電氣調試中規避電磁干擾的檢測方法研究

中國水利水電第十二工程局有限公司 李文躍

電氣調試中常出現電磁干擾（Electromagnetic Interference），這是干擾電纜信號并降低信號完好性的電子噪音，通常由電磁輻射發生源如馬達和機器產生[1]。其中，信息通道干擾和空間輻射干擾均會對電氣設備產生嚴重破壞。為此，進一步分析電氣調試中規避電磁干擾的檢測方法顯得尤為重要且必要。

1 電磁干擾危害

1.1 信息通道干擾

電磁干擾首先是對信息通道產生危害，電子電路信號在信息通道內存在信號干擾時，相當于阻礙了信息傳遞過程。電磁干擾通過電路設備導線傳播，而且干擾源難以自行消退。同時，電磁干擾在各種元器件之間傳播時，干擾范圍會伴隨傳播距離延長而逐漸增大，最終產生了階梯式的電磁干擾破壞[2]。當信息通道受到電磁干擾影響時，電氣設備中絕大多數導線和元器件都會受到不同程度的影響，而且也會對電氣設備電源產生微小影響。所以，在信息通道上的電磁干擾最終影響的是整個電氣設備的內部電路。如果發生信息通道干擾，電氣設備通常都會出現自激振蕩，干擾持續加重的情況下電氣設備系統癱瘓也是在所難免。

1.2 空間輻射干擾

空間輻射干擾對電氣設備也有同樣等級的破壞力，而且也是電磁干擾的主要形式之一。空間輻射干擾的傳播機制與信息通道干擾類似，也是通過電氣設備內部導線完成干擾傳播。具有傳播范圍大、影響程度高且對電氣設備產生較大危害以及難以完全規避和消除的特點。電氣設備正常工作狀態下，如果空間輻射干擾持續加劇，無疑對電氣設備的使用壽命會產生危害[3]。而且空間輻射的傳播途徑較信息通道干擾更廣，空間輻射除了可以通過導線傳播干擾源，同時可以在設備內形成空間傳播，往往在極短時間內便可干擾到電氣設備的所有元器件，所以相對的危害性也會更大。空間輻射干擾范圍擴大到電源電路、信號電路、控制電路等多方面。

如果從干擾范圍和影響力來看，空間輻射干擾也可以劃分為兩種類型，分別為近耦合干擾、遠輻射干擾。一方面近耦合干擾屬于空間輻射干擾中對近距離元器件產生的局部干擾，通過對電磁能量所產生的不同途徑來干擾相關設備，因其具有耦合性，所以不易被快速檢測和發現。另一方面，遠輻射干擾的影響范圍更大，因為干擾距離延長，所以在電氣設備中的每一條導線都有可能成為其干擾源。依據麥克斯韋方程組的計算原理，當磁場變化并產生電場時，電場也會加速磁場生成。因電場和磁場產生交變特性，所以對電氣設備的遠距離元器件也會產生干擾。

2 電氣調試中電磁干擾檢測方法

2.1 觀察法和比照法

觀察法是最為普遍的檢測方法，檢測人員直接觀察電氣設備的運行情況。如當觀察到熔絲熔斷、冒煙、跳火等現象時，可以采取逐步加壓的方式對電氣設備進行檢驗，在通電狀態下判斷電氣設備是否存在電磁干擾問題。

比照法是在調試電氣設備時找到一個標準的運行方案參數，可以是測試設備以往時期的運行數據，包括電壓、電流、波長、電波頻率等方面的基礎數據。通過對這些數據進行對比，可以發現潛藏在電氣設備中的電路電磁干擾問題，可以在一定程度上判斷產生電磁干擾的原因。

2.2 分割法和信號追蹤法

電氣設備發生空間輻射電磁干擾時，并不一定能夠判斷電磁干擾的范圍。尤其遠輻射干擾更難判斷受到干擾的元器件距離，故而采取分割法將電子線路板內各部分插件分離開來，而后逐一檢測這些元器件的運行情況。如在電氣設備電源短路的情況下，需要將電游負載分區切斷，找到容易產生電磁干擾的主要測試線路和關鍵點，逐步縮小電磁干擾的檢測，最終找到已經失去原有功能的電器元件，從而進一步明確產生電磁干擾的部位。

信號追蹤法主要是利用示波器，對電氣設備運行狀態下的頻率信號進行檢測，在電路端部輸入頻率信號后，再遵循信號級別對波形進行觀察，進而實現對電磁信號波形變化的實時監測。電磁信號增強時，示波器可以觀察到峰值，并對產生電磁干擾的信號源進行追蹤，那么也就能夠對電流回路中的電磁信號狀態做出追蹤判斷。所以，信號追蹤法在檢測電氣設備中的電磁干擾時，具有較強的實效性，也是電氣動態調試最為普遍的檢測方法之一。

2.3 旁路法和補償法

旁路法是在檢測電氣設備時，對滿足標準規格的電子元器件進行短路測試，觀察電氣設備在部分元器件短路后是否能夠正常運行。如果元器件發生短路后，電磁波完全消失，則代表該部分元器件是電磁干擾源頭，那么也就排除掉其他未短路元器件的嫌疑。但是此類檢測方法的覆蓋范圍較廣，需要對所有元器件逐一排查，所以相對的檢測效率較低。

在電氣設備調試過程中檢測電磁干擾問題，通常也會采取補償法。補償法主要是通過對電氣設備在運行狀態下產生的振蕩現象作出判斷，可以提前選取檢測位置，讓電容器接地短路。而后再觀察振蕩現象是否完全消失，從而判斷電磁干擾位置是否找到。如果電氣設備的振蕩完全消失，則說明短路部位的電容器是電磁干擾的主要部位。

2.4 射頻法和三維有限元法

利用射頻法對電氣設備進行電磁干擾檢測，主要是對大功率變壓器設備進行電磁干擾診斷，由于電磁干擾環境在系統開發過程中被認為是一個主要問題，所以新的檢測方法利用外部射頻傳感器來檢測外部脈沖干擾，消除干擾觸發的捕獲，并確保所需脈沖信號的直接實時可視化。通過在變壓器中注入人工脈沖信號，驗證了弱信號檢測的能力。利用定位技術對信號源進行估計，驗證了所開發的檢測方法。盡管存在強烈的電磁干擾，在主變壓器全運行期間，仍能檢測到所需的脈沖信號并進行定位。

采用三維有限元法對電磁干擾信號進行檢測，提出了一種簡化的磁路檢測方案。該電路由兩個半徑徑環形釹鐵硼磁體組成，由于不需要磁軛，所以結構簡單、重量輕。采用單霍爾傳感器測量電磁干擾的信號通道，為無損檢測電源設計了性能穩定檢測方法，不僅能抵抗電壓跌落，而且輸出噪聲也大幅下降。三維有限元法提高了電磁干擾信號的信噪比，改善了信號調節和處理的電路通道，以提高信號在漏磁數據中的檢測能力。該新型小型FSWR無損檢測系統，實現了強電磁干擾環境下的在線檢測，對于直徑1.5mm的鋼絲繩，由19根導線絞合而成的試驗，可識別出半根導線上的坑損。

3 電氣調試中規避電磁干擾的檢測設備

3.1 高頻電磁場分析儀

某品牌發布的EMF-819高頻電磁場分析儀，采用三軸天線接收感應器，具有警報設置功能，可鎖存峰值。警報設置功能可以在測量天線距離強輻射源太近的情況下發出警告，蜂鳴器報警提示也主要是針對高頻電磁干擾的識別設備[4]。EMF-819所采用的三軸探針，射頻范圍可以控制在50MHz至3GHz以內，用于監視寬大范圍射頻電磁場變化的效果非常突出。

從檢測電磁干擾的精度來看，儀表本身附帶了一個高頻探頭，頻率組具有兩點選擇，標準或2.45GHz。警報設置功能可以在測量強輻射源時提前發出預警，而且在發出預警時也會記錄下電磁干擾峰值。檢測數據可保持在當前讀數，通過液晶顯示屏直接觀測到電磁干擾數據。

3.2 kh3935型EMI測試接收機

某品牌kh3935型EMI測試接收機，檢測頻率范圍能夠達到9kHz至30MHz，而且檢測頻率分辨率可控制在（9kHz～150kHz）30Hz和（150kHz至30MHz）1kHz范圍之內。使用kh3935型EMI測試接收機可以可設定掃描范圍、步長以及電平門限，具有全自動和手動兩種操作模式。

kh3935型EMI測試接收機是全自動的測試接收機，是進行電磁干擾的主要檢測工具。kh3935型接收機頻率范圍更大，配置人工電源網絡后可以直接完成電源端子騷擾電壓測試，而且相對的測試速度更快，可操縱性更強，性能穩定，測試數據處理方便等優點。kh3935型接收機使用了usb接口進行數據傳輸，外部接口設備可通過打印機或終端顯示設備傳輸檢測結果，支持即插即用多種外部測試設備。而且kh3935型EMI測試接收機可以獨立完成對電氣設備電磁干擾情況的檢測，無需外加其他控制設備對其進行控制操作，從根本上解決了干擾源復雜多變不好判斷的問題。

kh3935型EMI測試接收機可以對電氣進行掃描粗測，同時測出峰值和平均值的兩條曲線，也可以完成單測平均值或峰值的曲線。對超標的頻率點進行自動的準峰值測量，還可以觀察單個頻率點準峰值的動態變化，直觀的圖形化能量條顯示終端測試電壓值，并具有最大值保持功能。同時，可任意設置、修改不同標準的限值，方法簡單且功能完善。根據不同的配件選擇傳導因子儀器自動對數據進行數據處理，且儀器可以對每個頻段測出一個最大點的準峰值和平均值，也可以通過人為選點進行準峰值和平均值的終測。儀器給出結果的電磁干擾檢測報告可以加入測試人員的信息，并以電子版報告形式保存，報告上傳網絡后存儲時間無限延長。

3.3 電磁輻射干擾自動檢測設備

電磁輻射干擾自動檢測測試設備，可以測試電氣設備抗電磁輻射干擾情況。場強測量誤差小于±4dB，中頻衰減不小于40dB，鏡像波道衰減不小于35dB，檢波前過載系數可以達到30dB，檢波后直流放大器≥12dB。因此，電磁輻射干擾自動檢測設備可以進行CISPR1CISPR2以及相應國標規定的各類電氣設備的輻射擾測試。輻射擾測試系統滿足CISPR16-1-1/-2/-3/-CISPR16-2-1/-2/-3/-IEC61000-4-3等標準的輻射抗擾度自動化測試對電磁兼容性（EMC）測試系統的全部要求。

電磁輻射干擾自動檢測設備的檢波器時間常數平均值充放電時間常數小于1ms，準峰值充電時間常數1ms，放電時間常數160ms±10ms，所以相對的檢測速度更快且準確度更高。檢測人員對電氣設備定位后，用支撐架撐起電磁輻射干擾自動檢測設備，防止設備試驗時腳輪受到震動后移位。如在檢測過程中傳出意外響聲，需及時檢查設備運行情況，待查出故障徹底解決后方可后重新開機，以免影響設備使用期限。

電磁輻射干擾自動檢測設備符合EMC規范標準，EMC規劃與電磁干擾測試是相輔相成的，前期規劃決定后電氣設備是否能夠達到較高的抗電磁干擾標準。只有在電氣設備EMC規劃全過程中，實時檢測電氣設備的抗電磁干擾能力，有效評估EMC相容性，才能及早發現或許存在的電磁干擾，并采納必要的和防護辦法，然后確保體系的電磁兼容性。否則，當電氣設備設計方案定型后再發現電磁不兼容問題時，需要更多人力、物力用于對電磁干擾的檢測及對電氣設備的調試。EMC電磁兼容測試實驗室對測試電氣設備進行抗電磁干擾檢測，實際上是將檢測步驟提前，預測電氣設備的抗電磁干擾能力。這對于提高電氣設備使用壽命，防止強電磁干擾均具有積極作用。

4 電氣調試中規避電磁干擾的常規處理方法

4.1 信號通道干擾處理方案

信息通道干擾在較多電氣設備中都會發生，電路低頻率自激振蕩也是導致系統癱瘓的主要原因。在處理方式上，應當結合信號通道干擾特點，采取光電耦合傳輸處理方案，或者是雙絞線傳輸的處理方案。

一方面光電耦合傳輸的電磁干擾處理方案，主要是根據不同電路特點，甄選適合的光電耦合器，利用其電磁信號的傳輸特性，提高信號傳輸速度，在最大傳輸速率的情況下利用光電耦合傳輸來防止空間電磁干擾。

另一方面，雙絞線傳輸的電磁干擾處理方案，主要是在原有的電氣設備布線方案上增加傳輸介質，通過雙絞線傳輸來增強電路系統的抗干擾能力。這種處理方案能夠提高電氣設備在強干擾環境下的適應力，其抗干擾能力遠比同軸電纜好，運用這種介質也是防范信號通道干擾的主要措施。

4.2 地線干擾源處理方案

電磁干擾在地線之間表現得更為明顯時，需要對電氣設備采取相應的保護措施，從地線干擾源處理方案來看，應當采取單點接地、多點接地以及數字接地和模擬接地的處理方式。首先，單點接地主要是將地線接到一點上，造成無線環流，接地點產生低阻抗，地流影響下電流小、電壓小，對于相近電路檢測具有明顯效果。可以通過單點接地的方式，判斷檢測線路是否存在電位差小而產生電磁干擾的現象。其次，多點接地與單點接地不同，主要是用寬銅皮鍍銀材質將阻抗降到最小，從而判斷多路線路接地母線上的電磁干擾現象是否明顯。所有的地線都在接地母線上，直接與直流電源連接，形成了工作接地點，可判斷電磁干擾源是否在測試線路中。最后，數字接地和模擬接地是一種模仿電磁干擾現象的接線方式，用兩種整流電路來供給數字信號和模擬信號，通過光耦合來判斷地線之間是否產生了電磁干擾。

5 結論

綜上所述，在電氣設備產生電磁干擾時，危害主要是信息通道干擾和空間輻射干擾對電氣設備造成的破壞。在信息通道上的電磁干擾最終影響的是整個電氣設備的內部電路，電氣設備出現自激振蕩，干擾持續加重最終造成系統癱瘓。空間輻射的傳播途徑較信息通道干擾更廣，在設備內形成空間傳播，往往在極短時間內便可干擾到電氣設備的所有元器件。針對電磁干擾的檢測方法主要是觀察法、比照法、分割法、信號追蹤法、旁路法、補償法、射頻法、三維有限元法等。電氣調試中規避電磁干擾的檢測設備可以應用高頻電磁場分析儀，或者選用kh3935型EMI測試接收機和電磁輻射干擾自動檢測設備。