工业控制设备电磁兼容性与抗干扰对策

工业控制设备电磁兼容性与抗干扰对策史洪源2004.62电磁兼容性的定义EMC:ElectromagneticCompatibility电磁兼容性：设备在其电磁环境中能正常工作，且不对该环境中其它设备构成不能承受的电磁骚扰的能力。研究电磁兼容性，不是处于理论上的目的，而是处于实践上的需要，它是DCS系统电气抗干扰能力的综合体现。系统的电磁兼容性是通过一些实践性很强的技术手段获得的，这些手段主要有：接地隔离屏蔽双绞吸收滤波3产品电磁兼容性的两个方面骚扰（Disturbance)：专指本产品对别的产品的造成的电磁影响——“祸根”。干扰（Interference)：或称为抗干扰，专指本产品抵抗别的产品的电磁影响——“免疫”。4电磁兼容的三个要素骚扰源：危害性电磁信号的发射（Emission)者。传播途径：电磁信号的传播途径。辐射（RadiatedEmission）：通过空间发射。传导（ConductedEmission）：沿着导体发射。注意：不要将发射和辐射混淆，辐射和传导都统称为发射。接收器：收到电磁信号的电路。消除上述三要素之一，产品间电磁干扰就不存在。5电磁骚扰的种类自然噪声：宇宙射线和太阳辐射（频率大于10MHz）。雷电（频率小于10MHz）。人为噪声：故意行为：雷达、电子战发射装置。无意行为：电焊机、电源、继电器、静电等。6骚扰信号被接收：形成干扰通过天线或等效于天线的结构接收通过机箱接收通过导线接收对于上述三种基本的信号传播机构，可构成9种可能的耦合，其中，天线——天线，天线——导线，导线——导线，是三种最主要的耦合方式，所以电磁兼容性的研究和标准也主要是围绕这三种模式进行的。机箱——机箱模式除低频磁场外，一般不是主要的。7电磁兼容性标准的分类方法一发射(Emission/Disturbance)标准：用于表述产品发出电磁信号骚扰别的产品的具体规定。如：IEC61000-6-4:工业环境中的发射标准抗扰度(Immunity)标准：用于表述产品抵抗电磁骚扰信号的具体规定。如：IEC61000-6-2:工业环境中的抗扰度要求DCS作为工业控制产品，更关心的是抗扰度。8EMC标准的分类方法二基础标准：只阐述测量和试验方法，不规定环境，不规定何种产品应达到什么等级的要求。如IEC61000-4系列，规定了基础性抗扰度标准。通用标准：对规定的某类环境中的产品提出一系列最低的电磁兼容性要求。如IEC61000-6系列，规定了住宅和工业环境的电磁兼容标准。产品簇标准：在通用标准和基础标准的基础上，具体规定了某类产品的电磁兼容要求和测试方法。如：GB/T17618-1998(idtCISPR24:1997)——《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》。专用产品标准：具体规定某一型号产品的电磁兼容要求，一般不单独编制某产品的电磁兼容标准，而只是将其电磁兼容的要求编写在该产品的通用技术条件或产品标准中，以引用其它电磁兼容标准的条款的形式表达。9国际电磁兼容性标准体系基础标准通用标准产品簇标准专用产品标准基础发射标准通用发射标准B类：商业环境发射标准A类：工业环境发射标准基础抗扰度标准通用抗扰度标准B类：商业环境抗扰度标准A类：工业环境抗扰度标准发射抗扰度10电磁兼容性的强制性法令（Regulations）欧盟（EU）：89/336/EEC1989，欧共体发布89/336/EEC产品法令，规定到1995年底为过渡期，之后凡未达到改指令中电磁兼容标准的产品，不得进入欧盟市场。该法令主要采用EN55XXX（等同采用CISPR标准）和EN6XXXX（等同采用IEC标准）系列标准。美国：FCC&FDAFCCPart15:射频设备发射要求FCCPart18:工业，科学和医疗设备发射要求FDA：对医疗设备的抗扰度要求FCC（FederalCommunicationsCommission）FDA（FoodandDrugAdministration）11电磁兼容性标准主要研究机构国际CISPR：国际无线电干扰特别委员会1934年，IEC成立“国际无线电干扰特别委员会”（法文缩写为CISPR,现为IEC下属的半独立机构)，开始制定一系列的电磁兼容标准。IEC：国际电工委员会IECTC65：1979年，IEC在TC65专业（工业过程测量和控制设备专业委员会）下成立WG4工作组，专门研究该领域的电磁兼容性问题，并于1984年提出了IEC801系列标准。IECTC77：1990年，IECTC77(专门研究电气设备电磁兼容的委员会）认为IEC801的成果与其工作重叠，决定采纳IEC801为基础标准，改标准号为IEC61000-4系列。ISO:国际标准化组织，只制订一些特殊的标准。ITU：国际电信联，只制订通信设备的标准。欧盟CENELEC：欧洲电工标准委员会CENELEC制订的标准号以EN开头ETSI：欧洲电信标准局北美FCC：美国联邦通信委员会IEEE：国际电气与电子工程师协会ANSI：美国国家标准局12IEC61000电磁兼容标准组成IEC61000-1:《总论》，一般性的讨论和定义，术语。IEC61000-2:《环境》，环境分类及描述。IEC61000-3:《限值》，发射和抗扰度限值。IEC61000-4:《测试技术》，测量和试验技术。IEC61000-5:《安装于调试指南》，安装指南，调试方法与设备。IEC61000-6:《通用标准》，规定不同环境下的抗扰度和发射要求。13工业控制中常用的IEC61000-4系列标准标准内容IEC61000-4标准对应原IEC801标准(GB/T17626系列）（GB/T13926系列）抗扰度试验综述IEC61000-4-1IEC801-1静电放电抗扰度IEC61000-4-2IEC801-2辐射电磁场抗扰度IEC61000-4-3IEC801-3快速瞬变脉冲群抗扰度IEC61000-4-4IEC801-4浪涌抗扰度IEC61000-4-5IEC801-5射频场传导骚扰抗扰度IEC61000-4-6IEC801-6电压瞬时跌落和中断抗扰度IEC61000-4-1114IEC61000-4-2：静电放电抗扰度试验试验目的：模拟操作人员或物体在接触或靠近设备时的放电。试验方法：高压电源+150pF储能电容，尖端放电。试验等级：接触放电：2kV(1级）,4kV,6kV,8kV.空气放电：2kV(1级）,4kV,8kV,15kV.15IEC61000-4-3：辐射电磁场抗扰度试验试验目的：考察设备抗移动电话、对讲机等连续波发射设备干扰的能力。试验方法：电波室，频率可达150MHz-5GHz试验等级（场强）：1V/m(1级):低强度电磁辐射，如1km远的电视台3V/m:中等强度的电磁辐射，如1-2m远的手持式1W步话机。10V/m:严重的电磁辐射，如与设备靠近的大功率步话机(5W以上）。16IEC61000-4-4：快速瞬变脉冲群抗扰度试验试验目的：考察小电感负载（如继电器）的切换及高压真空开关的切换对设备的干扰。试验方法：在设备电源线和I/O线上输入脉冲宽度50ns30%，重复频率为2.5kHz/5kHz,持续时间15ms，脉冲群周期300ms的共模脉冲电压。试验等级(电源线/IO线,未注明的为5kHz）0.5kV/0.25kV(1级):计算机房1kV/0.5kV:主控室2kV/1kV:变电站4kV,2.5kHz/2kV:采用气体绝缘开关的变电站17IEC61000-4-5：浪涌抗扰度试验试验目的：考察us级电压电流波动对系统的影响。100/1300us电压或电流浪涌（指上升时间100us,持续时间1300us）：大容量熔断器烧毁的瞬间。1.2/50us电压8/20us电流：电网开关动作或雷击10/700us电压：Modem等通讯设备的雷击放电试验方法：电压或电流跌加到电源线或IO线。试验等级（电压）浪涌电压500Vp(1级):电站控制室浪涌电压1kVp:无强干扰的工厂浪涌电压2kVp:变电站浪涌电压4kVp:民用架空线环境18IEC61000-4-6：射频场传导骚扰抗扰度试验试验目的：考察设备对射频骚扰的抵抗能力试验方法：采用电缆耦合传导输入的方式，分为连续波和脉冲波两种型式。可以等效取代辐射骚扰抗扰度试验(IEC61000-4-3)。试验等级（150kHz-80MHz干扰,并用1kHz正弦波调幅后通过耦合器加入）1V(1级):低强度电磁辐射，如1km远的电视台3V:中等强度的电磁辐射，如1-2m远的1W手持式步话机。10V:严重的电磁辐射，如与设备靠近的大功率步话机(5W以上)。19IEC61000-4-8:工频磁场抗扰度试验试验目的：考察设备对工频电流（50Hz/60Hz)产生的磁场的抗扰度。试验方法：用一个小的工频线圈贴近并延设备外壳边缘移动。试验等级1级：连续场强1A/m,无短时间持续（1-3秒,下同）场强。2级：连续场强3A/m,无短时间持续场强。3级：连续场强10A/m,无短时间持续场强。4级：连续场强30A/m,短时间持续场强300A/m。5级：连续场强100A/m,短时间持续场强1000A/m。20IEC61000-4-11：电压瞬间跌落或中断抗扰度试验试验目的：考察电源电压瞬间跌落或中断的影响，如误动、数据丢失等。电压跌落：跌落大于10%以上，持续时间0.5-50个周波电压中断：电压跌落到0。试验方法：电压切换装置。试验等级跌落30%，持续5个周波跌落60%，持续1个周波电压中断，持续0.5个周波21工业控制系统中设备的EMC要求工业控制系统中设备分类工业控制设备（ICE：IndustrialControlEquipment）：主控制器，IO，机柜。信息技术设备（ITE：InformationTechnologyEquipment）；操作员站，工程师站等PC机。不同类型设备的EMC要求是不一样的。22工业控制设备（ICE）EMC产品簇标准IEC61326:2002测量,控制和实验室用电气装置电磁兼容性要求作废标准：IEC61326-1-1997（等效GB/T18268-2000）测量,控制和实验室用电气装置电磁兼容性要求IEC61326:2002代替了IEC61326-1:1997及其1998和2000年两次补充。23IEC61326对工业控制设备（ICE）的抗扰度要求端口试验项目基础标准等级该等级试验值外壳静电放电IEC61000-4-22/3接触放电4kV；空气放电8kV射频场辐射干扰IEC61000-4-3310V/m工频磁场IEC61000-4-8430A/m(仅用于对磁场敏感的设备)交流电源电压暂降或中断IEC61000-4-113各极性中断0.5周波快速瞬变脉冲群IEC61000-4-432kV浪涌IEC61000-4-52/3线对线1kV；线对地2kV射频场传导干扰IEC61000-4-623V直流电源快速瞬变脉冲群IEC61000-4-432kV浪涌IEC61000-4-52/3线对线1kV；线对地2kV射频场传导干扰IEC61000-4-623VI/O信号或控制信号快速瞬变脉冲群IEC61000-4-431kV（仅用于线长超过3m的情况）浪涌IEC61000-4-521kV(仅线对地,线长30m,户外线)射频场传导干扰IEC61000-4-623V（仅用于线长超过3m的情况）直接与供电网络连接的I/O信号或控制信号快速瞬变脉冲群IEC61000-4-442kV浪涌IEC61000-4-52/3线对线1kV；线对地2kV射频场传导干扰IEC61000-4-623V24IEC61326的工业控制设备（A类设备）发射限值端口频率范围（MHz）限值引用标准外壳30～230准峰值40dB(V/m)，测量距离10mCISPR16-1CISPR16-2(GB/