葛慶剛　崔　龍　薄　濤

　　山東天力科技工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101

　　摘要：電氣工程在現(xiàn)代科技背景下，有著十分廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用空間。但隨著人們對(duì)于電氣設(shè)備使用量的增加，隨之產(chǎn)生的電磁干擾問(wèn)題也日益明顯，特別是電氣工程中的自控設(shè)備，受到電磁干擾影響，會(huì)嚴(yán)重降低設(shè)備及系統(tǒng)的性能質(zhì)量，導(dǎo)致電氣設(shè)備運(yùn)行功能出現(xiàn)異常。如何有效防范電磁干擾，是電氣工程技術(shù)研究領(lǐng)域高度關(guān)注的內(nèi)容。文章簡(jiǎn)要介紹電磁干擾的基本概念，分析電磁干擾的危害和主要來(lái)源，并提出了一系列控制電磁干擾的措施，為相關(guān)行業(yè)工作人員提供參考。

　　關(guān)鍵詞：電氣工程；自控設(shè)備；電磁干擾；來(lái)源；防范措施　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　　中圖分類號(hào)：TM762

　　文章編號(hào)：2096-4137（2023）18-131-03　　DOI ：10.13535/j.cnki.10-1507/n.2023.18.44

　　近年來(lái)，我國(guó)電氣自動(dòng)化技術(shù)呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展之勢(shì)，電氣工程中也大量引入了電氣自動(dòng)化設(shè)備及系統(tǒng)，大大提高了電氣工程的技術(shù)水平。而電磁干擾的存在，則在很大程度上削弱了自動(dòng)化電氣設(shè)備及電氣系統(tǒng)的運(yùn)行效率及穩(wěn)定性，其危害性較大。電氣工程的自動(dòng)化水平越高，對(duì)于抗電磁干擾的能力要求就越高。本文對(duì)電氣工程中的相關(guān)電磁干擾因素進(jìn)行分析，并對(duì)增強(qiáng)自控設(shè)備抗干擾能力的措施進(jìn)行研究，對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化提升電氣工程的自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用水平，有十分積極的意義。

　　1　電磁干擾基本概述

　　電磁干擾（EMI）是一種電子噪聲，由電磁波產(chǎn)生。所謂電磁，就是指物質(zhì)所表現(xiàn)出來(lái)的電性以及磁性的統(tǒng)稱，常見的電磁波及電磁感應(yīng)，均屬于電磁的一種。電磁波則是物體電磁場(chǎng)在三維空間內(nèi)衍生發(fā)射過(guò)程中產(chǎn)生的振蕩粒子波，即：以波動(dòng)形式傳播的電磁場(chǎng)。電磁干擾是電磁場(chǎng)伴隨著電壓、電流的作用，產(chǎn)生的對(duì)電氣裝置或系統(tǒng)信號(hào)傳輸形成不良影響的電磁現(xiàn)象。①常見的電磁干擾類型主要有兩種：其一為傳導(dǎo)干擾，其二為輻射干擾。前者主要在導(dǎo)電介質(zhì)的媒介作用下形成，比如電源線、電纜等，這種情況下，電磁干擾會(huì)直接從一個(gè)電網(wǎng)傳遞到另一個(gè)電網(wǎng)；后者無(wú)需固定媒介，空間內(nèi)的干擾源會(huì)呈現(xiàn)自由輻射狀態(tài)，受輻射范圍內(nèi)的電網(wǎng)及電氣設(shè)備都會(huì)受到干擾影響，兩種電磁干擾均以信號(hào)耦合為干擾形式。②電磁干擾的來(lái)源大致分為兩種：一種是人為制造的，另一種是自然界的。前者主要來(lái)源于人類發(fā)明電子所必須依賴的各種電子設(shè)備，后者主要來(lái)源于電擊產(chǎn)生的大氣噪聲、定點(diǎn)射線及太陽(yáng)射線引起的大氣噪聲等?；诋?dāng)前的技術(shù)水平，電子設(shè)備本身對(duì)于電磁干擾的影響非常敏感。

　　2　電磁干擾的危害

　　電磁干擾對(duì)電氣、電子設(shè)備或相關(guān)系統(tǒng)，都會(huì)造成一定的負(fù)面影響，尤其是對(duì)含有半導(dǎo)體器件的設(shè)備或系統(tǒng)，影響較為明顯，嚴(yán)重時(shí)甚至可能直接造成設(shè)備或系統(tǒng)損壞。

　　2.1　高壓擊穿

　　當(dāng)電子或電氣器件接收到電磁能量后會(huì)轉(zhuǎn)化成電流能量，電磁能量越大，電流就越大，而且在電器件高阻位置處，還會(huì)將電磁能量轉(zhuǎn)化成高電壓。當(dāng)電磁輻射引起的電流或電壓超出器件本身的荷載范圍后，可能會(huì)形成接點(diǎn)，并在該接點(diǎn)引起電擊穿現(xiàn)象，致使電器件瞬間損壞，功能失效。

　　2.2　器件燒毀或受瞬變干擾

　　在瞬時(shí)高電壓情況下，電器件除了可能發(fā)生高壓擊穿損壞以外，短路問(wèn)題的發(fā)生幾率也較高。這主要是因?yàn)殡姶鸥蓴_會(huì)使得電氣系統(tǒng)的功率過(guò)大，導(dǎo)致電路或器件燒毀。在高功率情況下，這些器件容易被反向擊穿。

　　具體而言，半導(dǎo)體器件受電磁干擾出現(xiàn)燒毀或受瞬變干擾危害情形的原因可能有以下幾種：①器件氧化膜絕緣層因?yàn)殡妷哼^(guò)大而被擊穿，造成器件短路；②電流通過(guò)PN 結(jié)時(shí)，呈現(xiàn)不均勻狀態(tài)，燒毀鍍敷的金屬導(dǎo)體，造成開路問(wèn)題； ③因瞬變電壓的能量不足，器件未立即動(dòng)作，但其性能明顯下降，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，進(jìn)而自控設(shè)備產(chǎn)生誤動(dòng)作現(xiàn)象； ④器件反復(fù)經(jīng)受瞬變電壓的沖擊，存在潛伏性損毀現(xiàn)象，每次的瞬變電壓都使器件性能降低一些，問(wèn)題逐漸累積，會(huì)在某個(gè)不確定的時(shí)間點(diǎn)使器件徹底損壞；⑤半導(dǎo)體器件在制造時(shí)產(chǎn)生的缺陷也會(huì)造成潛伏性損毀，特別是無(wú)源器件，降低耐壓值和額定工作電壓及其他電氣性能等，都會(huì)影響其對(duì)于瞬變電壓的耐受能力，從而造成各類器件燒毀或受瞬變干擾問(wèn)題。

　　2.3　浪涌沖擊

　　浪涌沖擊危害主要發(fā)生在金屬屏蔽類電子設(shè)備當(dāng)中，雖然在金屬外殼的保護(hù)作用下，輻射到設(shè)備內(nèi)部的電磁波能量會(huì)大幅減少，但金屬屏蔽殼體所感應(yīng)到的脈沖大電流，會(huì)像浪涌一樣在殼體上流動(dòng)，過(guò)程中部分脈沖電流難免會(huì)透過(guò)金屬殼體的縫隙、孔洞及外漏引線等，進(jìn)入到設(shè)備內(nèi)部。一旦脈沖電流被引入殼體內(nèi)部的設(shè)備電路當(dāng)中，電磁敏感器件很可能會(huì)發(fā)生損壞。

　　2.4　影響電路數(shù)據(jù)正常傳遞

　　除了上述幾方面影響以外，電磁干擾還有一項(xiàng)比較常見的危害，就是影響電氣電路的數(shù)據(jù)正常傳遞。特別是低壓電子電路，隨著電磁干擾強(qiáng)度的增加，電路信號(hào)的傳遞會(huì)明顯出現(xiàn)質(zhì)量缺陷問(wèn)題，比如丟包或數(shù)據(jù)誤差等。這是因?yàn)殡姶鸥蓴_會(huì)導(dǎo)致電路信號(hào)電平發(fā)生改變，使得信號(hào)輸出端和接收端的信號(hào)特征出現(xiàn)差異，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換成的數(shù)據(jù)信息失真。

　　3　電氣工程中的自控設(shè)備電磁干擾來(lái)源

　　3.1　交變磁場(chǎng)

　　上文闡述的磁場(chǎng)干擾類型分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，在電氣工程中，實(shí)際上這兩類干擾因素并非只能單獨(dú)存在，很多時(shí)候兩種電磁干擾同時(shí)存在。當(dāng)電磁波發(fā)出之后，在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境條件下，其傳播形式可能會(huì)發(fā)生改變，相應(yīng)的，電磁干擾屬性也會(huì)發(fā)生變化。比如在遇到電磁波載體后，原本的輻射電磁干擾就可能變成傳導(dǎo)電磁干擾。此時(shí)，因?yàn)殡姶鸥蓴_形態(tài)的改變，周圍原本的磁場(chǎng)環(huán)境也會(huì)相應(yīng)有所變化，形成突變磁場(chǎng)，也就是所謂的交變磁場(chǎng)，進(jìn)而由交變磁場(chǎng)繼續(xù)發(fā)出電磁波能量，產(chǎn)生磁場(chǎng)干擾。

　　3.2　內(nèi)外干擾

　　內(nèi)外干擾分別指設(shè)備內(nèi)部原因和外部環(huán)境因素引起的電磁干擾現(xiàn)象，具體干擾來(lái)源較為復(fù)雜。比如，內(nèi)部干擾可能來(lái)源于系統(tǒng)和設(shè)備的生產(chǎn)和工藝、元器件的布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等多方面因素；外部干擾則主要來(lái)自于受干擾設(shè)備周圍的高電壓、高電流設(shè)備及電纜等，這些設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)實(shí)時(shí)向外界發(fā)射電磁波，從而對(duì)自控設(shè)備造成電磁干擾影響?，F(xiàn)代電氣工程中所使用的自控設(shè)備對(duì)于智能化水平要求較高，設(shè)備的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來(lái)越趨于開放化，這使其更加容易感應(yīng)到外界電磁波并受其影響。

　　3.3　電位差干擾

　　電位差干擾細(xì)化可以分為兩種：①普通的電位差，主要是由電路設(shè)備的電壓值不恒定造成。一方面，電氣工程自控設(shè)備在運(yùn)行使用過(guò)程中，本身的電壓控制難以做到始終恒定，存在輕微的電位差；另一方面，如果電氣設(shè)備使用過(guò)程中，出現(xiàn)故障未及時(shí)預(yù)防處理，會(huì)使電路電壓發(fā)生明顯波動(dòng)，形成強(qiáng)烈的電位差，進(jìn)而在自控設(shè)備中產(chǎn)生干擾電壓。②地電位差，其原理與普通電位差相同，但該類電位差主要來(lái)源于電流接地系統(tǒng)故障，比如接地電路短路等，此時(shí)自動(dòng)設(shè)備電路回路在經(jīng)過(guò)故障接地點(diǎn)及其他接地電路點(diǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的電流變化，引起電磁干擾現(xiàn)象。

　　3.4　設(shè)備信號(hào)干擾

　　設(shè)備信號(hào)干擾主要分為兩種情況，其一為共模干擾，其二為差模干擾。其中，前者主要是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)明顯的電位波動(dòng)現(xiàn)象，使設(shè)備出現(xiàn)異常運(yùn)行造成的，所以此類干擾又被稱為“地干擾”。后者則主要是因?yàn)殡娐吩O(shè)計(jì)的線路過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致電信號(hào)傳輸過(guò)程中，出現(xiàn)互感耦合問(wèn)題造成的，兩種設(shè)備信號(hào)干擾模式雖然產(chǎn)生方式不同，但是都會(huì)影響電氣設(shè)備對(duì)電氣系統(tǒng)的信號(hào)接收能力，使其無(wú)法準(zhǔn)確、順暢地接收指令信號(hào)，最終使設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性失去保障。

　　3.5　二次回路干擾

　　當(dāng)二次回路連接電感元件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)高強(qiáng)度電壓，對(duì)電感元件形成電壓干擾。而當(dāng)二次回路與電感元件斷開時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生比兩者連接時(shí)強(qiáng)度更大的電壓，此時(shí)的干擾電壓會(huì)透過(guò)電感元件，對(duì)整個(gè)回路系統(tǒng)產(chǎn)生明顯影響，甚至直接導(dǎo)致自控設(shè)備功能失靈。該類干擾因素目前還無(wú)法徹底避免，決定其干擾程度大小的主要因素是二次回路設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)度。只有確保二次回路設(shè)計(jì)與整體電路設(shè)計(jì)需求的高度匹配，才能最大程度降低該類干擾因素的影響。

　　4　電氣工程中自控設(shè)備應(yīng)采取的有效抗電磁干擾措施

　　4.1　印刷板及電路布局控制

　　分析總結(jié)電磁干擾的產(chǎn)生來(lái)源可以發(fā)現(xiàn)，電路電壓過(guò)大是造成電氣工程自控設(shè)備電磁干擾問(wèn)題的主要因素。①可以對(duì)電氣工程自控設(shè)備自身的電壓容量進(jìn)行擴(kuò)增，以提高其對(duì)大電壓的容納能力，減少電壓損害。比如，可以采取電路板疊加設(shè)計(jì)方法，增加印刷電路板的厚度，從而為應(yīng)對(duì)電路系統(tǒng)的大電壓干擾預(yù)留更多的結(jié)構(gòu)空間，使電路電壓容納能力提升。②在進(jìn)行電氣工程自控設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)電路系統(tǒng)的檢驗(yàn)力度，特別是電路的完整性及結(jié)構(gòu)布局的合理性?？梢岳孟冗M(jìn)的電路模擬技術(shù)，提前對(duì)自控設(shè)備的電路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行建模，驗(yàn)證其功能是否能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景需求。驗(yàn)證過(guò)程中可以有針對(duì)性地進(jìn)行大電壓運(yùn)行測(cè)試，確保電路系統(tǒng)具備充足的抗電壓干擾能力。

　　4.2　電源使用控制

　　根據(jù)以往的電氣工程自控設(shè)備使用和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，受電磁干擾問(wèn)題影響最大的主要是電源電路。所以，抗電磁干擾還要加強(qiáng)對(duì)電源使用方面的控制力度，從多方面采取措施對(duì)電源可能存在的電磁干擾因素進(jìn)行綜合防范。其中較為關(guān)鍵的控制措施包括以下3 項(xiàng)：①要保證電源連接的合理性與準(zhǔn)確性，嚴(yán)格按照行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行電源與電氣工程自控設(shè)備連接控制，從源頭上保障設(shè)備電壓的穩(wěn)定性。同時(shí)還應(yīng)注意電源產(chǎn)品質(zhì)量的控制，嚴(yán)禁使用不符合設(shè)計(jì)要求的電源線。 ②應(yīng)充分考慮電源的屏蔽功能設(shè)計(jì)，選擇適宜的屏蔽線設(shè)計(jì)電源屏蔽層。③電源電路的指示燈因素影響也不容忽視，在進(jìn)行電源板線路布局的過(guò)程中，應(yīng)將指示燈的電磁干擾納入分析范圍，最大限度降低電源的內(nèi)部電磁干擾，減少電源開關(guān)設(shè)備啟閉過(guò)程中可能對(duì)其他自控設(shè)備產(chǎn)生的磁場(chǎng)影響，這有利于提升電源設(shè)備自身的運(yùn)行效率及質(zhì)量。

　　4.3　信號(hào)傳輸干擾控制

　　做好自控設(shè)備的信號(hào)傳輸干擾控制工作，是保障電氣工程自控設(shè)備抗電磁干擾能力的重要舉措。具體而言，應(yīng)著重加強(qiáng)以下幾方面的控制：①要合理設(shè)計(jì)線路長(zhǎng)度，根據(jù)實(shí)際的電路使用需求，經(jīng)過(guò)模擬和計(jì)算，確認(rèn)具體的長(zhǎng)度參數(shù)，避免線路過(guò)長(zhǎng)出現(xiàn)信號(hào)耦合，導(dǎo)致信號(hào)丟失；②要保證電路絕緣性能的可靠性，以降低信號(hào)干擾問(wèn)題產(chǎn)生的幾率；③要對(duì)易于產(chǎn)生干擾的信號(hào)源，采取必要且有效的隔離與屏蔽措施，以切斷信號(hào)干擾通道；④要選用具備一定屏蔽效果的金屬板，對(duì)自控設(shè)備進(jìn)行一定的屏蔽保護(hù)，在周邊信號(hào)干擾源及干擾通道未能得到有效控制的情況下，通過(guò)設(shè)備自身的防干擾保護(hù)外殼，也能起到良好的抗電磁干擾作用。但需注意的是，無(wú)論從哪方面采取屏蔽措施，都應(yīng)對(duì)周邊其他設(shè)備的信號(hào)傳輸要求進(jìn)行綜合考量，以免因?yàn)橐环叫盘?hào)傳輸干擾控制，影響另一方信號(hào)的正常傳輸。

　　4.4　選擇合適的濾波器

　　在選擇合適的濾波器方面要做好以下3 點(diǎn)：①要根據(jù)具體設(shè)備的特征和使用環(huán)境的干擾情況，選擇相應(yīng)的濾波器類型和截止頻率。例如，對(duì)于電磁干擾，適合采用RC 濾波器或LC 濾波器；而對(duì)于數(shù)字系統(tǒng)，則適合采用數(shù)字濾波器。 ②濾波器的安裝位置和接線質(zhì)量也對(duì)濾波效果起到關(guān)鍵作用。濾波器應(yīng)正確接入設(shè)備的電源線路或信號(hào)線路，并杜絕連接不良或松動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。為確保濾波器的安全可靠，安裝人員應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和工藝順序進(jìn)行濾波器的安裝，防止濾波器本身帶來(lái)故障。③定期檢測(cè)濾波器的連接狀態(tài)和工作狀態(tài)，及時(shí)更換損壞的濾波器或調(diào)整不合適的濾波器參數(shù)，降低外界干擾對(duì)自動(dòng)化設(shè)備的危害?？傊_選型、嚴(yán)格安裝、及時(shí)檢測(cè)是保障濾波器發(fā)揮最佳效果的重要環(huán)節(jié)，也是提高自動(dòng)化設(shè)備抗干擾能力的有效手段。

　　5　結(jié)語(yǔ)

　　經(jīng)過(guò)以上分析不難發(fā)現(xiàn)，電氣工程中自控設(shè)備電磁干擾問(wèn)題的存在，對(duì)于自控設(shè)備的正常功能發(fā)揮有著較為嚴(yán)重的影響。而導(dǎo)致電磁干擾問(wèn)題發(fā)生的原因較為多樣化，實(shí)際控制過(guò)程中，通常難以通過(guò)單一途徑進(jìn)行有效防控。相關(guān)行業(yè)工作人員應(yīng)對(duì)此形成全面、正確的認(rèn)識(shí)，結(jié)合實(shí)際電氣工程特征，采取全方位的控制措施，這樣才能有效保障電氣工程自控設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中其功能發(fā)揮的可靠性與穩(wěn)定性。

　　作者簡(jiǎn)介：葛慶剛（1978-），男，山東濟(jì)南人，山東天力科技工程有限公司機(jī)械與電氣中級(jí)職稱，研究方向：電儀應(yīng)用。

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　?。ㄘ?zé)任編輯：肖央然）

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