智能建筑電磁兼容問題的布線對策

黎 威

[華藍設(shè)計(集團)有限公司, 廣西 南寧 530011]

0 引 言

智能建筑集結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理以及其之間的最優(yōu)化組合,向人們提供一個安全、高效、舒適、便利的建筑環(huán)境。相比于傳統(tǒng)建筑,智能建筑的核心優(yōu)勢是信息化、自動化和能源的高效利用,而隨著建筑智能化水平的提高,智能建筑內(nèi)電力電子設(shè)備電磁兼容問題日益凸顯,已成為影響系統(tǒng)正常工作的一個重要因素[1-2]。

1 電磁兼容

電磁兼容(EMC)是指設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中符合要求運行,并不對其環(huán)境中的任何設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾能力。因此,EMC包括兩個方面的要求:一方面是指設(shè)備在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值;另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度,即電磁敏感性。

建筑物內(nèi)EMC問題僅在十多年前才出現(xiàn),作為敏感源的靈敏電子信息設(shè)備的應(yīng)用不多,而作為騷擾源的變頻空調(diào)、變頻器、信號發(fā)射設(shè)備等產(chǎn)品在建筑物內(nèi)應(yīng)用較少,對建筑物配電系統(tǒng)和設(shè)備的影響一般很小。隨著人們對辦公、居住的舒適性、智能性要求的提高,智能建筑大量出現(xiàn)在住宅、辦公、生產(chǎn)企業(yè)、公共設(shè)施等各行業(yè)中,這些智能建筑中應(yīng)用大量的電力電子設(shè)備及元件(有的是騷擾源,有的是敏感源,還有的則是二者兼?zhèn)?,這些設(shè)備的核心元器件均基于微處理器,對電磁干擾和電能質(zhì)量都非常敏感。很多設(shè)備對建筑物本身或進駐建筑物內(nèi)的機構(gòu)和企業(yè)都至關(guān)重要。因此,智能建筑由于電磁兼容問題而使設(shè)備不能正常工作,引起的后果非常嚴重[3]。

1.1 電磁兼容問題

智能建筑中出現(xiàn)的電磁兼容問題,常表現(xiàn)以下現(xiàn)象:

(1) 設(shè)備之間相互干擾,變頻器工作時周圍的電子設(shè)備不能正常工作;鄰近的大型電機工作時自動控制系統(tǒng)、可編程控制器(PLC)等出現(xiàn)故障;變頻器驅(qū)動的交流電機、電機的定子繞組頻繁損壞,軸承壽命縮短;直流電機對周圍的電子設(shè)備形成干擾。

(2) 設(shè)備在環(huán)境中出現(xiàn)故障。在雷電天氣,電子設(shè)備損壞;在氣候干燥的季節(jié),人體帶有靜電,導(dǎo)致接觸電子設(shè)備誤動作或設(shè)備損壞;數(shù)字控制設(shè)備、PLC等誤動作,存儲數(shù)據(jù)丟失。

(3) 配電系統(tǒng)故障。配電系統(tǒng)中的變壓器、電纜在沒有達到額定負荷時過熱;三相負荷平衡,但中性線上的電流很大,甚至達到相電流的150%;保護裝置在沒有達到預(yù)定條件時出現(xiàn)保護動作;無功補償裝置頻繁損壞,或不能正常投切。

以上這些現(xiàn)象有一個共同特點,即設(shè)備之間或設(shè)備與配電系統(tǒng)之間產(chǎn)生不良的影響,導(dǎo)致一方不能正常工作。

1.2 電磁兼容問題的3要素

任何一個電磁兼容問題都存在3要素,即騷擾源、耦合途徑、敏感源。所以,在解決電磁兼容問題時要從這3要素入手,消除某一要素,就能解決電磁兼容問題。

(1) 騷擾源。智能建筑裝備的大量電力電子設(shè)備中,常見的各種騷擾源有無線電頻率發(fā)射裝置(如無線通信系統(tǒng)中的設(shè)備、無線電話、遙控裝置等)、電氣設(shè)備(如大功率空調(diào)機組、水泵、風(fēng)機、辦公設(shè)備、大監(jiān)視器等)、電力系統(tǒng)、雷電、靜電放電等。

(2) 敏感源。常見的敏感源有:無線電與電視接收設(shè)備、雷達、無線電通信系統(tǒng),模擬系統(tǒng)(如傳感器、測量采集系統(tǒng)、監(jiān)視器、放大器等),數(shù)字系統(tǒng)(如計算機、計算機通信、外圍設(shè)備)。

(3) 耦合路徑。耦合路徑是指將騷擾源能量傳遞到敏感源的路徑。智能建筑中強、弱電布線系統(tǒng)構(gòu)成最主要的干擾耦合路徑。理解這種耦合機理對解決電磁干擾十分重要。布線系統(tǒng)充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)耦合路徑的示意圖如圖1所示。

圖1 布線系統(tǒng)充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)耦合路徑的示意圖

布線系統(tǒng)充當(dāng)耦合介質(zhì),騷擾源發(fā)射的諧波電流、射頻噪聲電流等流過布線系統(tǒng)的阻抗時形成諧波電壓、射頻噪聲電壓,這些電壓施加到敏感電子設(shè)備上會出現(xiàn)故障。

2 布線對策

在解決智能建筑電磁兼容問題的過程中,耦合路徑是一項關(guān)鍵工作。當(dāng)建筑物內(nèi)的騷擾源和敏感源都清楚時,解決電磁兼容問題的關(guān)鍵是切斷或削弱騷擾源和敏感源之間的聯(lián)系。布線系統(tǒng)(配電網(wǎng)和弱電布線系統(tǒng))是智能建筑內(nèi)最主要的干擾耦合路徑。通過以下方面對智能建筑內(nèi)部的布線系統(tǒng)采取針對性的對策,消除或減少智能建筑內(nèi)的電磁兼容問題。

2.1 線纜型式的選擇對策

線纜材質(zhì)的性能是影響電磁兼容特性的重要因素。對于大功率設(shè)備(如中央空調(diào)機組、大電機),其配電回路應(yīng)直接從變電所低壓配電盤引出,并強烈建議采用母線槽配電。母線槽金屬外殼具有屏蔽作用,其輻射電磁場的水平比標(biāo)準(zhǔn)電纜或?qū)Ь€低80%～90%。對于敏感設(shè)備,采用屏蔽電纜連接是消除電磁干擾的較好選擇,但采用屏蔽電纜時須確定如何進行屏蔽連接(接地形式、連接線、電纜入口等),否則效果會大大降低。而在有嚴重電磁干擾環(huán)境中的弱電系統(tǒng)線纜,強烈推薦使用光纖。

2.2 電纜通道的選擇對策

智能建筑布線系統(tǒng)的通道從材質(zhì)上分有非金屬通道和金屬通道兩種,這兩種電纜通道在智能建筑中都是可用的。

非金屬電纜通道主要適用以下場所:連續(xù)和低的電磁環(huán)境,低發(fā)射水平的布線系統(tǒng),應(yīng)當(dāng)避免使用金屬電纜通道的環(huán)境(如腐蝕環(huán)境、化學(xué)環(huán)境),光纖系統(tǒng)。顯然,非金屬電纜通道在智能建筑內(nèi)的應(yīng)用環(huán)境是局部的,尤其對智能化程度高的建筑更是如此。

金屬電纜通道適用于智能建筑內(nèi)大部分場所,能提供較好的電磁兼容特性,決定金屬電纜通道阻抗特性的是其形狀(平型,U型,管型等),而不是截面積,封閉型通道優(yōu)于開啟型通道,能減少共模耦合。各種金屬電纜通道的電磁兼容性能如圖2所示。

圖2 各種金屬電纜通道的電磁兼容性能

槽型金屬電纜通道防外部電磁場范圍如圖3所示。從圖3可以看出,U型金屬電纜通道兩個角落的電磁場減少,因此為避免電磁干擾,尤其對模擬和數(shù)字信號線路而言,應(yīng)盡量采用深槽型金屬電纜通道,且電纜通道內(nèi)敷設(shè)的電纜數(shù)量不應(yīng)超過電纜通道滿量的50%,如果采用平淺型金屬電纜通道,則最好采用光纖。

圖3 槽型金屬電纜通道防外部電磁場范圍

當(dāng)金屬電纜通道是由許多短段組成時(如電纜橋架),要正確連接各個部分,以確保整個通道的連續(xù)性,且應(yīng)確保各短段接觸面能傳導(dǎo)電流?？傊?金屬電纜通道(電纜托盤,導(dǎo)管,電纜橋架等)應(yīng)從頭到尾提供連續(xù)的、導(dǎo)電的金屬結(jié)構(gòu)。

正確利用等電位聯(lián)結(jié)的金屬線槽,可在很大程度上改善內(nèi)部的電磁兼容環(huán)境,金屬電纜通道的兩端應(yīng)就近接至接地極。對于很長的金屬電纜通道,建議在連接電器之間增加至接地系統(tǒng)的附加連接,如有可能時這些接地連接之間的距離無規(guī)律,可避免相同頻率諧振,所有連接至接地系統(tǒng)的連接線應(yīng)短些。

2.3 電纜敷設(shè)的對策

建筑物內(nèi)電子設(shè)備的敏感性大部分決定于連接的電纜系統(tǒng)。智能建筑的電纜敷設(shè)應(yīng)按照電磁兼容的規(guī)定執(zhí)行。

對于電磁兼容,將大電流電纜和小電流電纜進行分隔很重要,特別是對沒有屏蔽或有屏蔽但未連接到外露可導(dǎo)電體的小電流電纜更重要。假如沒有分隔,電磁耦合達到最大,在這樣的條件下電子設(shè)備會通過連接它們的小電流電纜而受到電磁干擾。在實際工程運作中,電纜分隔有兩種方式,一方面,大電流電纜和小電流電纜最好選擇不同的電纜通道進行敷設(shè),另一方面,如果兩種電纜必須共通道敷設(shè),它們之間也要保持一定的電纜間距。通常情況下,干擾電纜(主電力線)與敏感電纜(模擬測量線路和數(shù)字控制線路)之間須有一定的間距,電纜之間分開10 cm的距離平行敷設(shè)于金屬板上能滿足最低要求(用于共模和差模兩種情況)。假如有足夠的空間,不同類型的電纜之間平行敷設(shè)最好保持30 cm的間距。金屬電纜通道內(nèi)的電纜組安裝示意如圖4所示。

圖4 金屬電纜通道內(nèi)的電纜組安裝示意

3 結(jié) 語

智能建筑提高電子化、信息化水平,極大地改善人們的辦公效率和生產(chǎn)效率,但也產(chǎn)生許多問題。智能建筑因電磁兼容問題導(dǎo)致的損失正呈逐步擴大的趨勢,只有重視并仔細分析產(chǎn)生這些問題的原因,并采取針對性的措施,才能讓智能建筑更好地為人們服務(wù)。

[1]智能建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn):GB50314—2015[S].

[2]電磁兼容術(shù)語:GB/T4365—1995[S].

[3]路宏敏.工程電磁兼容[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003.