電氣調(diào)試中規(guī)避電磁干擾的檢測(cè)方法研究

中國(guó)水利水電第十二工程局有限公司 李文躍

電氣調(diào)試中常出現(xiàn)電磁干擾（Electromagnetic Interference），這是干擾電纜信號(hào)并降低信號(hào)完好性的電子噪音，通常由電磁輻射發(fā)生源如馬達(dá)和機(jī)器產(chǎn)生[1]。其中，信息通道干擾和空間輻射干擾均會(huì)對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。為此，進(jìn)一步分析電氣調(diào)試中規(guī)避電磁干擾的檢測(cè)方法顯得尤為重要且必要。

1 電磁干擾危害

1.1 信息通道干擾

電磁干擾首先是對(duì)信息通道產(chǎn)生危害，電子電路信號(hào)在信息通道內(nèi)存在信號(hào)干擾時(shí)，相當(dāng)于阻礙了信息傳遞過(guò)程。電磁干擾通過(guò)電路設(shè)備導(dǎo)線傳播，而且干擾源難以自行消退。同時(shí)，電磁干擾在各種元器件之間傳播時(shí)，干擾范圍會(huì)伴隨傳播距離延長(zhǎng)而逐漸增大，最終產(chǎn)生了階梯式的電磁干擾破壞[2]。當(dāng)信息通道受到電磁干擾影響時(shí)，電氣設(shè)備中絕大多數(shù)導(dǎo)線和元器件都會(huì)受到不同程度的影響，而且也會(huì)對(duì)電氣設(shè)備電源產(chǎn)生微小影響。所以，在信息通道上的電磁干擾最終影響的是整個(gè)電氣設(shè)備的內(nèi)部電路。如果發(fā)生信息通道干擾，電氣設(shè)備通常都會(huì)出現(xiàn)自激振蕩，干擾持續(xù)加重的情況下電氣設(shè)備系統(tǒng)癱瘓也是在所難免。

1.2 空間輻射干擾

空間輻射干擾對(duì)電氣設(shè)備也有同樣等級(jí)的破壞力，而且也是電磁干擾的主要形式之一?？臻g輻射干擾的傳播機(jī)制與信息通道干擾類似，也是通過(guò)電氣設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)線完成干擾傳播。具有傳播范圍大、影響程度高且對(duì)電氣設(shè)備產(chǎn)生較大危害以及難以完全規(guī)避和消除的特點(diǎn)。電氣設(shè)備正常工作狀態(tài)下，如果空間輻射干擾持續(xù)加劇，無(wú)疑對(duì)電氣設(shè)備的使用壽命會(huì)產(chǎn)生危害[3]。而且空間輻射的傳播途徑較信息通道干擾更廣，空間輻射除了可以通過(guò)導(dǎo)線傳播干擾源，同時(shí)可以在設(shè)備內(nèi)形成空間傳播，往往在極短時(shí)間內(nèi)便可干擾到電氣設(shè)備的所有元器件，所以相對(duì)的危害性也會(huì)更大?？臻g輻射干擾范圍擴(kuò)大到電源電路、信號(hào)電路、控制電路等多方面。

如果從干擾范圍和影響力來(lái)看，空間輻射干擾也可以劃分為兩種類型，分別為近耦合干擾、遠(yuǎn)輻射干擾。一方面近耦合干擾屬于空間輻射干擾中對(duì)近距離元器件產(chǎn)生的局部干擾，通過(guò)對(duì)電磁能量所產(chǎn)生的不同途徑來(lái)干擾相關(guān)設(shè)備，因其具有耦合性，所以不易被快速檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)。另一方面，遠(yuǎn)輻射干擾的影響范圍更大，因?yàn)楦蓴_距離延長(zhǎng)，所以在電氣設(shè)備中的每一條導(dǎo)線都有可能成為其干擾源。依據(jù)麥克斯韋方程組的計(jì)算原理，當(dāng)磁場(chǎng)變化并產(chǎn)生電場(chǎng)時(shí)，電場(chǎng)也會(huì)加速磁場(chǎng)生成。因電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生交變特性，所以對(duì)電氣設(shè)備的遠(yuǎn)距離元器件也會(huì)產(chǎn)生干擾。

2 電氣調(diào)試中電磁干擾檢測(cè)方法

2.1 觀察法和比照法

觀察法是最為普遍的檢測(cè)方法，檢測(cè)人員直接觀察電氣設(shè)備的運(yùn)行情況。如當(dāng)觀察到熔絲熔斷、冒煙、跳火等現(xiàn)象時(shí)，可以采取逐步加壓的方式對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，在通電狀態(tài)下判斷電氣設(shè)備是否存在電磁干擾問(wèn)題。

比照法是在調(diào)試電氣設(shè)備時(shí)找到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行方案參數(shù)，可以是測(cè)試設(shè)備以往時(shí)期的運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括電壓、電流、波長(zhǎng)、電波頻率等方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)潛藏在電氣設(shè)備中的電路電磁干擾問(wèn)題，可以在一定程度上判斷產(chǎn)生電磁干擾的原因。

2.2 分割法和信號(hào)追蹤法

電氣設(shè)備發(fā)生空間輻射電磁干擾時(shí)，并不一定能夠判斷電磁干擾的范圍。尤其遠(yuǎn)輻射干擾更難判斷受到干擾的元器件距離，故而采取分割法將電子線路板內(nèi)各部分插件分離開(kāi)來(lái)，而后逐一檢測(cè)這些元器件的運(yùn)行情況。如在電氣設(shè)備電源短路的情況下，需要將電游負(fù)載分區(qū)切斷，找到容易產(chǎn)生電磁干擾的主要測(cè)試線路和關(guān)鍵點(diǎn)，逐步縮小電磁干擾的檢測(cè)，最終找到已經(jīng)失去原有功能的電器元件，從而進(jìn)一步明確產(chǎn)生電磁干擾的部位。

信號(hào)追蹤法主要是利用示波器，對(duì)電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的頻率信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，在電路端部輸入頻率信號(hào)后，再遵循信號(hào)級(jí)別對(duì)波形進(jìn)行觀察，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁信號(hào)波形變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。電磁信號(hào)增強(qiáng)時(shí)，示波器可以觀察到峰值，并對(duì)產(chǎn)生電磁干擾的信號(hào)源進(jìn)行追蹤，那么也就能夠?qū)﹄娏骰芈分械碾姶判盘?hào)狀態(tài)做出追蹤判斷。所以，信號(hào)追蹤法在檢測(cè)電氣設(shè)備中的電磁干擾時(shí)，具有較強(qiáng)的實(shí)效性，也是電氣動(dòng)態(tài)調(diào)試最為普遍的檢測(cè)方法之一。

2.3 旁路法和補(bǔ)償法

旁路法是在檢測(cè)電氣設(shè)備時(shí)，對(duì)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的電子元器件進(jìn)行短路測(cè)試，觀察電氣設(shè)備在部分元器件短路后是否能夠正常運(yùn)行。如果元器件發(fā)生短路后，電磁波完全消失，則代表該部分元器件是電磁干擾源頭，那么也就排除掉其他未短路元器件的嫌疑。但是此類檢測(cè)方法的覆蓋范圍較廣，需要對(duì)所有元器件逐一排查，所以相對(duì)的檢測(cè)效率較低。

在電氣設(shè)備調(diào)試過(guò)程中檢測(cè)電磁干擾問(wèn)題，通常也會(huì)采取補(bǔ)償法。補(bǔ)償法主要是通過(guò)對(duì)電氣設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象作出判斷，可以提前選取檢測(cè)位置，讓電容器接地短路。而后再觀察振蕩現(xiàn)象是否完全消失，從而判斷電磁干擾位置是否找到。如果電氣設(shè)備的振蕩完全消失，則說(shuō)明短路部位的電容器是電磁干擾的主要部位。

2.4 射頻法和三維有限元法

利用射頻法對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行電磁干擾檢測(cè)，主要是對(duì)大功率變壓器設(shè)備進(jìn)行電磁干擾診斷，由于電磁干擾環(huán)境在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中被認(rèn)為是一個(gè)主要問(wèn)題，所以新的檢測(cè)方法利用外部射頻傳感器來(lái)檢測(cè)外部脈沖干擾，消除干擾觸發(fā)的捕獲，并確保所需脈沖信號(hào)的直接實(shí)時(shí)可視化。通過(guò)在變壓器中注入人工脈沖信號(hào)，驗(yàn)證了弱信號(hào)檢測(cè)的能力。利用定位技術(shù)對(duì)信號(hào)源進(jìn)行估計(jì)，驗(yàn)證了所開(kāi)發(fā)的檢測(cè)方法。盡管存在強(qiáng)烈的電磁干擾，在主變壓器全運(yùn)行期間，仍能檢測(cè)到所需的脈沖信號(hào)并進(jìn)行定位。

采用三維有限元法對(duì)電磁干擾信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，提出了一種簡(jiǎn)化的磁路檢測(cè)方案。該電路由兩個(gè)半徑徑環(huán)形釹鐵硼磁體組成，由于不需要磁軛，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕。采用單霍爾傳感器測(cè)量電磁干擾的信號(hào)通道，為無(wú)損檢測(cè)電源設(shè)計(jì)了性能穩(wěn)定檢測(cè)方法，不僅能抵抗電壓跌落，而且輸出噪聲也大幅下降。三維有限元法提高了電磁干擾信號(hào)的信噪比，改善了信號(hào)調(diào)節(jié)和處理的電路通道，以提高信號(hào)在漏磁數(shù)據(jù)中的檢測(cè)能力。該新型小型FSWR無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下的在線檢測(cè)，對(duì)于直徑1.5mm的鋼絲繩，由19根導(dǎo)線絞合而成的試驗(yàn)，可識(shí)別出半根導(dǎo)線上的坑損。

3 電氣調(diào)試中規(guī)避電磁干擾的檢測(cè)設(shè)備

3.1 高頻電磁場(chǎng)分析儀

某品牌發(fā)布的EMF-819高頻電磁場(chǎng)分析儀，采用三軸天線接收感應(yīng)器，具有警報(bào)設(shè)置功能，可鎖存峰值。警報(bào)設(shè)置功能可以在測(cè)量天線距離強(qiáng)輻射源太近的情況下發(fā)出警告，蜂鳴器報(bào)警提示也主要是針對(duì)高頻電磁干擾的識(shí)別設(shè)備[4]。EMF-819所采用的三軸探針，射頻范圍可以控制在50MHz至3GHz以內(nèi)，用于監(jiān)視寬大范圍射頻電磁場(chǎng)變化的效果非常突出。

從檢測(cè)電磁干擾的精度來(lái)看，儀表本身附帶了一個(gè)高頻探頭，頻率組具有兩點(diǎn)選擇，標(biāo)準(zhǔn)或2.45GHz。警報(bào)設(shè)置功能可以在測(cè)量強(qiáng)輻射源時(shí)提前發(fā)出預(yù)警，而且在發(fā)出預(yù)警時(shí)也會(huì)記錄下電磁干擾峰值。檢測(cè)數(shù)據(jù)可保持在當(dāng)前讀數(shù)，通過(guò)液晶顯示屏直接觀測(cè)到電磁干擾數(shù)據(jù)。

3.2 kh3935型EMI測(cè)試接收機(jī)

某品牌kh3935型EMI測(cè)試接收機(jī)，檢測(cè)頻率范圍能夠達(dá)到9kHz至30MHz，而且檢測(cè)頻率分辨率可控制在（9kHz～150kHz）30Hz和（150kHz至30MHz）1kHz范圍之內(nèi)。使用kh3935型EMI測(cè)試接收機(jī)可以可設(shè)定掃描范圍、步長(zhǎng)以及電平門限，具有全自動(dòng)和手動(dòng)兩種操作模式。

kh3935型EMI測(cè)試接收機(jī)是全自動(dòng)的測(cè)試接收機(jī)，是進(jìn)行電磁干擾的主要檢測(cè)工具。kh3935型接收機(jī)頻率范圍更大，配置人工電源網(wǎng)絡(luò)后可以直接完成電源端子騷擾電壓測(cè)試，而且相對(duì)的測(cè)試速度更快，可操縱性更強(qiáng)，性能穩(wěn)定，測(cè)試數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點(diǎn)。kh3935型接收機(jī)使用了usb接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，外部接口設(shè)備可通過(guò)打印機(jī)或終端顯示設(shè)備傳輸檢測(cè)結(jié)果，支持即插即用多種外部測(cè)試設(shè)備。而且kh3935型EMI測(cè)試接收機(jī)可以獨(dú)立完成對(duì)電氣設(shè)備電磁干擾情況的檢測(cè)，無(wú)需外加其他控制設(shè)備對(duì)其進(jìn)行控制操作，從根本上解決了干擾源復(fù)雜多變不好判斷的問(wèn)題。

kh3935型EMI測(cè)試接收機(jī)可以對(duì)電氣進(jìn)行掃描粗測(cè)，同時(shí)測(cè)出峰值和平均值的兩條曲線，也可以完成單測(cè)平均值或峰值的曲線。對(duì)超標(biāo)的頻率點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)的準(zhǔn)峰值測(cè)量，還可以觀察單個(gè)頻率點(diǎn)準(zhǔn)峰值的動(dòng)態(tài)變化，直觀的圖形化能量條顯示終端測(cè)試電壓值，并具有最大值保持功能。同時(shí)，可任意設(shè)置、修改不同標(biāo)準(zhǔn)的限值，方法簡(jiǎn)單且功能完善。根據(jù)不同的配件選擇傳導(dǎo)因子儀器自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，且儀器可以對(duì)每個(gè)頻段測(cè)出一個(gè)最大點(diǎn)的準(zhǔn)峰值和平均值，也可以通過(guò)人為選點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)峰值和平均值的終測(cè)。儀器給出結(jié)果的電磁干擾檢測(cè)報(bào)告可以加入測(cè)試人員的信息，并以電子版報(bào)告形式保存，報(bào)告上傳網(wǎng)絡(luò)后存儲(chǔ)時(shí)間無(wú)限延長(zhǎng)。

3.3 電磁輻射干擾自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備

電磁輻射干擾自動(dòng)檢測(cè)測(cè)試設(shè)備，可以測(cè)試電氣設(shè)備抗電磁輻射干擾情況。場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量誤差小于±4dB，中頻衰減不小于40dB，鏡像波道衰減不小于35dB，檢波前過(guò)載系數(shù)可以達(dá)到30dB，檢波后直流放大器≥12dB。因此，電磁輻射干擾自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備可以進(jìn)行CISPR1CISPR2以及相應(yīng)國(guó)標(biāo)規(guī)定的各類電氣設(shè)備的輻射擾測(cè)試。輻射擾測(cè)試系統(tǒng)滿足CISPR16-1-1/-2/-3/-CISPR16-2-1/-2/-3/-IEC61000-4-3等標(biāo)準(zhǔn)的輻射抗擾度自動(dòng)化測(cè)試對(duì)電磁兼容性（EMC）測(cè)試系統(tǒng)的全部要求。

電磁輻射干擾自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備的檢波器時(shí)間常數(shù)平均值充放電時(shí)間常數(shù)小于1ms，準(zhǔn)峰值充電時(shí)間常數(shù)1ms，放電時(shí)間常數(shù)160ms±10ms，所以相對(duì)的檢測(cè)速度更快且準(zhǔn)確度更高。檢測(cè)人員對(duì)電氣設(shè)備定位后，用支撐架撐起電磁輻射干擾自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，防止設(shè)備試驗(yàn)時(shí)腳輪受到震動(dòng)后移位。如在檢測(cè)過(guò)程中傳出意外響聲，需及時(shí)檢查設(shè)備運(yùn)行情況，待查出故障徹底解決后方可后重新開(kāi)機(jī)，以免影響設(shè)備使用期限。

電磁輻射干擾自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備符合EMC規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，EMC規(guī)劃與電磁干擾測(cè)試是相輔相成的，前期規(guī)劃決定后電氣設(shè)備是否能夠達(dá)到較高的抗電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)。只有在電氣設(shè)備EMC規(guī)劃全過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)電氣設(shè)備的抗電磁干擾能力，有效評(píng)估EMC相容性，才能及早發(fā)現(xiàn)或許存在的電磁干擾，并采納必要的和防護(hù)辦法，然后確保體系的電磁兼容性。否則，當(dāng)電氣設(shè)備設(shè)計(jì)方案定型后再發(fā)現(xiàn)電磁不兼容問(wèn)題時(shí)，需要更多人力、物力用于對(duì)電磁干擾的檢測(cè)及對(duì)電氣設(shè)備的調(diào)試。EMC電磁兼容測(cè)試實(shí)驗(yàn)室對(duì)測(cè)試電氣設(shè)備進(jìn)行抗電磁干擾檢測(cè)，實(shí)際上是將檢測(cè)步驟提前，預(yù)測(cè)電氣設(shè)備的抗電磁干擾能力。這對(duì)于提高電氣設(shè)備使用壽命，防止強(qiáng)電磁干擾均具有積極作用。

4 電氣調(diào)試中規(guī)避電磁干擾的常規(guī)處理方法

4.1 信號(hào)通道干擾處理方案

信息通道干擾在較多電氣設(shè)備中都會(huì)發(fā)生，電路低頻率自激振蕩也是導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓的主要原因。在處理方式上，應(yīng)當(dāng)結(jié)合信號(hào)通道干擾特點(diǎn)，采取光電耦合傳輸處理方案，或者是雙絞線傳輸?shù)奶幚矸桨浮?/p>

一方面光電耦合傳輸?shù)碾姶鸥蓴_處理方案，主要是根據(jù)不同電路特點(diǎn)，甄選適合的光電耦合器，利用其電磁信號(hào)的傳輸特性，提高信號(hào)傳輸速度，在最大傳輸速率的情況下利用光電耦合傳輸來(lái)防止空間電磁干擾。

另一方面，雙絞線傳輸?shù)碾姶鸥蓴_處理方案，主要是在原有的電氣設(shè)備布線方案上增加傳輸介質(zhì)，通過(guò)雙絞線傳輸來(lái)增強(qiáng)電路系統(tǒng)的抗干擾能力。這種處理方案能夠提高電氣設(shè)備在強(qiáng)干擾環(huán)境下的適應(yīng)力，其抗干擾能力遠(yuǎn)比同軸電纜好，運(yùn)用這種介質(zhì)也是防范信號(hào)通道干擾的主要措施。

4.2 地線干擾源處理方案

電磁干擾在地線之間表現(xiàn)得更為明顯時(shí)，需要對(duì)電氣設(shè)備采取相應(yīng)的保護(hù)措施，從地線干擾源處理方案來(lái)看，應(yīng)當(dāng)采取單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地以及數(shù)字接地和模擬接地的處理方式。首先，單點(diǎn)接地主要是將地線接到一點(diǎn)上，造成無(wú)線環(huán)流，接地點(diǎn)產(chǎn)生低阻抗，地流影響下電流小、電壓小，對(duì)于相近電路檢測(cè)具有明顯效果?？梢酝ㄟ^(guò)單點(diǎn)接地的方式，判斷檢測(cè)線路是否存在電位差小而產(chǎn)生電磁干擾的現(xiàn)象。其次，多點(diǎn)接地與單點(diǎn)接地不同，主要是用寬銅皮鍍銀材質(zhì)將阻抗降到最小，從而判斷多路線路接地母線上的電磁干擾現(xiàn)象是否明顯。所有的地線都在接地母線上，直接與直流電源連接，形成了工作接地點(diǎn)，可判斷電磁干擾源是否在測(cè)試線路中。最后，數(shù)字接地和模擬接地是一種模仿電磁干擾現(xiàn)象的接線方式，用兩種整流電路來(lái)供給數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)，通過(guò)光耦合來(lái)判斷地線之間是否產(chǎn)生了電磁干擾。

5 結(jié)論

綜上所述，在電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾時(shí)，危害主要是信息通道干擾和空間輻射干擾對(duì)電氣設(shè)備造成的破壞。在信息通道上的電磁干擾最終影響的是整個(gè)電氣設(shè)備的內(nèi)部電路，電氣設(shè)備出現(xiàn)自激振蕩，干擾持續(xù)加重最終造成系統(tǒng)癱瘓?？臻g輻射的傳播途徑較信息通道干擾更廣，在設(shè)備內(nèi)形成空間傳播，往往在極短時(shí)間內(nèi)便可干擾到電氣設(shè)備的所有元器件。針對(duì)電磁干擾的檢測(cè)方法主要是觀察法、比照法、分割法、信號(hào)追蹤法、旁路法、補(bǔ)償法、射頻法、三維有限元法等。電氣調(diào)試中規(guī)避電磁干擾的檢測(cè)設(shè)備可以應(yīng)用高頻電磁場(chǎng)分析儀，或者選用kh3935型EMI測(cè)試接收機(jī)和電磁輻射干擾自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備。