電梯電子裝置的電磁兼容環境適應性測試分析

殷彥斌 陳銳 張宏亮 黃柳元

（1.廣東省特種設備檢測研究院東莞檢測院，廣東東莞 523120；2.方圓標志認證集團北京特檢有限公司，北京 100013）

0 引言

“出門第一步、回家最后一程”，電梯已然成為與人們生活密切相關的必備交通工具。截至2021年底，全國電梯保有量達879.98萬臺，且以每年10% 的速度在增長。“數量大、頻率高、人員廣”是電梯典型的三大特點，其生產、使用過程中的安全性不容忽視，因此，近年來，政府嚴格加強電梯質量安全監督工作，以抓好“電梯安全”這根生命線。

目前，電梯的控制技術不斷發展革新，由最初的繼電器控制逐步發展為PLC 控制、單片機控制，再到現在普遍應用的一體化微機控制，加上智能傳感器及智能檢測設備的使用，讓電梯控制裝置的體積越來越小，控制柜越來越整潔簡化，智能化程度及可靠性不斷提高，當然其抗電磁干擾的能力也相對變弱。

為了保證電梯的運行控制安全及控制精確度，對大量使用集成電路進行控制的電梯，考慮電梯投入運行使用的自然環境及電磁兼容問題顯得尤為重要，應對復雜、惡劣的使用環境，應不斷加強電梯控制系統、電子裝置的環境適應性及電磁兼容技術方面的深入研究。

1 電梯電磁兼容基礎

1.1 基本概念

EMI（Electro Magnetic Interference）指電磁干擾度，即電氣產品在正常運行下，不向外發射超過標準給定限值的電磁干擾。

EMS（Electro Magnetic Susceptibility）指電磁敏感度，也叫電磁抗干擾度，指電磁能量造成性能下降的容易程度，即電氣產品應具有抵抗給定電磁干擾的能力，并且保留一定的抗干擾度余量。

EMC（Electro Magnetic Compatibility）指電磁兼容性，意指設備或系統在電磁環境中能正常工作且不對環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾的能力，如圖1所示。

圖1 EMC、EMI與EMS

對電梯產品進行電磁兼容性能的研究就是為了測試電梯產品的電磁干擾的發射強度和抵抗外界干擾的能力強弱。

電磁兼容是一個近幾年迅速發展起來的新興綜合類學科，其根源在于研究電磁波，當然要想深入研究電磁兼容，研究者必須具備電學、電磁學、數學、微波技術、無線傳輸、通信學、材料學、控制理論、機械制造與工藝、生物學、社會科學、測量與計量技術等眾多學科的學習與研究能力，才能盡可能全面地認識和分析電磁兼容問題。

1.2 電梯電磁兼容現象

電梯的電磁兼容現象在電梯投入使用后的各種場合都會發生，主要有：

（1）電梯運行中不能正常平層或平層位置不準確；

（2）電梯運行過程中經常出現非正常斷電；

（3）電梯轎廂設置的驅動門機不能正常實現轎門的開啟和關閉或關門不到位就報故障電梯不運行等現象；

（4）電梯層站位置的召喚呼梯系統、轎廂內的選層系統控制紊亂，導致電梯無法正常響應乘客的電梯使用需求或電梯不能正確停在乘客目的樓層位置；

（5）電梯系統中設置有眾多安全保護裝置和安全電路等，安全保護電路異常失效；

（6）內置的自動應急救援系統失靈，無法實現自動正常的應急救援或電梯不能停在正確的平層位置；

（7）緊急救援通話系統無法接通或通話質量不清晰，導致救援不及時；

（8）電梯安裝后對其他樓宇控制系統產生干擾，導致其發生非正常故障。

根據研究，電梯的電磁兼容部件主要分布在機房、井道、電梯轎廂位置，如：

（1）電梯的控制柜、控制屏、緊急和測試操作屏裝置，其設置有變頻器、控制器、電子器件、電氣元件等；

（2）驅動主機，其設置有永磁同步電動機、交流異步電動機、電磁制動器、故障監測開關、旋轉編碼器等；

（3）主開關；

（4）位于電梯層站處的呼梯按鈕、樓層指示器等；

（5）電梯轎廂的門控裝置，主要有門電機、門控制器、門保護裝置等；

（6）轎廂按鈕、指示器、操作盒、顯示屏、物聯網終端等；

（7）動力電線及控制電線，包括電源線、隨行電纜、附屬電纜等；

（8）位置感應器、紅外感應裝置等；

（9）照明系統；

（10）空調、通風系統；

（11）光幕、安全觸板裝置。

1.3 電梯電磁干擾的危害

電梯電磁干擾的危害主要體現在兩方面：一是對電梯使用人員的人身傷害，長時間處在電磁輻射環境內會對身體健康造成一定影響；二是對電梯設備本體安全及運行性能造成影響，使電梯不能準確響應使用者的需求，自身發出的控制信號也無法及時正確地去執行，電梯開關門異常、制動器帶閘運行、接觸器吸合異常、不能保證停層準確度和保持精度，經常性出現故障困人現象，造成電梯使用人員恐慌。受到電磁干擾的電梯故障頻發，多表現為偶發性故障，且部分會在一定時間間隔后自動恢復正常運行，維保人員缺乏此方面的技術力量，也就無法找到問題根源，浪費人力、物力、財力資源。

當然，電梯作為一種機電設備，不可避免地會對周圍環境中的設備、電子產品造成電磁干擾，這就需要在設計階段著重考慮其使用環境，進行相應的電磁兼容設計。

隨著產品技術的發展及人們需求的提高，為了保證控制、通信的正常，部分設計會考慮以增加發射功率的方式保證無線通信的信噪比，進而會造成更大的電磁污染危害。

1.4 電梯電磁兼容標準現狀

我國電磁兼容研究的正式開展最早起始于20世紀60年代，20世紀80年代初電磁兼容技術才開始發展。在電梯領域，直到最近十幾年，國內業界才逐漸意識到電磁兼容技術的重要性。

電磁兼容的標準主要分為基礎應用類標準、通用類標準、產品類標準和專用產品標準。基礎應用類標準主要規定了符合電磁兼容的最基本要求和規則，適用于所有涉及電磁兼容的設備、產品，但是不對具體的發射閾值和抗擾度進行規定，是電磁兼容標準的基礎；通用類標準則給出特定環境下最低要求和測試程序方法。各類標準組成一個金字塔結構，自上而下數量越來越多，要求越來越細，也更加具體。

據統計，現行電磁兼容方面的國家標準數量有187項、行業標準85項、地方標準4項，涉及醫藥衛生、環保、健康和安全、計量、機械制造、能源、電氣工程、車輛工程、航空航天、工業機器人、建筑材料等各個行業領域。

目前，電梯專用的電磁兼容相關法規標準有[1-3]：《電梯型式試驗規則》（TSGT7007—2022）（2022年7月1日實施）；GB/T 7588—2020系列標準及《自動扶梯和自動人行道的制造與安裝安全規范》（GB 16899—2011）對電梯的電磁兼容性方面有推薦性要求；《電梯、自動扶梯和自動人行道的電磁兼容發射》（GB/T 24807—2021）（2022年7月1日實施）和《電梯、自動扶梯和自動人行道的電磁兼容抗擾度》（GB/T 24808—2022）（2022年10月1日實施），兩項標準均經過一次修訂。

按照電梯安全技術規范的要求，要對電梯含有電子元件的安全電路和可編程電子安全相關系統的外殼端口、信號和控制線端口、直流電源輸入/輸出端口、交流電源輸入/輸出端口、可編程系統啟用后的實現等進行電磁兼容抗擾度測試，且均應達到性能標準D 級的要求，也就是其按照設計連續運行，除了非因故障進入安全模式，不允許有任何性能降低和功能損失。

2 電梯電磁兼容三要素分析

在應用大量電子裝置的電梯控制系統中，形成電磁干擾的三個基本要素是釋放電磁干擾的騷擾源、對騷擾源比較敏感的敏感設備以及在騷擾源和敏感設備之間建立的傳導和輻射通道，相對關系如圖2所示。在考慮電梯系統的電磁兼容問題時，只要采取措施確定、削弱、降低、破壞三要素其中任一要素的作用就可以克服電磁干擾。

圖2 電磁兼容三要素

2.1 騷擾源

環境中能夠稱為騷擾源的因素有很多，按照騷擾來源分類，主要有自然騷擾和人為騷擾。FM 廣播、藍牙、Wi-Fi、移動通信等無線通信設備，微波爐、電磁爐、無線感應充電等工業設備的人為干擾源，甚至雷電、靜電、宇宙噪聲等自然干擾源都可以稱為騷擾源。在電梯系統組成部分中，其自身也有產生干擾的騷擾源存在，比如電動機、電磁制動器、變壓器、開關電源、變頻控制器、接觸器、繼電器、控制板中的電容電感等容性和感性元件等，都會產生電磁干擾。

2.2 耦合路徑

耦合路徑也就是系統中傳遞干擾的通路或媒介，按照傳播途徑主要分為兩種：導體傳播的傳導騷擾、空間傳播的輻射騷擾，如圖3所示。傳導騷擾要求在騷擾源與敏感設備間有完整的電路連接，即有金屬導體作為媒質，在較低的頻段內，電磁騷擾主要是通過傳導的方式影響周圍的設備；在高頻段因為線纜的集膚效應，線損增大，騷擾的影響減小。輻射騷擾是通過周圍媒介射頻能量以電磁波的形式向周圍發射，這種方式一般是通過設備外殼或連接線向外發射，可在真空中進行。

圖3 電磁兼容耦合路徑

2.3 敏感（源）設備

在電梯系統中安裝使用的電子元器件都有可能成為被騷擾的潛在目標對象。當然，每一個潛在的敏感設備器件只有當前述的騷擾源發出的騷擾真正超過其敏感閾值且對騷擾做出反應，才能稱作受到了騷擾。

值得一提的是，許多器件、設備、分系統或系統可以既是電磁騷擾源又是敏感設備。

3 電梯電子裝置電磁兼容試驗測試

根據定義，電梯電磁兼容試驗分為發射試驗和抗擾度試驗兩個方面。

3.1 發射試驗

發射試驗包括輻射和傳導的射頻發射、電壓的波動和閃爍、脈沖噪聲、主電源電流諧波。

在裝置或裝置組合的每個外殼端口（輻射）測量的電磁發射水平不應超過表1規定的限值。

表1 外殼端口（輻射）的發射限值

對于電壓有效值1 000 V 以下的裝置或裝置組合，在其每個交流主電源端口測量的電磁發射水平不應超過表2規定的限制。

表2 交流主電源端口（傳導）的發射限值

3.2 抗擾度測試

電梯電磁兼容抗擾度試驗包括：靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度、射頻磁感應的傳導抗擾度、電壓暫降和中斷抗擾度。

浪涌產生的原因：開關操作（例如電容器組的切換、晶閘管的通斷、設備和系統對地短路和電弧故障等）或雷擊（包括避雷器動作）可以在電網或通信線上產生暫態過電壓或過電流。浪涌的危害主要分成兩種：災難性的危害和積累性的危害。

電梯遭受雷擊浪涌損壞的主要原因：

（1）電梯所安裝的建筑物的防雷系統不符合建筑物防雷標準的有關規定，或防雷系統損壞。

（2）電梯設計不符合GB/T 24808—2022中浪涌抗擾度試驗的有關規定，這也是新版國標GB/T 7588.1中提高了抗擾度有關要求的原因之一。

（3）電梯加裝了相關浪涌沖擊防護器件，但由于選用器件產品質量或規格與設計要求不符，無法達到應有的電磁兼容防護效果。

因此，應該做好電梯自身防浪涌設計，落實到位，有備無患。結合電梯所在的建筑物，將電梯納入整個建筑物的防雷體系中，形成多層次防護，逐級削弱浪涌沖擊，從而提高電梯的浪涌抗擾度。圖4所示為在電源端加裝的浪涌保護器。

圖4 三相浪涌保護器

4 電梯電子裝置電磁兼容改進建議

電梯產品的電磁兼容問題，除了考慮自身產品及產品內置元器件的基本性能和功能滿足要求外，還必須考慮其運行環境的不同或投入使用后環境的變化對電梯產品的影響，尤其是涉及的電磁環境。

對電梯電磁兼容的改進措施主要從抑制騷擾源、切斷騷擾耦合途徑、提高敏感設備的抗擾度三個方面進行考慮[4-7]，即分析電磁騷擾源、耦合路徑和敏感設備，并采取有效的技術手段。電梯電磁兼容的改善貫穿電梯的全生命周期，當然，在電梯的設計階段采取合理的防干擾措施有效性最高，需要的成本也最低，如圖5所示。

圖5 干擾抑制措施的有效性、成本與時間相對關系

工程中經常用到的一個重要措施就是屏蔽，其原理是利用設置的屏蔽物或屏蔽空間來抑制或減少電磁能量相互傳遞輸出，既限制屏蔽物內的電磁能輻射泄漏出屏蔽空間，又對屏蔽物以外的電磁輻射滲入屏蔽物以內起到一個隔離的作用。從控制柜柜體材料的角度考慮，因為鋁材質、鋼材質導電率比較高，尤其是鋼的相對導磁率達到了145，因此其屏蔽效果比較好。對于柜體內安裝的變頻器、控制器等元器件要合理布局，盡量將元器件分為高頻部件和低頻部件，設置區域，利用金屬板進行分割，并將金屬部件外殼全部進行有效接地處理。控制柜的功能性開口要盡量少并且其尺寸要小，要檢查控制柜門鎖的有效性，確保控制柜門保持在關閉狀態。

電梯控制板上的元器件在布局設計時應充分縮短相互之間引線的接線距離，并對電源線、數字信號和模擬信號進行區分布置，減少相互之間的信號耦合。

對于線纜的選擇，盡量選用雙絞線、屏蔽線以減少磁場耦合干擾，如圖6所示，在空間允許的前提下，盡量擴大布線之間的距離，對于采用屏蔽層的電纜必須做好接地處理。

圖6 雙絞屏蔽電纜

對于需要接地的設備、線管線槽等要經常性檢查其接地的有效性，如圖7所示，保證接觸良好，盡量減少接地阻抗，增大接地面積。接地線盡量選用直徑較粗的線纜，并縮短接地線的長度，采用距離其最近的接地平面。對于接地體要定期檢查其安裝牢固程度，不能松動或接觸不良，以免接地電阻變大。

圖7 驅動主機接地保護

在電梯設備上加裝濾波器、磁環等也是有效和常見的電磁兼容設計手段。磁環用于吸收系統中多余的能量，并對多余的無價值的干擾進行過濾，從而避免了電梯在使用過程中受到來自其他設備的不同頻段的電磁干擾影響。濾波就是對不需要的傳導性電磁干擾進行抑制，濾波器實際上是一種過濾裝置，通常是由電感器、電容器、電阻器組成的濾波電路，將電梯系統不希望的頻率有效濾除。通常在主開關進線端、變頻器輸出側加裝磁環，能較好地解決電磁干擾問題，如圖8所示。當然，根據線纜所連接的位置的不同、頻率的不同，可以更進一步地精細化選擇磁環的型式，比如非晶磁環、錳鋅磁環、鎳鋅磁環。

圖8 加裝磁環

此外，電梯的安裝運行環境對于電梯的運行也至關重要，電梯的安裝是在井道內，必須做到電梯的井道專用，不能用于電梯以外的其他用途，比如建筑物樓宇的監控裝置、動力電源，以及用于增強電梯轎廂移動信號的信號放大裝置等，都不得設置在井道內。

對于電梯轎廂，使用單位習慣加裝一些智能監控裝置、廣告電子屏等，建議加裝前咨詢專業的技術機構鑒定該類設備的電磁發射裕量是否超標，是否對電梯安全運行有影響，如果存在影響，則需要采取進一步的屏蔽措施等。

在電梯機房應告知使用單位不允許設置通信用的信號放大裝置以及其他設備用的信號電纜等，如圖9所示。機房一般位于電梯井道的頂部，因此也需要做好避雷措施。

圖9 機房放置的與電梯運行無關的通信信號放大器

在電梯井道或機房位置設置的電纜、通信信號線纜等應盡量設置在金屬管槽中，并做好相應的接地措施，確保所有線纜和線槽的外露可導電部分能獨立接入接地端子。

對于新制造的電梯建議邀請專業的技術機構依據電磁兼容標準和規范規定的測試方法進行相關電磁兼容的認證試驗測試，推動電磁兼容設計的規范化。

5 結語

隨著技術的不斷發展進步，電梯信息化、自動化、智能化程度越來越高，其所依附的建筑物的環境復雜程度也在提高，人們為了追求舒適感和安全感，對電梯的安全運行也提出了更高的要求，其中電梯的電磁兼容現象是不得不引起重視的一個方面。

在電梯的設計、制造、安裝、改造、修理和使用過程中，必須將電磁兼容性考慮在內，考慮一切對電梯本體的變更設計是否對電梯及其周圍物體造成影響。對電梯技術領域的電磁兼容問題進行深入研究，提高電梯系統的抗干擾能力是電梯設計、制造、安裝、使用全過程都需要考慮的問題，對于保障電梯及其周圍電子產品的安全有效運行非常重要。同時，還要根據實際情況尋求有關政府部門的幫助，提出共同保護電磁環境不受污染的建議。

由于電梯領域的電磁兼容研究起步較晚，相應的法規標準體系還未完善建立，因此筆者建議，應加強對該領域的深入研究，針對電梯這一特定的設備，根據其使用環境特點設定相應的標準要求，以保障電梯的安全運行。