综合布线系统中的电磁兼容性设计

综合布线系统中的电磁兼容性设计摘要介绍了综合布线系统中常见的电磁干扰类型,分析了电磁兼容设计与布线系统性能指标的相互影响。指出要合理进行电磁兼容设计,必须采取如下措施:线对绞合、屏蔽、滤波、阻抗匹配、接地、正确布线、抑制电源干扰。叙词:综合布线系统电磁兼容性干扰近端串扰屏蔽滤波接地1引言综合布线系统是指能在一套统一的传输介质上形成连接语音、图像和数据通信设备、交换设备以及外部线路的综合传输网络,同时它应是标准的、开放的,以便将来能顺利地扩充网络规模、升级网络性能,而且它要便于用户对线路进行管理和调整。综合布线系统现已成为智能建筑的重要组成部分,在系统的设计中,电磁兼容的问题不容忽视。一方面目前布线系统传输的信号频率越来越高,信号本身的能量在趋弱,对电磁干扰更敏感;另一方面,周围的电磁环境却在不断恶化。因此,电磁兼容性的设计在综合布线系统中显得非常重要。2综合布线系统中的干扰类型综合布线本身是无源的,但它与各种高频网络设备联成系统后,就成为有源设备的重要组成部分。这种有源设备存在电磁兼容性的问题,包括防电磁干扰与电磁辐射两个方面。电磁干扰影响综合布线系统能否正常工作;电磁辐射则涉及综合布线系统的信息不被窃取的安全问题,或者造成电磁污染。综合布线系统受到的干扰种类较多,大致可分为:①经空间或大地通过电磁场作用的辐射干扰,包括自然干扰与人为干扰。前者如雷电、宇宙射线等,后者主要指电气设备、电力机车、高压电网的开、关和电火花引起的干扰,以及大功率发射装置发射的无线电波。②经导线引来的传导干扰,如线路串扰,传输线路上阻抗不匹配产生的反射波,还有导线沿途经电磁场作用而吸引来的干扰等。③电源干扰,包括欠压、过压、波形畸变与电磁脉冲干扰等。上述干扰作用到电子设备后引起设备不正常工作的电气变化量,称之为噪声。根据噪声对电子设备发生的干扰模式,可分为常模噪声与共模噪声。常模噪声又称为差模噪声,噪声电流和信号电流在往返两条线上一致流动,是对称的;共模噪声是不对称的,噪声侵入线路和地线间,以地为回路,而信号电流只在线路流过(不通过地)。电磁干扰是通过导线或空间与大地进行传递或发生作用的,常见的干扰耦合从回路的角度可分为以下四种:(1)静电感应耦合。通过元件之间或内部的分布电容(如导线间、电缆相互间、电缆芯线间);(2)电磁感应耦合。通过电磁元件漏磁通或导线间的互感;(3)公共阻抗耦合。通过电流阻抗或公用零线、公用地线进行耦合,如系统中某一电路电流有变化,通过公共阻抗,就会使其他电路电压发生变化;(4)泄漏电流耦合。由于设备的绝缘电阻不足够大或电容的漏电流,导致次级被耦合。3综合布线系统中常见的防干扰措施上述四种情况在实际中可能同时或交叉发生,所需的抑制措施也较复杂。一般采取抑制噪声源,切断噪声途径,提高受扰设备对噪声免疫力的方法。因此需采取屏蔽(抑制噪声源,减少耦合电容与互感)、滤波(抑制噪声源)和合理布线(减少耦合电容与电感),同时合理接地(必须屏蔽)。对于传输线上的反射波通过阻抗匹配解决,对导体还要采取特殊的生产工艺(双绞线)。3.1双绞线抗干扰为了消除线对间的串扰,综合布线系统中使用双绞线作为传输媒介,它把电流方向相反流量相等的两根导线互相拧合。由于电流的方向相反,感应磁通引起的噪声电流互相抵消,不影响传输信号,其抑制线对间的串扰效果与绞距有关,见表1。两根线绞合在一起,除了可减小或消除串扰外,还可降低两导线间的非平衡性互电容,有利于平衡传输,还可降低衰减,并保持恒定的特性阻抗。3.2非屏蔽与屏蔽缆线的选择根据有无屏蔽层,双绞线可分为非屏蔽双绞线(UTP)与屏蔽双绞线(STP)。UTP除了采用合理的绞距消除线对之间的串扰外(可认为是内部干扰),还利用平衡传输特性消除外界的电磁干扰,即外界干扰在一个线对的两根导线上的影响相同而互相抵消,接收器只对信号敏感而不受这种共模噪声的影响,其抗干扰能力≥40dB。在一般电磁环境中使用UTP已能满足性能要求。(1)超过6类标准的高速数据传输中,因UTP的极限是6类标准,而实现7类标准必须采用屏蔽系统。(2)有信息安全要求的场合,不允许电磁信息往外发射时,若屏蔽系统尚不能达到要求,应采用光缆系统。3.3屏蔽系统屏蔽电缆的芯线外由于有一屏蔽层,因此其屏蔽效果是很明显的,但它的做法却要求很严格:(1)要求全程屏蔽。包括缆线、终端、信息插座、跳接线、配线架、集线器等在内的整个系统都需完全连续的屏蔽,不允许有一丝的间断或破损。(2)要求有良好、正确的接地。对系统的接地方式、接地电阻有较高要求,确保把干扰引入大地,并不把新的干扰引入系统。以上两点在实际工程中均很难完全做到,若不能做到,则其性能可能反而不如UTP,而且屏蔽系统成本较高。目前,工程界对屏蔽与非屏蔽谁更适用争议激烈。屏蔽缆线包括FTP、SFTP、STP,其抗扰能力不同,应视情况选用。FTP只是在绞合的线对外包一层铝箔,其抗扰能力可达85dB;SFTP除在绞合的线对外包一层铝箔外,还有一层铜网编织层,抗扰能力≥90dB;STP在每一对绞合的线外包一层铝箔,同时在整个铜缆外还有一铜网编织层,既使线对间的串扰得到抑制,还阻止了外界电磁干扰与自身的辐射,抗扰能力≥98dB。屏蔽系统除了传输部分的屏蔽外,设备间(如机房)也需屏蔽。在高频时屏蔽物宜用铜或铝,其厚度可很小,而低频时宜用铁磁材料作屏蔽层。3.4传输线路的反射抑制传输线在接有阻抗值不同于其特性阻抗ZC处,其传输的信号会在该处发生反射,并叠加在传输信号上,造成信号波形畸变,可能会使传送信息产生错误,或使电压超过电路的极限值,破坏电路的正常工作。反射包括信号源的内阻抗与传输线路的特性阻抗不匹配,以及传输线的特性阻抗与负载阻抗不匹配,或两种不同阻抗的电缆相互连接。综合布线缆线特性阻抗我国标准规定为100Ω与150Ω(新国标只规定为100Ω),其偏差为±15Ω,设计时要注意阻抗匹配,以消除反射的形成。3.5滤波滤波是抗干扰的一项重要手段。滤波器件分为模拟滤波器和数字滤波器,它们应用于信号电路时,都应无失真地让需要的信号通过,即在通频带内,其幅频特性应为一常数,而相频特性应为线性,设计时应以此为原则。模拟滤波器既可用于电源线路,也可用于信号输入、输出电路,能衰减脉冲噪声、尖峰噪声、谐波与其他杂波信号。对于共模噪声,滤波器在电源线(信号线)和地线间构成通路,把噪声电流引入大地;对于常模噪声,滤波器在线间构成通路,把噪声电流在线间短路。在高速数字传输系统中,例如千兆位以太网中,近端串扰严重,而且阻抗匹配也难以做到。在系统中除常见措施外,还需采用数字滤波技术消除串扰与回波损耗。因为与模拟滤波相比,数字滤波具有精度高、稳定性好、改变系统特性容易(通过软件)、易集成等优点,随着高速DSP的发展,数字滤波较易实现。3.6综合布线系统中接地系统的设计接地是提高综合布线系统电磁兼容性的重要手段之一,特别是屏蔽系统更需如此。接地包括如下四类。(1)电子设备的工作接地。指电子设备的系统地(工作必需的基准电位)是否要与大地相连,以及如何相连。一般有两种方式:浮地方式(不接大地)与直接接地方式。前者适用于分布电容小、电磁环境不复杂的场合;后者能抑制分布电容的影响,使基准电位恒定,电子设备的工作接地主要采用该方式。低频时(f1MHz)宜用“一点接地”,高频时(f10MHz)宜用“多点接地”,但基准电位只能是一个,接地电阻应4Ω。接地线的长度不能为电子设备工作波长的1/4或其奇数倍,以避免地线成为天线,吸收或辐射噪声。(2)电气设备保护接地。根据低压配电系统的形式,有两种接地方式:保护接零与保护接地。TN系统中采用保护接零方式(PE线接至系统零线),TT与IT系统中用保护接地方式(PE线直接接地)。(3)屏蔽接地。综合布线采用屏蔽系统时,必须要有良好、正确的接地,以便把电磁干扰引入大地,确保系统性能。低频时宜用一点接地,以防屏蔽层、地线和大地构成闭合环路,在变化磁场的作用下,屏蔽层内感应出电流,耦合到芯线,干扰信号回路。高频时宜多点接地,因高频时集肤效应严重,由电位差引起的高频电流仅在屏蔽层的外表面流动,对内部芯线无感应作用。接地电阻应4Ω,但两接地点之间的电位差也需1V。(4)防雷接地。包括防直击雷接地、防雷电波侵入接地和防雷电感应接地。防雷电感应接地和防雷电波侵入接地应和电气设备的接地装置共用,此时,对电子设备应考虑过电压保护措施,其工频接地电阻值应10Ω。防直击雷的接地装置与防雷电感应的接地装置之间的距离应≥3m,如无法保持该距离,应采用等电位联接,此时接地体以采用自然接地体为主,基础内钢筋必须连接成电气通路,同时形成闭合环。(5)各接地装置之间的相互连接。对各接地系统之间如何相互连接,目前认识有许多不同,主要是担心防雷接地在雷击时引起地电位的急剧变化,导致损坏电子设备,同时也担心防雷接地引起的高频干扰与电气设备接地引起的工频干扰加入电子电路中。如果将各接地系统分别单独接地,其接地极与引下线应分别保持一定距离,但由于空间的限制,其安全距离很难满足,实际很少采用。目前,提倡的做法是各接地系统通过各自的接地母线分别引至总等电位母排上,再把总等电位母排引至自然接地体,即基础内低于地面0.7m成闭合环的钢筋上,要求接地电阻1Ω,否则应采取降阻措施或加入人工接地体。这种做法要求大楼作总等电位联结,各局部区域要作局部等电位联结,楼层高于30m时,每层楼还要设置均压环,并与防雷引下线相连,使整个大楼成为一个笼式均压体。这种作法的接地系统应合乎要求,但施工难度较大。3.7电源干扰的抑制电源干扰主要形式是:脉冲干扰与持续干扰。持续干扰主要指电源欠电压、过电压、频率偏移和波形畸变,其持续时间10ms。这些主要都是电能质量问题,应按照《计算机站场地技术要求》中对电源供电的要求,必要时采用电源净化器、多个供电电源与UPS结合的冗余方式,以确保供电可靠性和质量要求。脉冲干扰指的是电网脉宽1μs的脉冲,主要原因有:线路上断开感性负载、投入补偿电容器、雷击等。其抑制措施是采用瞬变干扰吸收器或浪涌电压保护器、线路滤波器、屏蔽,对感性负载两端并联放电回路,容性负载串联限流元件。对电子设备损坏较大的是电磁脉冲干扰(EMP),除了合理的屏蔽、滤波与接地之外,还要在电源进线与信号线、电子设备等处装设多级浪涌电压保护器或称为电源避雷器。它的装设与参数选择应根据配电系统型式、接地系统是联合接地还是单独接地以及电源的过载、短路、漏电保装置等相配合。对于共用接地系统,各接地极之间可不加浪涌电压保护器,若是单独接地的,应在接地端子间加装保护器。当装设在信号回路中时,应与工作频率、传输线的特性阻抗相匹配。3.8综合布线系统的布线原则(1)合理布线对抗干扰能起较大作用。当在有限的空间内需敷设电力、信号和接地电缆时,若处理不当,电力电缆就容易对信号电源产生电磁干扰。由于干扰场强度与干扰源至信号线距离的平方成反比,因此信号线与干扰源保持一定距离很必要。(2)由于目前普遍使用的模拟电路存在较高的振铃电压(可达90V),因此传输话音的电缆不能与数据电缆在同一根对绞电缆中应用,以免引起大的干扰。(3)当电缆采用金属槽或钢管敷设时,槽道或钢管应保持连续的电气连接,并在两端应良好的接地。(4)由于UTP抗干扰的一个重要手段是平衡传输特性,而任何金属体靠近导体都会引起传输线的不平衡,因此UTP只能走非金属管槽。(5)综合布线电缆可与电视电缆、火灾报警电缆、监控系统电缆合用金属电缆桥架,但与电视电缆宜用金属隔板分开。参考文献1邝德华.综合布线技术指南.北京:科学出版社,2000.2张松春,竺子芳,赵秀芬,蒋春宝.电子控制设备抗干扰技术及其应用.第二版.北京:机械工业出版社,1998.3中国工程建设标准化协会标准.建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范(CECS72:97).1997.4曹志刚,钱亚生.现代通信原理.北京:清华大学出版社,1998.