合，難以避免之間的相互干擾，而UWB的超寬帶的特點也會造成干擾。 移動通信系統(tǒng)干擾 移動通信系統(tǒng)中的各種干擾一般可以分為小區(qū)內的干擾、小區(qū)間的干擾、不同通信制式之間的干擾、不同運營商之間的干擾、系統(tǒng)設備造成的干擾等。,39,干擾解決方案 基本技術類方法 從具體技術角度分析，小區(qū)內干擾可以采用設計正交性好的多址碼、上下行鏈路同步、糾錯編碼、功率控制、分集接收/發(fā)送、聯(lián)合檢測、智能天線、空時處理等信號處理技術加以改善或解決。而小區(qū)間的干擾以及TDD與FDD系統(tǒng)間的干擾，可以從物理層技術方面考慮，也可以從高層的無線資源管理技術著手。,40,工程建設類方法 這些方法主要有：增加頻率保護帶、提高濾波精度、增加站址間距、優(yōu)化天線安裝、限制設備參數(shù)等。 9.5.2 衛(wèi)星通信中的常見干擾及處理措施 地面干擾 地球站設備的雜波干擾 產生干擾的原因包括：設備雜散指標不合格，工作載波中帶有雜波或諧波；調制器、上變頻器輸出電平過高，或者“功放”工作非線性，出頻譜擴散；上變頻器、功放的工作點設置不當，造成載波噪聲。,41,電磁干擾 由于地面存在著大量的微波、雷達、無線電視、調頻廣播、工業(yè)電噪聲等，這些干擾源串入用戶站，通過上行鏈路發(fā)射到衛(wèi)星造成上行干擾或串入下行鏈路造成接收干擾。 互調干擾 一般存在于上行站處于多載波工作狀態(tài)時，由于功放容量儲備不足，回退不夠，三階互調分量超過規(guī)定，或上行發(fā)射功率超標，使衛(wèi)星轉發(fā)器被推至非線性工作區(qū)，導致下行互調特性惡化。,42,交叉極化干擾 上行交叉極化干擾是因為地球站天線系統(tǒng)發(fā)射交叉極化隔離度沒有調整好，導致上行交叉極化分量過大，或天線饋源薄膜受損未能及時更換，有其他物質掉進饋源也會導致交叉極化干擾。接收用戶站天線接下來收時極化未調整好，導致下行接收受干擾。 空間干擾 鄰星干擾 鄰星干擾有上行干擾：鄰星系統(tǒng)個別用戶天線口徑小，上行電平過高，功率譜密度超出協(xié)調指標，鄰星個別用戶天線偏向被干擾衛(wèi)星或其旁瓣指向被干擾衛(wèi)星。,43,下行干擾：干擾衛(wèi)星和被干擾衛(wèi)星具有重疊覆蓋區(qū)，在此區(qū)域內，被干擾衛(wèi)星地球站在接收正常信號的同時，其旁瓣接收到鄰星信號。 相鄰信道干擾 用戶載波頻率分配與相鄰信號的頻帶出現(xiàn)重疊，沒有足夠的保護帶寬；用戶載波頻譜特性不符合要求，噪聲過高或出現(xiàn)副瓣。 個別用戶不規(guī)范操作誤發(fā)信號干擾 有的衛(wèi)星地球站入網操作時誤操作，頻率、速率、糾錯、調制設置有誤；沒有按照程序嚴格測試即上星；新裝設備急于調試，誤操作；甚至個別用戶私自上載波偷發(fā)信號，這些錯誤動作都會對正常的通信造成影響。,44,自然干擾 雨衰 當電波在傳輸過程中穿過降雨區(qū)域時，雨滴會對電波產生吸收和散射造成衰減。衰減的大小與雨滴半徑和波長的比值有關，由于C波段波長一般大于雨滴半徑而KU波段波長與雨滴大小相近，所以降雨對C波段影響比較小而對KU波段就非常嚴重。 日凌 每年春分和秋分前后，在衛(wèi)星地球站所在地的每天中午時分，衛(wèi)星將處在太陽與地球之間的直線上，這時衛(wèi)星地球站天線在對準衛(wèi)星的同時也對準太陽，使太陽產生的強大的電磁波變成一個個巨大的噪聲源，對其所接收的衛(wèi)星信號造成干擾從而使接收鏈路嚴重惡化甚至中斷，這種現(xiàn)象即稱為衛(wèi)星通信的“日凌現(xiàn)象”。,45,電離層閃爍 當電波穿越電離層時，由于電離層結構的不均勻性和隨機時變性，造成信號的振幅、相位、到達角等特性短周期變化，形成電離層閃爍。 衛(wèi)星蝕 每年的春季和秋季，在每天的特定時間內，衛(wèi)星將進行入地球的陰影區(qū)域，此時衛(wèi)星見不到太陽光，太陽能電池不能提供電能，衛(wèi)星只能依靠蓄電池或燃料電池供電，這一階段稱做”星蝕期”。,46,人為干擾 不法分子利用衛(wèi)星透明轉發(fā)器的弱點，干擾我們的正常衛(wèi)星電視廣播，并采用“功率掠奪”的形式進行非法宣傳。從已發(fā)生的案例來看，這些惡意干擾的技術含量并不高，使用的也不過是衛(wèi)星通信的常規(guī)設備，這暴露了目前我們衛(wèi)星通信的弱點。 9.5.3 線路諧波的危害及抑制 規(guī)定的諧波極限值 1992年電力系統(tǒng)對諧波控制方法及必要條件做了修改，重新規(guī)定了電源線公共耦合點處單獨的和總的電流、電壓諧波允許的極限值。,47,抑制諧波的方法 為滿足新規(guī)定的電流、電壓畸變極限要求，我們可以使用以下三種方法來抑制諧波： 驅動濾波器 下圖為用于各種驅動的專用濾波器，這種濾波既不影響系統(tǒng)正常運行，又能抑制和消除靠近電源的有害諧波，且不影響其他設備。,48,49,模擬脈沖系統(tǒng) 采用一半負荷由接成/Y結線的變壓器供電，另一半負荷由接成/結線變壓器供電，這樣可以產生一種近似12脈沖驅動的混合諧波，具體接線見下圖。 如果使/Y結線的負荷總量等于/結線的負荷，這種作法能在公共耦合點處較好的減少諧波。,50,51,專用脈沖系統(tǒng) 對于較大容量拖動狀況(370kW以上)，考慮采用兩個脈沖驅動組成一套專用的12脈沖系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有均分負荷能力，并能產生12脈沖驅動，合成諧波相當穩(wěn)定。這種方法將降低需過濾的總量和相應的投資，這種系統(tǒng)有兩種基本接線組合。 （1） 兩臺隔離變壓器各自獨立，其中一臺接成/Y結線；另一臺接成/結線。總的接線見下圖。,52,53,（2） 采用一臺變壓器，但具有兩個二次繞組。這種情況，初級繞組接成結線，而次級繞組，一組接成Y形，另一組接成形，具體如下圖所示.。,54,9.6計算機產生的射頻,電磁干擾的解決 射頻干擾源 我們要做的第一件事就是決定CPU和監(jiān)視器所產生的射頻干擾有多大。 (1) 快速掃描整個頻段，弄清射頻干擾在什么頻率處最強。 (2) 從主機上依次斷開鼠標、串口電纜、打印機電纜、鍵盤、視頻電纜、顯示器電源線等，將接收機用電池供電（如果可能），觀察射頻干擾是否減小。,55,(3) 然后再依次連接上鍵盤、鼠標、串口電纜、并口電纜、顯示電纜、顯示器電源線（但先不要打開顯示器），在連接的同時，注意射頻干擾的變化。作完這些后，你對哪部分是主要的射頻干擾源就有了一些認識。 (4) 打開顯示器，同時注意射頻干擾的增加，運行文字和圖形兩種模式的應用程序，看射頻干擾是否有變化。 (5) 重新把無