建筑環(huán)境電磁兼容技術(shù)的研究

岳云濤 / 汪 蘇 / 李炳華 / 宋鎮(zhèn)江

1.北京建筑大學(xué)， 北京 100044

2.悉地 (北京)國際建筑設(shè)計(jì)顧問有限公司， 北京 100013

1 引言

電磁污染已被世界公認(rèn)為是繼水質(zhì)污染、大氣污染、噪聲污染之后的第四大污染，治理恢復(fù)非常困難。1975專家曾預(yù)言，隨著大量的電子設(shè)備進(jìn)入家庭，建筑環(huán)境空間人為電磁能量每年增長10%左右。50年后建筑環(huán)境電磁能量密度可增加700倍，如不采取檢測及治理措施，21世紀(jì)建筑電磁環(huán)境惡化將會(huì)非常嚴(yán)重，建筑環(huán)境電磁兼容問題已經(jīng)成為建筑行業(yè)人士需要思考和探討的重要課題。

建筑環(huán)境電磁兼容是指電氣設(shè)備受建筑電磁環(huán)境影響能夠正常工作的能力，而且不應(yīng)對(duì)該建筑環(huán)境中其他電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，近年來電磁兼容問題在建筑設(shè)計(jì)和施工中并沒有引起足夠的重視。

電磁擾動(dòng)有自然界和人為產(chǎn)生的兩種擾動(dòng)，電磁擾動(dòng)主要通過傳導(dǎo)和輻射方式傳播。在建筑環(huán)境中，電磁擾動(dòng)主要來自高壓電力線及設(shè)備、電力電子設(shè)備、電網(wǎng)電壓波動(dòng)、大容量負(fù)荷的啟動(dòng)和停止、弱電系統(tǒng)設(shè)備等。

近年來，在智能建筑物中增加了各種用電設(shè)備，在一幢大樓的有限空間范圍內(nèi)集中了變配電設(shè)備、通訊設(shè)備、辦公自動(dòng)化等設(shè)備，強(qiáng)和弱電系統(tǒng)之間產(chǎn)生了很強(qiáng)的電磁干擾。有時(shí)導(dǎo)致了開關(guān)的誤動(dòng)作、檢測信號(hào)錯(cuò)誤產(chǎn)生的誤報(bào)等事故。

基于上述過程，對(duì)建筑環(huán)境電磁兼容狀況進(jìn)行測試是必要的，目前存在多種EMC測試場地，但他們基本上是針對(duì)某一類設(shè)備進(jìn)行檢測，存在很大局限性，無法對(duì)建筑環(huán)境復(fù)雜的電磁兼容狀況進(jìn)行檢測和評(píng)估。因此，研究和建立既能對(duì)高低壓電器設(shè)備和變頻裝置進(jìn)行檢測，又能對(duì)復(fù)雜的電磁環(huán)境進(jìn)行測試和評(píng)估的綜合電磁兼容暗室非常必要。

2 EMC測試場地

目前EMC測試場地有以下幾種：

1)緊縮預(yù)測式電波暗室

該暗室主要用于測試電氣設(shè)備的抗擾度，暗室占用空間比較小，一般尺寸約為4.6m×2.5m×2.75m。造價(jià)較低，比較便于拆卸和安裝，也易于改造和升級(jí)到更大空間的暗室。經(jīng)常為小規(guī)模企業(yè)采用。

2)小規(guī)模電波暗室

該暗室主要進(jìn)行26MHz～1GHz頻率的發(fā)射抗擾度測試，空間大小一般為8m×4m×4m。造價(jià)約為100萬元，該暗室較緊縮預(yù)測式電波暗室空間尺寸大。

3)3m法電波暗室

該暗室主要用于測試2m以下電氣設(shè)備的抗擾度，標(biāo)準(zhǔn)空間尺寸為9m×6m×6m，空間測試靜區(qū)一般為1.5m，3m法暗室多采用直徑為1～1.5m的轉(zhuǎn)臺(tái)，造價(jià)約為300萬元，該暗室可以有效地替代開闊場。

4)5m法電波暗室

該暗室主要適用于較大體積的電氣設(shè)備，一般空間尺寸約為11m×7m×7m。5m法暗室的轉(zhuǎn)臺(tái)多采用2m直徑，空間測試靜區(qū)一般為2m，造價(jià)約為500萬元。相對(duì)于3m法電波暗室，該暗室能夠測試較寬范圍內(nèi)電氣設(shè)備的電磁兼容性能，如圖1和圖2所示。這種暗室推廣和應(yīng)用的較為廣泛。

5)10m法電波暗室

該暗室適合于特大體積的建筑電氣設(shè)備，可以進(jìn)行干擾及抗擾度測試，標(biāo)準(zhǔn)空間尺寸約為19m×12m×9m。10m法暗室的轉(zhuǎn)臺(tái)多采用3m或4m直徑，空間測試靜區(qū)一般為3m，造價(jià)約為800萬元。一般來說，在進(jìn)行汽車等設(shè)備測試時(shí)才考慮采用10 m法暗室。

混響室的理論是從80年代初出現(xiàn)的，美國Dr.Mike教授的研究成果極大地推動(dòng)了混響室的發(fā)展，混響室技術(shù)于90年代已成為電磁兼容測試中的重要組成部分。國際電工委員會(huì)(IEC)制定的CISPR16-1，IEC61000-4-3新增附錄及IEC61000-4-21中對(duì)混響室都有相關(guān)描述?；祉懯遗c其他暗室相比具有造價(jià)低、測量時(shí)間短、能夠模擬復(fù)合場等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 5m法半電波暗室天線架及后墻

混響室的性能指標(biāo)一般采用攪拌強(qiáng)比、場均勻度和場的統(tǒng)計(jì)特性來衡量。電磁混響室結(jié)構(gòu)尺寸可以通過下面的計(jì)算獲得：

式中 ：N 是模數(shù)，l、w、h 分別是混響室空間的長、寬、高，f 表示測試點(diǎn)頻率，c表示光速。混響室空間均勻性與各向一致性隨著模數(shù)N的增加而變得更好，一般情況只要N 值大于60 就能夠滿足電磁混響室指標(biāo)的要求。

混響室的主要優(yōu)勢就是可以用相對(duì)較小的功率獲得高的測量空間場強(qiáng)。由于混響室采用了高的空腔諧振，在模擬復(fù)合場方面更具有優(yōu)勢，比較適用于建筑環(huán)境多設(shè)備共同工作的情況。

3 電波暗室性能測試方法

1)歸一化場地衰減(NSA)

歸一化場地衰減是檢驗(yàn)電波暗室測試性能的關(guān)鍵指標(biāo)，是將水平和垂直放置的天線分別與發(fā)射源和接收機(jī)相連接，場地衰減值就是發(fā)射源電壓與接收天線終端電壓的差值。

在試驗(yàn)空間采用轉(zhuǎn)臺(tái)上方的3個(gè)不同高度，每個(gè)高度用轉(zhuǎn)臺(tái)的前、后、左、右、中五個(gè)不同位置來放置發(fā)射天線，測量距離可以為3m、5m 或10m。若測試垂直和水平極化NSA的結(jié)果小于4dB，則該場地的NSA指標(biāo)符合要求。

2)場地電壓駐波比(SVSWR)

將轉(zhuǎn)臺(tái)中心的左側(cè)、中心、右側(cè)和中心的前側(cè)作為測試位置，每個(gè)測試位置在40cm直線上選取6個(gè)不均勻測試點(diǎn)，每個(gè)測試位置的電壓駐波比即為經(jīng)過測試得到的最大值和最小值之比，測試合格的標(biāo)準(zhǔn)是電壓駐波比值均小于等于6dB。

3)場地均勻性(FU)

場地均勻性主要是依據(jù)IEC61000-4-3標(biāo)準(zhǔn)測量電磁輻射敏感度而制定的。選擇轉(zhuǎn)臺(tái)上方0.8m、1.3m、1.8m、2.3m 處 各4個(gè)測試點(diǎn)(共16個(gè)測試點(diǎn))進(jìn)行場強(qiáng)測試，若測試場強(qiáng)在3V/m～10V/m之間，則認(rèn)為在轉(zhuǎn)臺(tái)上方存在1.5m×1.5m假想垂直平面場強(qiáng)均勻區(qū)，滿足磁輻射敏感度測試要求。

4 建筑環(huán)境電磁兼容暗室的設(shè)計(jì)與實(shí)施

建筑電氣領(lǐng)域必須順應(yīng)建筑環(huán)境發(fā)展的實(shí)際需要，探索影響及治理建筑環(huán)境的關(guān)鍵技術(shù)，為建筑環(huán)境健康發(fā)展提供技術(shù)保障。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)5m法半電波暗室，效果如圖2所示，主要完成以下任務(wù)：

圖2 建筑環(huán)境電磁兼容5m法半電波暗室效果圖

1)高低壓開關(guān)、變頻器及電機(jī)啟動(dòng)等設(shè)備的電磁兼容測試，通過檢測確定產(chǎn)品與IEC61000及GB標(biāo)準(zhǔn)的符合度；

2)建筑電氣強(qiáng)、弱電系統(tǒng)的綜合電磁兼容狀況檢測，確定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告，指導(dǎo)建筑照明諧波等標(biāo)準(zhǔn)的制定和修改；

3)檢測不同建筑材料的電傳參數(shù)，建筑材料的特性包括傳輸損耗、反射損耗、相對(duì)導(dǎo)電性、相對(duì)滲透性、衍射損耗、最小衍射入射損耗和最大衍射入射損耗。

4)進(jìn)行電磁環(huán)境測量記錄與回放，利用采集到的各種設(shè)備頻譜信息通過不同的天線在暗室中模擬，以達(dá)到分析建筑環(huán)境電磁兼容綜合能量效應(yīng)的影響。

5)在暗室中進(jìn)行建筑環(huán)境多設(shè)備狀況下的檢測，達(dá)到對(duì)建筑環(huán)境電磁兼容的綜合效能評(píng)估，特別提到的是高壓10kV傳輸線采用高壓脈沖電源系統(tǒng)替代，實(shí)測替代后效果的程度，該結(jié)果用以指導(dǎo)建筑電氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(如建筑照明諧波)的制定和實(shí)施。

6)在暗室中進(jìn)行多天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，以達(dá)到系統(tǒng)的實(shí)用性，進(jìn)行建筑電磁綜合效能的分析。

5 建筑環(huán)境電磁兼容技術(shù)的研究

1)理論方面

(1)系統(tǒng)地建立建筑環(huán)境電磁兼容的建模、分析、仿真和控制的完整理論體系，確立5m法半電波暗室的設(shè)計(jì)方法，為建筑環(huán)境的科學(xué)發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。

(2)建立建筑環(huán)境電磁兼容改善和治理的經(jīng)濟(jì)性、電能質(zhì)量和可靠性評(píng)估的理論體系和評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以促進(jìn)“綠色建筑環(huán)境”的發(fā)展，用以指導(dǎo)建筑電氣領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的制定和完善。

2)建筑環(huán)境電磁兼容技術(shù)方面

(1)研究建筑環(huán)境電磁兼容仿真技術(shù)，利用有限元分析方法建立建筑環(huán)境電磁兼容的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全過程仿真；與實(shí)際檢測對(duì)比分析，優(yōu)化仿真的效果。

(2)建立5m法半電波暗室的設(shè)計(jì)方法，明確暗室技術(shù)指標(biāo)的要求和檢測方法，確實(shí)增強(qiáng)設(shè)計(jì)半電波暗室方案確定及暗室應(yīng)用的科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性及效率。

(3)發(fā)展建筑環(huán)境電磁兼容的設(shè)計(jì)與檢測方法，提出建筑環(huán)境電磁兼容施綜合治理措施，研制高性能的建筑環(huán)境電磁兼容系統(tǒng)。

(4)提出多天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的原理和方法，開發(fā)和研制部分建筑環(huán)境電磁兼容檢測裝置。

3)建筑環(huán)境電磁兼容領(lǐng)域的電力電子技術(shù)方面。

研究接地、濾波、屏蔽及PCB制板等方面優(yōu)化電磁兼容設(shè)備和環(huán)境的現(xiàn)狀，提出改善的方法及措施，對(duì)比改善后的效果，使建筑環(huán)境電磁兼容現(xiàn)狀有改善的趨勢。

6 結(jié)論

本文詳細(xì)探討了建筑環(huán)境電磁兼容技術(shù)檢測和研究的重要性，提出了5m法半電波暗室的設(shè)計(jì)方法和檢測標(biāo)準(zhǔn)，完成轉(zhuǎn)臺(tái)及天線設(shè)計(jì)的創(chuàng)新，為更好地滿足建筑領(lǐng)域電磁兼容的測試提供必要的手段和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為建筑環(huán)境的改善及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定提供依據(jù)。

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