第2讲-电磁骚扰源

CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China600kVHVDC电磁兼容ElectromagneticCompatibility何金良清华大学电机工程与应用电子技术系电力系统安全国家重点实验室交直流输变电技术及电磁环境分室+62775585，13601024327email:[e-mail],JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China第1讲电磁兼容导论要点„广义的EMC„EMC问题无处不在„设备的EMC设计与功能设计同样重要„EMC三要素：干扰源、耦合途径、敏感设备„EMC基本要素：空间、时间、频谱„要想经济，必须在设计的初期考虑EMC问题CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China第2讲电磁骚扰源及特性„电磁骚扰分类„主要骚扰源„骚扰源的特性分析„骚扰源的模型CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China1.1电磁骚扰源分类„按传播形式分类‡传导骚扰‡辐射骚扰CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China电磁骚扰源分类－按频谱分类„工频骚扰(50Hz)波长为6000km„甚低频骚扰(30kHz以下)波长大于10km„载频干扰10-300kHz，波长大于1km‡包括高压交直流输电谐波骚扰„射频、视频骚扰(300kHz-300MHz)波长在1-1000m之间‡工科医疗设备、输电线电晕放电、高压设备火花放电‡内燃机、电动机、家用电器、照明电器等都在此范围，„微波骚扰(300MHz-300GHz)波长为1mm-1m‡包括特高频、超高频、极高频骚扰„雷电及核电磁脉冲骚扰‡由吉赫直至接近直流，范围很宽CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China按骚扰源性质分类电磁骚扰源自然骚扰源人为骚扰源大气噪声、雷电、宇宙噪声、雨滴的静电噪声、太阳噪声功能性发射利用电磁能量发射实现其功能：通信系统、电视广播系统、雷达、导航设备、高频辐射加热非功能性发射高压电网及设备工业、科学及医疗设备：电弧炉、荧光灯、工业电炉、空调、计算机、打印机、医疗设备机器及工具：电锯、吸尘器、电熨斗、轧钢机、射频感应加热器、射频干燥设备、射频电弧焊机等各类机器运输工具：汽车点火装置、电气机车及轨道消费电子设备：微波炉、冰箱、恒温箱、洗衣机、搅拌机、吹风机、电动剃须刀、个人计算机、可调灯、除尘机、荧光灯武器装备：核致电磁脉冲，电子对抗机、电磁脉冲炮弹静电放电CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China100kHz时，大气噪声0.5μV-0.25V自然骚扰源CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China„宽带场(broadbandfield)的单位‡测量时使用参考带宽1MHz(有时用1kHz)„窄带单位不指定某带宽，单位为dBμV/m‡窄带测量时带宽小于1MHz‡窄带测量：接受机的带宽上只有一条谱线„宽带测量‡接收机的带宽上有很多谱线‡幅值要比用窄带单位时的数值要高dBμV/m/MHzCopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China„例：某宽带噪声源频谱测量时，„1MHz间隔每隔1kHz测量一数据：‡50dBμV/m/MHz„1kHz处采用窄带测量方法：‡-10dBμV/m„比较窄带和宽带的幅值是不对的dBμV/m/MHzEMC测量时一定需要标明对应的测试方法CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China„连续波：采用频域法适合于连续骚扰波„暂态波：采用时域模型则更适宜于暂态骚扰根据骚扰源波形的连续性分„连续波‡广播站‡高能辐射‡电机噪声‡固定及移动通信‡计算机、可视设备、打印机‡整流器‡太阳及宇宙噪声„暂态波‡雷电‡NEMP‡电力线路故障‡开关及继电器‡电晕放电CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China1.2骚扰源的不确定性、随机性„飞机、汽车„雷电„城市电磁环境‡城市杂波与社会活动密切相关，随时代而变‡城市杂波的根源、程度及特性等均在随时变化‡在日本每年都定期进行城市杂波测试，欧美也有不少学者专家收集杂波测试数据„骚扰源不确定或系统特性不确定CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China第2讲电磁骚扰源及特性„电磁骚扰分类„主要骚扰源„骚扰源的特性分析„骚扰源的模型CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China2.1雷电及其二次效应CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China2.1雷电及其二次效应„雷电发展过程‡雷云，地面及地面物体产生异性电荷‡先导发展，迎面先导，雷电定位，主放电‡雷击物体‡多重雷击：由20个闪络组成„雷电流幅值昀大可达200kA以上„幅值概率分布：„波头和波长时间皆为随机变量波头大约在1~4μs左右，波长约在40μs左右88)(lgMMIIP−=CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China雷电二次效应CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China雷击建筑物„雷直击建筑物电流200kA，室内的磁感应强度昀大值可达10-2T，即102Gs数量级‡磁感应强度0.07Gs，无屏蔽计算机会误动‡磁感应强度超过2.4Gs，永久损坏CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China雷电电磁环境区域划分„不同部位的危害程度不一样„需保护空间划分为不同的防雷区‡界定具有不同的雷电电磁脉冲严酷程度的各空间‡各电磁环境区域以其边界处电磁条件有明显变化为特征CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China雷电电磁环境区域划分CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China2.2电力系统产生的电磁骚扰„输电线路‡正常运行时的空间电场和磁场‡短路故障时的电磁场、地电位升‡无线电干扰CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China输电线路产生的电场CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China输电线路产生的无线电干扰„名称由来：指在无线电频段可能对有用信号造成损害的电磁骚扰信噪比的意义（信号用平均值检波、干扰用准峰值）信噪比意义40dB对古典音乐收听完全满意32dB对一般收听满意26dB不易察觉的背景噪声20dB背景噪声明显15dB背景噪声很明显CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China输电线路产生的无线电干扰„有源干扰：导线表面电晕放电、火花放电‡纵向传播：无线电噪声沿线路传播‡横向传播：以电磁波形式向线路周围传播„无源干扰：电线路及杆塔等大型金属结构对有用信号产生的反射、遮蔽等造成„特征‡输电线路电晕放电的频谱特性在0.15～4MHz频率范围‡电晕放电的单个脉冲宽度约在10-1μs量级‡40-70dBμV/mCopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China变电站的电磁骚扰„正常运行时的空间电磁场‡在载流约0.5kA的线路母线下，220kV站的工频磁场为14A/m，400kV的只有9A/m‡在继电保护室及设备室的磁场强度分别只有7.0A/m和0.7A/m(昀大)„开关操作时的暂态干扰‡频率：0.1-80MHz‡能量：从几mJ到数十mJ‡次数(单相操作)：一个工频周波内1~20次，平均每秒156次„系统故障„雷击时产生的干扰CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China变电站的电磁骚扰„开关操作时的暂态骚扰„开关操作时测控系统的暂态骚扰CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,ChinaKTBRt4U=RKTBt4I=2.3电气设备产生的电磁骚扰„元器件的固有噪声‡电阻热噪声：电阻器发热引起电子热骚动，又称为Johnson噪声。用示波器观察为白噪声波形‡热噪声的瞬时值具有高斯正态分布特征CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China元器件的固有噪声„散粒噪声：电流流过势垒而产生的噪声‡它主要存在于电子管和半导体器件中‡在半导体器件中，载流子越过势垒的扩散电流和漂移电流以及在长基区中电子空穴对的产生和复合过程是随机的，造成了电流的随机波动„接触噪声：两种材料接触时，接触不良造成的电导率的波动CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China元器件的固有噪声„爆米花噪声：存在于半导体二极管和集成电路中‡特点•在热噪声背景上叠加不规则的脉冲噪声•半导体器件的P-N结中的金属杂质造成的缺陷•输出接扬声器会产生爆裂声‡影响•处理微弱信号为主的通讯、宇航、遥感遥测、图像信息处理、生物工程等CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China2.4电力电子器件及设备的电磁干扰„电磁波辐射噪声‡离子管、等离子管、开关触头在开断过程中产生断续的电弧放电，持续的或断续的辉光放电‡电弧焊接、高频电火花切割机及高压气体放电灯等产生弧光放电‡汽车发动机点火装置CopyrightbyProf.He,JinliangofTHUEMEtech,TsinghuaUniversity,Beijing,China电力电子器件及设备的电磁干扰„器件：功率二极管、大功率晶体管、晶闸管、复合场控功率晶体管(IGBT)和功率场效应管等„原因：开关过程和变流电路‡在器件开关过程中，存在高的di/dt，引线电感