電氣設(shè)備故障診斷概論課件：第5課 抗干擾技術(shù)之干擾耦合與接地

1、抗干擾技術(shù)之干擾耦合與接地EMC什么是電磁干擾？ 電磁干擾是指由于電磁環(huán)境引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。電磁干擾的頻譜很寬，可以覆蓋040GHz頻率范圍，電磁污染已和水源、大氣受到的污染一樣，正引起世界范圍的關(guān)注。 從測(cè)量的角度，干擾和信號(hào)是相對(duì)的。電磁干擾的危害 造成測(cè)量?jī)x器性能下降 導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備和控制裝置誤動(dòng)作 導(dǎo)致元器件燒毀或擊穿 電爆裝置、易燃材料等意外觸發(fā)或點(diǎn)燃。 能量型干擾 信號(hào)型干擾電磁干擾1. 強(qiáng)電磁干擾下的微弱信號(hào)檢測(cè)2. 高電壓下的測(cè)量設(shè)備的安全（運(yùn)行電壓高、故障沖擊電流大）3. 信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)4. 靈敏度與抗干擾能力之間的矛盾。在線監(jiān)測(cè)中抗干擾的重要性電磁干擾的基

2、本要素干擾源耦合途徑測(cè)量系統(tǒng) 5.1 電磁干擾源 確定電磁環(huán)境是實(shí)施電磁兼容的前提。電磁環(huán)境是各種電磁干擾源的總和。50Hz2kHz150kHz50MHz300MHz1GHz16Hz1250Hz20 kHz音頻噪聲傳導(dǎo)射頻干擾分諧波諧波音頻與射頻間的干擾輻射干擾現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾連續(xù)的周期型干擾（窄帶干擾）脈沖型干擾（寬帶干擾）白噪（寬帶干擾）系統(tǒng)高次諧波載波通訊無(wú)線電通訊干擾高頻保護(hù)周期性脈沖干擾隨機(jī)性脈沖干擾電力電子器件動(dòng)作產(chǎn)生的高頻涌流（可控硅整流、靜止無(wú)功補(bǔ)償器等） 高壓線路上的電暈放電 其它電氣設(shè)備的內(nèi)部放電 分接開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的放電 電機(jī)啟動(dòng)產(chǎn)生的電弧放電 接觸不良或懸浮電極放電 各種沖擊

3、波產(chǎn)生的高頻電流脈沖 設(shè)備熱噪聲 地網(wǎng)中的噪聲設(shè)備動(dòng)力電源線、繼電保護(hù)線路以及各種信號(hào)線路耦合進(jìn)入的隨機(jī)噪聲電力現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾分類表主要 瞬態(tài)干擾源 1）開(kāi)關(guān)動(dòng)作 當(dāng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)回路電流迅速變化，di/dt非常大，在帶有電感線圈的開(kāi)關(guān)設(shè)備中會(huì)產(chǎn)生幅值很高的電壓脈沖。如電焊機(jī)、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程和高壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作等。頻率范圍0.15150MHz，通常由電源線傳播。 2）整流裝置 與開(kāi)關(guān)過(guò)程類似，整流過(guò)程將產(chǎn)生瞬態(tài)短路電流，干擾頻率范圍較寬。 3）點(diǎn)火裝置 機(jī)動(dòng)車輛都裝有火花點(diǎn)火裝置,放電電流峰值約200A，放電時(shí)間通常在s內(nèi)，峰值電壓高達(dá)10kV。所產(chǎn)生的干擾前沿極陡，在10100MHZ范圍內(nèi)是最強(qiáng)的瞬態(tài)干

4、擾源之一。 4）高壓輸電線 主要為電暈放電，主要為隨機(jī)干擾，頻譜在兆赫茲以下。 5）照明裝置 熒光燈或弧光燈是基于放電原理發(fā)光的，其工作時(shí)陽(yáng)極和陰極之間會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩，頻率一般在幾千赫茲左右。 5.2 電磁干擾的耦合路徑干擾源與測(cè)量設(shè)備間的耦合途徑傳導(dǎo)耦合輻射耦合5.2.1. 傳導(dǎo)耦合 傳導(dǎo)耦合是導(dǎo)體之間及元件之間的主要干擾耦合方式，分為共阻抗耦合、電感應(yīng)耦合和磁感應(yīng)耦合。傳導(dǎo)耦合可以通過(guò)電源線、信號(hào)線、接地導(dǎo)體進(jìn)行耦合。1. 電阻傳導(dǎo)耦合（共阻抗耦合） 通常干擾都是通過(guò)公共回路或公共阻抗，引入到測(cè)量回路中的。當(dāng)兩個(gè)以上不同電路的電流流過(guò)公共阻抗時(shí)，就出現(xiàn)共阻抗干擾耦合。電路1電路2電路1 地

5、電位電路2 地電位共地阻抗地電流1地電流2I1 + I2電路1電路2共線阻抗電源I1I2 共地阻抗耦合 電源共線阻抗耦合共線阻抗USURsRLZgUgIgI1I2UnURLI2UnZg 可見(jiàn)，測(cè)量回路中的干擾電壓是干擾源電壓、公共阻抗和干擾耦合電阻的函數(shù)。 所有獨(dú)立電路的地通過(guò)串聯(lián)連接，這對(duì)噪聲來(lái)說(shuō)是一種最不希望的共地系統(tǒng)。任一個(gè)電路電流的變化都會(huì)對(duì)其他電路產(chǎn)生影響。電路1I1U1Z1I2U2Z2I3U3Z3電路2電路32. 電容性傳導(dǎo)耦合（電感應(yīng)耦合）RU1C1gC12UnC2g導(dǎo)線 1導(dǎo)線 2干擾源與測(cè)量電路間通過(guò)分布電容產(chǎn)生的干擾耦合方式。 假設(shè)干擾源電壓為U1，導(dǎo)線2為測(cè)量回路。則因干

6、擾源在測(cè)量回路中產(chǎn)生的噪聲電壓Un ，可用下式表示 當(dāng) 測(cè)量線路對(duì)地阻抗較小時(shí)，即，則有RU1C1gC12UnC2g導(dǎo)線 1導(dǎo)線 2相當(dāng)于在線路2中產(chǎn)生了一個(gè)幅度為 的干擾電流源。 上式是討論兩導(dǎo)線間容性耦合的最重要公式。它表明當(dāng)測(cè)量電路對(duì)地電阻較小時(shí)，噪聲電壓正比于干擾源的頻率和幅值、測(cè)量電路對(duì)地電阻以及測(cè)量回路與干擾回路間的耦合電容。RUn導(dǎo)線 2In 當(dāng) 測(cè)量線路對(duì)地阻抗較大時(shí)，即，則有 在這種情況下，測(cè)量電路產(chǎn)生的噪聲電壓是由電容分壓器C12和C2g引起的，與頻率無(wú)關(guān)。而且與前一種情況相比，此時(shí)的噪聲電壓要大得多。使測(cè)量回路盡可能在較低的電阻值上工作；盡可能減小回路間耦合電容C12 ，

7、這可以通過(guò)導(dǎo)線本身的方向性、屏蔽或分隔來(lái)實(shí)現(xiàn) 。 降低容性耦合干擾的方法 假定干擾源的強(qiáng)度和頻率是不變的，那么降低容性耦合可歸結(jié)為減小以下兩個(gè)參數(shù)：3. 電感性傳導(dǎo)耦合（磁感應(yīng)耦合）干擾源與測(cè)量回路間通過(guò)互感產(chǎn)生的干擾耦合方式。 假設(shè)干擾源電壓為U1，導(dǎo)線2為測(cè)量回路。則因干擾源在測(cè)量回路中產(chǎn)生的噪聲電壓Un ，可用下式表示上式中M12為線路1、2間的互感。 也可以用由回路1產(chǎn)生的磁通密度在回路2中引起的感生電勢(shì)來(lái)表示。 R2U1R1導(dǎo)線 1導(dǎo)線 2R3I1I2M12 如果磁通也隨時(shí)間正弦變化，同時(shí)測(cè)量回路是固定的，則整個(gè)環(huán)路面積恒定。則有 式中， B 磁通密度（T） A 測(cè)量回路等效面積（m

8、2） 矢量A和矢量B的夾角可采用電路上物理隔離的方法，減小穿過(guò)測(cè)量回路的磁通密度B ；可將導(dǎo)線緊貼地平面或采用雙絞線，盡可能減小測(cè)量回路的等效面積A 。調(diào)整干擾源與測(cè)量回路的相對(duì)位置。 降低感性耦合干擾的方法 由上式可得，為了減小干擾電壓，必須減小B 、 A或COS 。如果所測(cè)噪聲電壓減小，則為電干擾。如果所測(cè)噪聲電壓增大，則為磁干擾。鑒別磁耦合和電耦合干擾的方法 對(duì)于磁耦合，等效于在測(cè)量回路中串聯(lián)一干擾電壓源；而對(duì)于電耦合，則等效于在測(cè)量電路與地之間并入干擾電流源。因此在實(shí)際測(cè)量中，可采用以下方法鑒別兩種耦合。 R1In=jC12U1UR2R1Un=jM12I1UR2電耦合等效電路磁耦合等效

9、電路測(cè)量跨接電纜一端阻抗上的噪聲電壓，并減小電纜另一端上的阻抗。5.2.2. 輻射耦合 由于現(xiàn)代無(wú)線通訊技術(shù)的廣泛使用，以空間電磁輻射形式出現(xiàn)的干擾源已越來(lái)越普遍地存在。 在工程實(shí)際中，短單極天線（ dl 小于）是一種最為常見(jiàn)的輻射模式。根據(jù)麥克斯韋方程，短單極天線的輻射場(chǎng)可表示為上式中，r，為球坐標(biāo)；I 為天線電流，dl為短單極天線長(zhǎng)度；為天線至場(chǎng)點(diǎn)的距離；為角頻率；0為空氣介電常數(shù)； 對(duì)于輻射耦合，近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的概念是十分重要的。是對(duì)實(shí)際情況的有效簡(jiǎn)化，單極天線又稱為高電壓、小電流高阻抗源。1. 近場(chǎng)輻射 當(dāng)被輻射場(chǎng)點(diǎn)距輻射天線較近時(shí)，即r 時(shí) 可見(jiàn)， H 和E 正比于 ，而波阻抗 其遠(yuǎn)場(chǎng)與

10、單極天線完全相同。而當(dāng)近場(chǎng)時(shí)， E正比于 ， H正比于 ，而波阻抗 為感性低阻抗，與r 成正比。小環(huán)天線的近場(chǎng)又稱低阻抗場(chǎng)，以磁場(chǎng)為主。 對(duì)于另一類常見(jiàn)的天線類型小環(huán)天線 ，為低電壓、大電流低阻抗源。小環(huán)天線兩種天線的波阻抗 Z 與r 的關(guān)系電磁干擾的抑制方法 電磁干擾的主要抑制方式屏蔽 抑制輻射干擾濾波 抑制傳導(dǎo)干擾接地 最基本、最有效，也是最廉價(jià)的保護(hù) 抑制能量型干擾 接地（ Earthing 或Grounding ）就是在電氣設(shè)備和大地之間實(shí)現(xiàn)確實(shí)的電氣連接。 5.3 接地技術(shù)富蘭克林的避雷針和世界上最早的接地發(fā)送機(jī)接收機(jī)大地大地歸路電流莫爾斯的有線通信電路接地 保護(hù)地 信號(hào)地為雷電、靜

11、電等能量提供安全釋放的通道。為模擬或數(shù)字信號(hào)提供穩(wěn)定的電位基準(zhǔn)點(diǎn)。油罐車靜電用接地 地球相當(dāng)于一個(gè)巨大的電容器，通常意義上可以認(rèn)為大地是穩(wěn)定的電位基準(zhǔn)點(diǎn)。 問(wèn)題是對(duì)如飛機(jī)、火箭、人造衛(wèi)星等飛行體，是無(wú)法真正與大地相聯(lián)接的。 理想的地對(duì)于流過(guò)的電流沒(méi)有電阻。其結(jié)果是不管流過(guò)的電流有多大，在地線的不同點(diǎn)之間沒(méi)有電壓降。但在高頻情況下并非如此。 在設(shè)計(jì)地線時(shí)，必須了解地電流的實(shí)際流動(dòng)路徑。信號(hào)地的含義 為電路提供參考等電位點(diǎn)。 為電流流回電源提供一條低阻抗路徑。放大電路的地電流路徑UDCUnZ1Z2Z3ZLUnUDCZ2Z3Z4ZL放大電路的地電流路徑UDCUnZ1Z2Z3ZLUnUDCZ2Z3Z4

12、ZL(a)錯(cuò)誤電源接地方式(b)修正的電源接地方式 如圖 (a)所示，放大器電源電流流動(dòng)路徑為Z3 Z2 Z1就會(huì)在Z2產(chǎn)生一個(gè)干擾電壓，該干擾與信號(hào)源是串聯(lián)的，當(dāng)該干擾電壓的幅值和頻率滿足一定條件時(shí)，電路會(huì)發(fā)生振蕩。 只要將電路的直流電源的接地點(diǎn)如圖（b）修改一下，是電流流過(guò)，問(wèn)題就解決了。常規(guī)接地系統(tǒng)懸浮接地單點(diǎn)接地多點(diǎn)接地混合接地5.3.1. 接地系統(tǒng)一、懸浮接地 懸浮地是指設(shè)備或單元地線在電氣上與參考地相絕緣的情況。 比較常見(jiàn)的懸浮接地是為了防止機(jī)箱上的干擾電流直接耦合到信號(hào)電路，將信號(hào)地與機(jī)箱有意地絕緣。 懸浮接地容易產(chǎn)生靜電積累和靜電放電，在雷電或操作過(guò)電壓下，還會(huì)在機(jī)箱和單元電路

13、間產(chǎn)生飛弧。所以這種接地方式不宜在電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用。(a) 設(shè)備懸浮地(b) 單元懸浮地二、單點(diǎn)接地 單點(diǎn)接地又稱一點(diǎn)接地，要求電路的每個(gè)獨(dú)立單元只接地一次，并接在同一參考點(diǎn)上。 I3電路1I1U1Z1I2U2Z2U3Z3電路2電路3 由于串聯(lián)一點(diǎn)接地會(huì)在地回路中，出現(xiàn)共阻抗的情況。所以并聯(lián)一點(diǎn)接地最常用和有效，這種接地方式，由于只有一個(gè)參考點(diǎn)，沒(méi)有地回路存在，可以避免地線上各單元間的電流不會(huì)相互干擾。(a) 串聯(lián)一點(diǎn)接地(b) 并聯(lián)一點(diǎn)接地 在信號(hào)頻率小于1MHz 以下時(shí)，單點(diǎn)接地是最理想的接地方式。但當(dāng)頻率升高時(shí)，由于接地阻抗較大，電路中會(huì)產(chǎn)生較大的共模電壓。當(dāng)?shù)鼐€長(zhǎng)度超過(guò)1/4

14、波長(zhǎng)時(shí)，電路實(shí)際上已經(jīng)與地隔離。 并聯(lián)單點(diǎn)接地的一種改進(jìn)是將具有類似特性的電路連接在一起，然后將每一個(gè)公共點(diǎn)連接到單點(diǎn)地。 干擾最大的電路英最靠近公共點(diǎn)。 (c) 改進(jìn)的并聯(lián)單點(diǎn)接地 測(cè)量地線的敷設(shè)，應(yīng)力求減小地線的長(zhǎng)度。如果存在兩個(gè)以上獨(dú)立的電路單元，應(yīng)安裝一條與機(jī)箱絕緣的接地母線。 除非機(jī)箱是鍍銀的，切忌以機(jī)箱作為分散接地的公公地平面。 因?yàn)椴诲冦y的機(jī)殼地平面阻抗比較高。各電路地電流流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相互干擾。(d) 裝有地母線的機(jī)柜三、多點(diǎn)接地 多點(diǎn)接地是指設(shè)備中的內(nèi)部電路都以機(jī)殼為參考點(diǎn)，又由一個(gè)安全地將所有參考點(diǎn)連接在一起。 多點(diǎn)接地方式適用于高頻（10MHz）和數(shù)字電路，只要接地引線長(zhǎng)度

15、小于干擾波長(zhǎng)的1/10，多點(diǎn)接地效果都很理想。此時(shí)機(jī)殼應(yīng)鍍銀。 這種接地方式不適用于敏感的模擬電路。因?yàn)檫@樣連接形成的地環(huán)路，會(huì)對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生較大的干擾。(b) 單元電路多點(diǎn)接地(a) 設(shè)備多點(diǎn)接地四、混合接地混合接地電路1電路2電路3 測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)電源以及低頻部分需要一點(diǎn)接地，而數(shù)字和高頻部分則需要多點(diǎn)接地。 混合接地使用電抗性器件（主要是電容）使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時(shí)呈現(xiàn)不同的特性。這種接地方法在低頻時(shí)相當(dāng)于一點(diǎn)接地，而在高頻時(shí)相當(dāng)于多點(diǎn)接地。 絕大部分測(cè)量設(shè)備都是采用混合接地方式。 各單元電源地都接到電源總地線上。 各單元信號(hào)地都接到信號(hào)總地線上。兩根總地線最后匯總到公共的參考地。測(cè)量設(shè)備

16、混合接地 在采用混合接地式時(shí)，應(yīng)特別關(guān)注寄生諧振現(xiàn)象。例如在自感為0.1H的電纜上，使用0.1 F的電容接地時(shí)，將在1.6MHZ處產(chǎn)生諧振，在這個(gè)頻率上電纜屏蔽層根本沒(méi)有接地。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能使寄生諧振頻率高于干擾頻率。五、多極電路的接地（b）接 地 點(diǎn)靠 近 低 電 平 端（正確） 對(duì)于單元電路，為使電路工作穩(wěn)定，最好采用單點(diǎn)接地。 多極電路的接地點(diǎn)選擇十分重要。如果接地點(diǎn)設(shè)在輸出處高電平單元，則輸入級(jí)的地對(duì)參考地的電位受干擾影響最大，是不合理的。 接地點(diǎn)應(yīng)選在低電平電路單元的輸入端，使其最接近參考地。 六、地線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟 分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)各單元的干擾特性和敏感特性。 查清監(jiān)測(cè)系

17、統(tǒng)內(nèi)各電路的工作電平、信號(hào)種類和電源電壓。 將地線分類，并進(jìn)行分組。 給出總體地線布局圖。 排出地線網(wǎng)。 應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，測(cè)量系統(tǒng)除安全地外，至少應(yīng)有兩個(gè)分開(kāi)的地：一個(gè)電路地和一個(gè)機(jī)殼地。這些地應(yīng)僅在電源處相連。 機(jī)箱地為高頻提供很好的回路，而電氣地應(yīng)通過(guò)一個(gè)10100nF的電容器與機(jī)殼相連。 各單元的安全地可以連到金屬機(jī)架上，但必須保證個(gè)金屬件間可靠搭接。對(duì)于永久性的搭接，最理想的方式就是焊接。七、總結(jié) 對(duì)于低于1MHz的場(chǎng)合，盡量使用單點(diǎn)接地。 對(duì)于高于10MHz的場(chǎng)合， 可考慮采用多點(diǎn)接地。 當(dāng)在高頻場(chǎng)合存在敏感電路單元時(shí)，應(yīng)避免多點(diǎn)接地，采用混合接地。 為避免地環(huán)路引起的干擾，應(yīng)將信號(hào)地與機(jī)

18、殼絕緣。 將不同用途的接地總線分開(kāi)。5.3.2. 屏蔽電纜的接地 研究?jī)x器之間電纜的相互連接，以及如何恰當(dāng)?shù)厥褂眠@些電纜，以避免我們不希望的電流和輻射信號(hào)影響精密測(cè)量的準(zhǔn)確度。一、屏蔽層接地產(chǎn)生的電場(chǎng)屏蔽 干擾電壓會(huì)通過(guò)分布電容耦合到屏蔽電纜的屏蔽線上。如果屏蔽層不進(jìn)行接地。則干擾源就會(huì)進(jìn)一步通過(guò)屏蔽層對(duì)芯線的分布電容耦合到信號(hào)線中。由于屏蔽電纜的表面積比普通導(dǎo)線大，所以產(chǎn)生的耦合干擾也較一般導(dǎo)線強(qiáng)。 如果屏蔽層接地，干擾源的耦合信號(hào)就會(huì)被屏蔽層短路至地，從而起到電場(chǎng)屏蔽的作用。 屏蔽電纜的屏蔽層接地點(diǎn)通常選在屏蔽電纜一端，稱為單端接地。 屏蔽電纜的電場(chǎng)屏蔽電路接線等效電路二、地環(huán)路對(duì)屏蔽的影響地環(huán)路對(duì)屏蔽的影響 如果電纜屏蔽層兩端接地，且兩端點(diǎn)地電位間存在電位差，則屏蔽層就會(huì)流過(guò)噪聲電流。這一噪聲電流會(huì)通過(guò)屏蔽層與芯線間的互感進(jìn)一步在芯線上產(chǎn)生感應(yīng)的噪聲電壓