第5课抗干扰技术之干扰耦合与接地

抗干扰技术之干扰耦合与接地EMC什么是电磁干扰？电磁干扰是指由于电磁环境引起的设备、传输通道或系统性能的下降。电磁干扰的频谱很宽，可以覆盖0~40GHz频率范围，电磁污染已和水源、大气受到的污染一样，正引起世界范围的关注。从测量的角度，干扰和信号是相对的。电磁干扰的危害造成测量仪器性能下降能量型干扰信号型干扰电磁干扰导致机电设备和控制装置误动作导致元器件烧毁或击穿电爆装置、易燃材料等意外触发或点燃。1.强电磁干扰下的微弱信号检测在线监测中抗干扰的重要性2.高电压下的测量设备的安全（运行电压高、故障冲击电流大）3.信号传输距离长4.灵敏度与抗干扰能力之间的矛盾。电磁干扰的基本要素干扰源耦合途径测量系统§5.1电磁干扰源确定电磁环境是实施电磁兼容的前提。电磁环境是各种电磁干扰源的总和。50Hz2kHz150kHz50MHz300MHz1GHz16Hz1250Hz20kHz音频噪声传导射频干扰分谐波谐波音频与射频间的干扰辐射干扰现场电磁干扰连续的周期型干扰（窄带干扰）脉冲型干扰（宽带干扰）白噪（宽带干扰）系统高次谐波载波通讯无线电通讯干扰高频保护周期性脉冲干扰随机性脉冲干扰电力电子器件动作产生的高频涌流（可控硅整流、静止无功补偿器等）高压线路上的电晕放电其它电气设备的内部放电分接开关动作产生的放电电机启动产生的电弧放电接触不良或悬浮电极放电各种冲击波产生的高频电流脉冲设备热噪声地网中的噪声设备动力电源线、继电保护线路以及各种信号线路耦合进入的随机噪声电力现场电磁干扰分类表主要瞬态干扰源1）开关动作当开关动作时回路电流迅速变化，di/dt非常大，在带有电感线圈的开关设备中会产生幅值很高的电压脉冲。如电焊机、电动机启动过程和高压开关动作等。频率范围0.15~150MHz，通常由电源线传播。2）整流装置与开关过程类似，整流过程将产生瞬态短路电流，干扰频率范围较宽。3）点火装置机动车辆都装有火花点火装置,放电电流峰值约200A，放电时间通常在s内，峰值电压高达10kV。所产生的干扰前沿极陡，在10~100MHZ范围内是最强的瞬态干扰源之一。4）高压输电线主要为电晕放电，主要为随机干扰，频谱在兆赫兹以下。5）照明装置荧光灯或弧光灯是基于放电原理发光的，其工作时阳极和阴极之间会产生高频振荡，频率一般在几千赫兹左右。§5.2电磁干扰的耦合路径干扰源与测量设备间的耦合途径传导耦合辐射耦合5.2.1.传导耦合传导耦合是导体之间及元件之间的主要干扰耦合方式，分为共阻抗耦合、电感应耦合和磁感应耦合。传导耦合可以通过电源线、信号线、接地导体进行耦合。1.电阻传导耦合（共阻抗耦合）通常干扰都是通过公共回路或公共阻抗，引入到测量回路中的。当两个以上不同电路的电流流过公共阻抗时，就出现共阻抗干扰耦合。电路1电路2电路1地电位电路2地电位共地阻抗地电流1地电流2电路1电路1电路2电路2电路1地电位电路2地电位共地阻抗地电流1地电流2共地阻抗耦合I1+I2电路1电路2共线阻抗电源I1I2I1+I2电路1电路2共线阻抗电源I1I2电源共线阻抗耦合共线阻抗~~USURsRLZgUgIgI1I2’Un’ggZIIU)('21gssZIIRIU)('211gLZIIRIU)('21'2U)(gLZRIU2gLLLnZRURRIU2gSLSLgsgsZRRRRZUZRUI)()('2RLI2Un~ZggLSZRRSgSLnnnRZUIIRUUU)('22'13211)(ZIIIU23213212)()(ZIIZIIIU可见，测量回路中的干扰电压是干扰源电压、公共阻抗和干扰耦合电阻的函数。所有独立电路的地通过串联连接，这对噪声来说是一种最不希望的共地系统。任一个电路电流的变化都会对其他电路产生影响。3323213213)()(ZIZIIZIIIU电路1I1U1Z1I2U2Z2I3U3Z3电路2电路32.电容性传导耦合（电感应耦合）~RU1C1gC12UnC2g干扰源与测量电路间通过分布电容产生的干扰耦合方式。假设干扰源电压为U1，导线2为测量回路。则因干扰源在测量回路中产生的噪声电压Un，可用下式表示121221212)(1])([UCCRjCCCjUggn)(1212gCCjR当测量线路对地阻抗较小时，即112URCjUn，则有~RU1C1gC12UnC2g相当于在线路2中产生了一个幅度为的干扰电流源。112UCjIn上式是讨论两导线间容性耦合的最重要公式。它表明当测量电路对地电阻较小时，噪声电压正比于干扰源的频率和幅值、测量电路对地电阻以及测量回路与干扰回路间的耦合电容。RUnIn)(1212gCCjR当测量线路对地阻抗较大时，即，则有121212UCCCUgn在这种情况下，测量电路产生的噪声电压是由电容分压器C12和C2g引起的，与频率无关。而且与前一种情况相比，此时的噪声电压要大得多。使测量回路尽可能在较低的电阻值上工作；降低容性耦合干扰的方法假定干扰源的强度和频率是不变的，那么降低容性耦合可归结为减小以下两个参数：尽可能减小回路间耦合电容C12，这可以通过导线本身的方向性、屏蔽或分隔来实现。3.电感性传导耦合（磁感应耦合）干扰源与测量回路间通过互感产生的干扰耦合方式。假设干扰源电压为U1，导线2为测量回路。则因干扰源在测量回路中产生的噪声电压Un，可用下式表示dtdIMIMjUn112112上式中M12为线路1、2间的互感。也可以用由回路1产生的磁通密度在回路2中引起的感生电势来表示。~R2U1R1R3I1I2M12AnBdAdtdU如果磁通也随时间正弦变化，同时测量回路是固定的，则整个环路面积恒定。则有式中，B——磁通密度（T）A——测量回路等效面积（m2）——矢量A和矢量B的夹角cosBAUn可采用电路上物理隔离的方法，减小穿过测量回路的磁通密度B；降低感性耦合干扰的方法由上式可得，为了减小干扰电压，必须减小B、A或COS。可将导线紧贴地平面或采用双绞线，尽可能减小测量回路的等效面积A。调整干扰源与测量回路的相对位置。鉴别磁耦合和电耦合干扰的方法R1In=jC12U1UR2R1In=jC12U1UUR2电耦合等效电路R1Un=jM12I1UR2~R1Un=jM12I1UUR2~磁耦合等效电路如果所测噪声电压减小，则为电干扰。对于磁耦合，等效于在测量回路中串联一干扰电压源；而对于电耦合，则等效于在测量电路与地之间并入干扰电流源。因此在实际测量中，可采用以下方法鉴别两种耦合。测量跨接电缆一端阻抗上的噪声电压，并减小电缆另一端上的阻抗。如果所测噪声电压增大，则为磁干扰。5.2.2.辐射耦合由于现代无线通讯技术的广泛使用，以空间电磁辐射形式出现的干扰源已越来越普遍地存在。在工程实际中，短单极天线（dl小于）是一种最为常见的辐射模式。根据麦克斯韦方程，短单极天线的辐射场可表示为sin)1(4cos)1(2sin)1(422020rrjkkreIdljErjkreIdljErjkrIdleHjkrjkrrjkr上式中，r，，为球坐标；I为天线电流，dl为短单极天线长度；为天线至场点的距离；为角频率；0为空气介电常数；2k对于辐射耦合，近场和远场的概念是十分重要的。是对实际情况的有效简化，单极天线又称为高电压、小电流高阻抗源。1.近场辐射当被辐射场点距辐射天线较近时，即r时jkrjkrrjkreIdlrjEeIdlrjEeIdlrHsin41cos21sin413030221r31r可见，H正比于，E正比于,而波阻抗r1002ZrjZHEZ为高容性阻抗，正比于，所以单极天线的近场又称为高阻抗场，以电场为主。377000Z为自由空间波阻抗2.远场辐射当被辐射场点距辐射天线较近时，即r时jkrjkrerIdlkjEerIdljHsin2sin20可见，H和E正比于，而波阻抗r137700ZkHEZ其远场与单极天线完全相同。而当近场时，E正比于，H正比于，而波阻抗21r31r002ZrjZHEZ为感性低阻抗，与r成正比。小环天线的近场又称低阻抗场，以磁场为主。对于另一类常见的天线类型——小环天线，为低电压、大电流低阻抗源。小环天线两种天线的波阻抗Z与r的关系电磁干扰的抑制方法电磁干扰的主要抑制方式屏蔽抑制辐射干扰滤波抑制传导干扰接地最基本、最有效，也是最廉价的保护抑制能量型干扰接地（Earthing或Grounding）就是在电气设备和大地之间实现确实的电气连接。§5.3接地技术富兰克林的避雷针和世界上最早的接地发送机接收机大地大地归路电流莫尔斯的有线通信电路接地保护地信号地为雷电、静电等能量提供安全释放的通道。为模拟或数字信号提供稳定的电位基准点。油罐车静电用接地地球相当于一个巨大的电容器，通常意义上可以认为大地是稳定的电位基准点。问题是对如飞机、火箭、人造卫星等飞行体，是无法真正与大地相联接的。理想的地对于流过的电流没有电阻。其结果是不管流过的电流有多大，在地线的不同点之间没有电压降。但在高频情况下并非如此。在设计地线时，必须了解地电流的实际流动路径。信号地的含义为电路提供参考等电位点。为电流流回电源提供一条低阻抗路径。放大电路的地电流路径UDCUnZ1Z2Z3ZLUnUDCZ2Z3Z4ZL放大电路的地电流路径UDCUnZ1Z2Z3ZLUnUDCZ2Z3Z4ZL(a)错误电源接地方式(b)修正的电源接地方式如图(a)所示，放大器电源电流流动路径为Z3Z2Z1就会在Z2产生一个干扰电压，该干扰与信号源是串联的，当该干扰电压的幅值和频率满足一定条件时，电路会发生振荡。只要将电路的直流电源的接地点如图（b）修改一下，是电流流过，问题就解决了。常规接地系统悬浮接地单点接地多点接地混合接地5.3.1.接地系统一、悬浮接地悬浮地是指设备或单元地线在电气上与参考地相绝缘的情况。比较常见的悬浮接地是为了防止机箱上的干扰电流直接耦合到信号电路，将信号地与机箱有意地绝缘。(a)设备悬浮地(b)单元悬浮地悬浮接地容易产生静电积累和静电放电，在雷电或操作过电压下，还会在机箱和单元电路间产生飞弧。所以这种接地方式不宜在电气设备在线监测系统中使用。二、单点接地单点接地又称一点接地，要求电路的每个独立单元只接地一次，并接在同一参考点上。I3电路1I1U1Z1I2U2Z2U3Z3电路2电路3(a)串联一点接地(b)并联一点接地由于串联一点接地会在地回路中，出现共阻抗的情况。所以并联一点接地最常用和有效，这种接地方式，由于只有一个参考点，没有地回路存在，可以避免地线上各单元间的电流不会相互干扰。在信号频率小于1MHz以下时，单点接地是最理想的接地方式。但当频率升高时，由于接地阻抗较大，电路中会产生较大的共模电压。当地线长度超过1/4波长时，电路实际上已经与地隔离。并联单点接地的一种改进是将具有类似特性的电路连接在一起，然后将每一个公共点连接到单点地。干扰最大的电路英最靠近公共点。(c)改进的并联单点接地测量地线的敷设，应力求减小地线的长度。如果存在两个以上独立的电路单元，应安装一条与机箱绝缘的接地母线。除非机箱是镀银的，切忌以机箱作为分散接地的公公地平面。因为不镀银的机壳地平面阻抗比较高。各电路地电流流过时会产生相互干扰。(d)装有地母线的机柜三、多点接地多点接地是指设备中的内部电路都以机壳为参考点，又由一个安全地将所有参考点连接在一起。多点接地方式适用于高频（10MHz）和数字电路，只要接地引线长度小于干扰波长的1/10，多点接地效果都很理想。此时机壳应镀银。这种接地方式不适用于敏感的模拟电路。因为这样连接形成的地环路，会对模拟信号产生较大的干扰。(b)单元电路多点接地(a)设备多点接地四、混合接地测量系