电气工程中自控设备电磁干扰分析

　　葛庆刚　崔　龙　薄　涛

　　山东天力科技工程有限公司，山东 济南 250101

　　摘要：电气工程在现代科技背景下，有着十分广泛的市场应用空间。但随着人们对于电气设备使用量的增加，随之产生的电磁干扰问题也日益明显，特别是电气工程中的自控设备，受到电磁干扰影响，会严重降低设备及系统的性能质量，导致电气设备运行功能出现异常。如何有效防范电磁干扰，是电气工程技术研究领域高度关注的内容。文章简要介绍电磁干扰的基本概念，分析电磁干扰的危害和主要来源，并提出了一系列控制电磁干扰的措施，为相关行业工作人员提供参考。

　　关键词：电气工程；自控设备；电磁干扰；来源；防范措施　　文献标识码：A　　中图分类号：TM762

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

　　近年来，我国电气自动化技术呈现蓬勃发展之势，电气工程中也大量引入了电气自动化设备及系统，大大提高了电气工程的技术水平。而电磁干扰的存在，则在很大程度上削弱了自动化电气设备及电气系统的运行效率及稳定性，其危害性较大。电气工程的自动化水平越高，对于抗电磁干扰的能力要求就越高。本文对电气工程中的相关电磁干扰因素进行分析，并对增强自控设备抗干扰能力的措施进行研究，对于进一步优化提升电气工程的自动化技术应用水平，有十分积极的意义。

　　1　电磁干扰基本概述

　　电磁干扰（EMI）是一种电子噪声，由电磁波产生。所谓电磁，就是指物质所表现出来的电性以及磁性的统称，常见的电磁波及电磁感应，均属于电磁的一种。电磁波则是物体电磁场在三维空间内衍生发射过程中产生的振荡粒子波，即：以波动形式传播的电磁场。电磁干扰是电磁场伴随着电压、电流的作用，产生的对电气装置或系统信号传输形成不良影响的电磁现象。①常见的电磁干扰类型主要有两种：其一为传导干扰，其二为辐射干扰。前者主要在导电介质的媒介作用下形成，比如电源线、电缆等，这种情况下，电磁干扰会直接从一个电网传递到另一个电网；后者无需固定媒介，空间内的干扰源会呈现自由辐射状态，受辐射范围内的电网及电气设备都会受到干扰影响，两种电磁干扰均以信号耦合为干扰形式。②电磁干扰的来源大致分为两种：一种是人为制造的，另一种是自然界的。前者主要来源于人类发明电子所必须依赖的各种电子设备，后者主要来源于电击产生的大气噪声、定点射线及太阳射线引起的大气噪声等。基于当前的技术水平，电子设备本身对于电磁干扰的影响非常敏感。

　　2　电磁干扰的危害

　　电磁干扰对电气、电子设备或相关系统，都会造成一定的负面影响，尤其是对含有半导体器件的设备或系统，影响较为明显，严重时甚至可能直接造成设备或系统损坏。

　　2.1　高压击穿

　　当电子或电气器件接收到电磁能量后会转化成电流能量，电磁能量越大，电流就越大，而且在电器件高阻位置处，还会将电磁能量转化成高电压。当电磁辐射引起的电流或电压超出器件本身的荷载范围后，可能会形成接点，并在该接点引起电击穿现象，致使电器件瞬间损坏，功能失效。

　　2.2　器件烧毁或受瞬变干扰

　　在瞬时高电压情况下，电器件除了可能发生高压击穿损坏以外，短路问题的发生几率也较高。这主要是因为电磁干扰会使得电气系统的功率过大，导致电路或器件烧毁。在高功率情况下，这些器件容易被反向击穿。

　　具体而言，半导体器件受电磁干扰出现烧毁或受瞬变干扰危害情形的原因可能有以下几种：①器件氧化膜绝缘层因为电压过大而被击穿，造成器件短路；②电流通过PN 结时，呈现不均匀状态，烧毁镀敷的金属导体，造成开路问题； ③因瞬变电压的能量不足，器件未立即动作，但其性能明显下降，出现数据丢失问题，进而自控设备产生误动作现象； ④器件反复经受瞬变电压的冲击，存在潜伏性损毁现象，每次的瞬变电压都使器件性能降低一些，问题逐渐累积，会在某个不确定的时间点使器件彻底损坏；⑤半导体器件在制造时产生的缺陷也会造成潜伏性损毁，特别是无源器件，降低耐压值和额定工作电压及其他电气性能等，都会影响其对于瞬变电压的耐受能力，从而造成各类器件烧毁或受瞬变干扰问题。

　　2.3　浪涌冲击

　　浪涌冲击危害主要发生在金属屏蔽类电子设备当中，虽然在金属外壳的保护作用下，辐射到设备内部的电磁波能量会大幅减少，但金属屏蔽壳体所感应到的脉冲大电流，会像浪涌一样在壳体上流动，过程中部分脉冲电流难免会透过金属壳体的缝隙、孔洞及外漏引线等，进入到设备内部。一旦脉冲电流被引入壳体内部的设备电路当中，电磁敏感器件很可能会发生损坏。

　　2.4　影响电路数据正常传递

　　除了上述几方面影响以外，电磁干扰还有一项比较常见的危害，就是影响电气电路的数据正常传递。特别是低压电子电路，随着电磁干扰强度的增加，电路信号的传递会明显出现质量缺陷问题，比如丢包或数据误差等。这是因为电磁干扰会导致电路信号电平发生改变，使得信号输出端和接收端的信号特征出现差异，导致转换成的数据信息失真。

　　3　电气工程中的自控设备电磁干扰来源

　　3.1　交变磁场

　　上文阐述的磁场干扰类型分为传导干扰和辐射干扰，在电气工程中，实际上这两类干扰因素并非只能单独存在，很多时候两种电磁干扰同时存在。当电磁波发出之后，在相对稳定的环境条件下，其传播形式可能会发生改变，相应的，电磁干扰属性也会发生变化。比如在遇到电磁波载体后，原本的辐射电磁干扰就可能变成传导电磁干扰。此时，因为电磁干扰形态的改变，周围原本的磁场环境也会相应有所变化，形成突变磁场，也就是所谓的交变磁场，进而由交变磁场继续发出电磁波能量，产生磁场干扰。

　　3.2　内外干扰

　　内外干扰分别指设备内部原因和外部环境因素引起的电磁干扰现象，具体干扰来源较为复杂。比如，内部干扰可能来源于系统和设备的生产和工艺、元器件的布局、结构设计等多方面因素；外部干扰则主要来自于受干扰设备周围的高电压、高电流设备及电缆等，这些设备在运行过程中，会实时向外界发射电磁波，从而对自控设备造成电磁干扰影响。现代电气工程中所使用的自控设备对于智能化水平要求较高，设备的电气系统设计越来越趋于开放化，这使其更加容易感应到外界电磁波并受其影响。

　　3.3　电位差干扰

　　电位差干扰细化可以分为两种：①普通的电位差，主要是由电路设备的电压值不恒定造成。一方面，电气工程自控设备在运行使用过程中，本身的电压控制难以做到始终恒定，存在轻微的电位差；另一方面，如果电气设备使用过程中，出现故障未及时预防处理，会使电路电压发生明显波动，形成强烈的电位差，进而在自控设备中产生干扰电压。②地电位差，其原理与普通电位差相同，但该类电位差主要来源于电流接地系统故障，比如接地电路短路等，此时自动设备电路回路在经过故障接地点及其他接地电路点时，会产生不同强度的电流变化，引起电磁干扰现象。

　　3.4　设备信号干扰

　　设备信号干扰主要分为两种情况，其一为共模干扰，其二为差模干扰。其中，前者主要是网络设备运行过程中，出现明显的电位波动现象，使设备出现异常运行造成的，所以此类干扰又被称为“地干扰”。后者则主要是因为电路设计的线路过长，导致电信号传输过程中，出现互感耦合问题造成的，两种设备信号干扰模式虽然产生方式不同，但是都会影响电气设备对电气系统的信号接收能力，使其无法准确、顺畅地接收指令信号，最终使设备运行稳定性失去保障。

　　3.5　二次回路干扰

　　当二次回路连接电感元件时，会产生瞬时高强度电压，对电感元件形成电压干扰。而当二次回路与电感元件断开时，还会产生比两者连接时强度更大的电压，此时的干扰电压会透过电感元件，对整个回路系统产生明显影响，甚至直接导致自控设备功能失灵。该类干扰因素目前还无法彻底避免，决定其干扰程度大小的主要因素是二次回路设计的严谨度。只有确保二次回路设计与整体电路设计需求的高度匹配，才能最大程度降低该类干扰因素的影响。

　　4　电气工程中自控设备应采取的有效抗电磁干扰措施

　　4.1　印刷板及电路布局控制

　　分析总结电磁干扰的产生来源可以发现，电路电压过大是造成电气工程自控设备电磁干扰问题的主要因素。①可以对电气工程自控设备自身的电压容量进行扩增，以提高其对大电压的容纳能力，减少电压损害。比如，可以采取电路板叠加设计方法，增加印刷电路板的厚度，从而为应对电路系统的大电压干扰预留更多的结构空间，使电路电压容纳能力提升。②在进行电气工程自控设备设计过程中，应加强对电路系统的检验力度，特别是电路的完整性及结构布局的合理性。可以利用先进的电路模拟技术，提前对自控设备的电路设计方案进行建模，验证其功能是否能够达到实际应用场景需求。验证过程中可以有针对性地进行大电压运行测试，确保电路系统具备充足的抗电压干扰能力。

　　4.2　电源使用控制

　　根据以往的电气工程自控设备使用和维护经验来看，受电磁干扰问题影响最大的主要是电源电路。所以，抗电磁干扰还要加强对电源使用方面的控制力度，从多方面采取措施对电源可能存在的电磁干扰因素进行综合防范。其中较为关键的控制措施包括以下3 项：①要保证电源连接的合理性与准确性，严格按照行业设计规范进行电源与电气工程自控设备连接控制，从源头上保障设备电压的稳定性。同时还应注意电源产品质量的控制，严禁使用不符合设计要求的电源线。 ②应充分考虑电源的屏蔽功能设计，选择适宜的屏蔽线设计电源屏蔽层。③电源电路的指示灯因素影响也不容忽视，在进行电源板线路布局的过程中，应将指示灯的电磁干扰纳入分析范围，最大限度降低电源的内部电磁干扰，减少电源开关设备启闭过程中可能对其他自控设备产生的磁场影响，这有利于提升电源设备自身的运行效率及质量。

　　4.3　信号传输干扰控制

　　做好自控设备的信号传输干扰控制工作，是保障电气工程自控设备抗电磁干扰能力的重要举措。具体而言，应着重加强以下几方面的控制：①要合理设计线路长度，根据实际的电路使用需求，经过模拟和计算，确认具体的长度参数，避免线路过长出现信号耦合，导致信号丢失；②要保证电路绝缘性能的可靠性，以降低信号干扰问题产生的几率；③要对易于产生干扰的信号源，采取必要且有效的隔离与屏蔽措施，以切断信号干扰通道；④要选用具备一定屏蔽效果的金属板，对自控设备进行一定的屏蔽保护，在周边信号干扰源及干扰通道未能得到有效控制的情况下，通过设备自身的防干扰保护外壳，也能起到良好的抗电磁干扰作用。但需注意的是，无论从哪方面采取屏蔽措施，都应对周边其他设备的信号传输要求进行综合考量，以免因为一方信号传输干扰控制，影响另一方信号的正常传输。

　　4.4　选择合适的滤波器

　　在选择合适的滤波器方面要做好以下3 点：①要根据具体设备的特征和使用环境的干扰情况，选择相应的滤波器类型和截止频率。例如，对于电磁干扰，适合采用RC 滤波器或LC 滤波器；而对于数字系统，则适合采用数字滤波器。 ②滤波器的安装位置和接线质量也对滤波效果起到关键作用。滤波器应正确接入设备的电源线路或信号线路，并杜绝连接不良或松动现象的发生。为确保滤波器的安全可靠，安装人员应严格按照相关规范和工艺顺序进行滤波器的安装，防止滤波器本身带来故障。③定期检测滤波器的连接状态和工作状态，及时更换损坏的滤波器或调整不合适的滤波器参数，降低外界干扰对自动化设备的危害。总之，正确选型、严格安装、及时检测是保障滤波器发挥最佳效果的重要环节，也是提高自动化设备抗干扰能力的有效手段。

　　5　结语

　　经过以上分析不难发现，电气工程中自控设备电磁干扰问题的存在，对于自控设备的正常功能发挥有着较为严重的影响。而导致电磁干扰问题发生的原因较为多样化，实际控制过程中，通常难以通过单一途径进行有效防控。相关行业工作人员应对此形成全面、正确的认识，结合实际电气工程特征，采取全方位的控制措施，这样才能有效保障电气工程自控设备在运行过程中其功能发挥的可靠性与稳定性。

　　作者简介：葛庆刚（1978-），男，山东济南人，山东天力科技工程有限公司机械与电气中级职称，研究方向：电仪应用。

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　　（责任编辑：肖央然）