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降低机电设备电磁干扰的电缆隔离方法研究

所属栏目:电子技术论文 发布日期:2021-12-08 10:03 热度:

   随着科技水平的进步和社会生产力的迅猛发展,现代企业生产对加工精度、装备精度的要求越来越高,对工艺精度的要求从微米级迈向了纳米级。同时,机械电气设备的精确度、灵敏度对产品质量的影响也愈加明显。除设备本身设计的性能指标影响外,外部强电设备的电磁干扰和设备内部系统电磁干扰是造成设备精度下降、性能指标降低的最常见因素。严重的时候,电磁干扰会增加机电设备的附加损耗,甚至引起设备发热,造成质量事故、安全事故。因此,降低机电设备的电磁干扰成为企业提质保优工作的研究重心。

降低机电设备电磁干扰的电缆隔离方法研究

  1电磁干扰及其复杂多样的耦合形式

  电磁干扰(EMI,ElectromagneticInterference)是指由于不规则电磁扰动而造成的机械电气设备系统性能劣化的电磁骚扰现象,是一种设备运转时干扰电缆信号并降低信号完好性的电子噪音。电磁干扰与电磁效应是一对孪生兄弟。迈克尔·法拉第发现电磁效应不久,英国物理学家奥利弗·赫维赛德就开始了电磁干扰现象的研究工作,并迅速将人类对电磁干扰问题的研究推向了工程化和产业化。经过长期的积累,人们对电磁干扰现象已经研究出严密的科学体系。电磁干扰源的种类繁多,对机电设备而言,大致可分为自然干扰源和人为干扰源两大类。自然干扰源包括大气中的雷电噪声、来自天外的宇宙噪声。其中属于脉冲宽带干扰的雷电噪声的影响相对频繁,其雷电能量近90%分布在小于10kHz的低频段,且其半峰值时间越大,能量越是集中于低频段。因此,雷电干扰的防止主要在于控制此频段以下的电波窜扰。而人为干扰源常见于机械电气设备产生的电磁干扰。常见于机电设备通断电时因电流的急剧变化产生的电火花类干扰源、非线性负载、涌入谐波等。这是本文研究的重点。现在,对电气系统降噪技术也已经有了严格的磁化系数和发射准则规定,符合国际电工委员会(IEC,InternationalElectrotechnicalCommission)上述规定的产品称为具有电磁兼容性(EMC,ElectromagneticCompatibility)[1]。电磁干扰有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰是指电气设备产生的干扰信号通过导电介质或电缆传输线路相互耦合的一种信号干扰。辐射干扰是指电磁干扰源通过空间耦合传递到另一个电气系统的信号干扰。即电磁干扰的传导耦合方式和辐射耦合方式。电磁干扰必须具备电磁干扰源、对电磁干扰敏感的电气设备和电磁干扰的耦合通道三个要素才会发生。几乎所有的机械电气设备都会产生这种我们不希望其存在的不同程度的电磁干扰信号。如前所述,这样的电磁干扰极可能以电磁辐射的形式发出,也可能通过电源线、电缆等载流导体传输。不幸的是,几乎所有的机电设备对相邻设备产生的电磁干扰信号都很敏感。可见,在生产实际中,电气设备之间发生的电磁干扰并不单一,其耦合通道多种多样,几乎无处不在。由于电磁干扰频繁、交叉且方式多样复杂的耦合形态,使其控制非常困难。

  2降低电磁干扰影响的措施

  关于电磁兼容性,所有的发达国家和部分发展中国家都制定了电磁兼容标准,其中大部分国家的标准都基于IEC所制定的标准[2]。IEC有两个平行的组织负责制定EMC标准,分别是CISPR(国际无线电干扰特别委员会)和TC77(第77技术委员会)。中国有关部门也十分重视电磁兼容性问题,成立了对应于IECTC77技术委员会的全国电磁兼容标准化技术委员会,其秘书处设在中国电力科学研究院高压所(武汉)[3]。电磁兼容性是指机械电气设备在其自身电磁环境中的运行能达到其额定的性能指标,并且不会对邻近的任何设备产生危害其性能的电磁干扰的能力。欧盟CE认证98/336/EEC电磁兼容指令规定,机械电气设备的电磁兼容性包括:①设备在正常工作过程中对其所处环境产生的电磁干扰始终控制在“无害”的限值内;②设备对所处环境中其他干扰源产生的电磁干扰具有额定程度的抗扰能力,即电磁敏感性(EMS,ElectromagneticSusceptibility)。在实际生产实践活动中,“为改善有关传导电磁现象的电磁兼容性,宜对电磁影响敏感的设备安装浪涌保护装置和(或)滤波器。”[4]主要以高分子PVC为载体,添加导电炭黑、抗氧化剂、辅助加工材料混炼而成的电缆可导电护套,则应连接至保护联结电路。对共享布线通路的动力线、信号线、数据线应采取电路隔离的方式避免形成感应回路(InductionLoop),其中,动力线力求与信号线、数据线保持隔离,二者之间若不能避免交叉应布设为十字交叉形式[5]。可使用同轴电缆以减少感应电流进入保护导体。使用具有单独保护导体的对称多芯屏蔽电缆实现电动机与变换器的电气连接。“使用屏蔽信号或数据电缆时,注意宜减少流过接地的屏蔽信号电缆或数据电缆电流。”[4]此时,有可能需要安装旁路导体。如果机械部件间具备良好的等电位联结,则可减少旁路导体的需求。如图1所示。此外,布线应尽可能短,以使等电位联结的阻抗最低,并应适当采用铜质编织线提高传导频率。若电气设备需要接地参考电压以保证其功能,可设置功能接地导体,对高频工作的设备,其联结也应尽可能短[6]。若多个不同接地体共存于同一系统,则两两间接地电位差不得大于1V。

  3电缆线降低电磁干扰的架设建议

  为降低干扰电压,可对电缆中的动力线与信号线、数据线用托盘架等材料设置金属屏蔽层,以实现电磁屏蔽。对于高频瞬态电磁场宜采用铜质或铝质等高导电率金属容器,去磁方式为导体内感应电流的电屏蔽,即利用它们产生的涡流反向磁场来抵消电磁干扰。而低频时则宜采用磁导率较大的铁磁材料容器构成低磁阻通路,使周遭的磁力线集中在屏蔽材料中,其产生的附加磁场使部分磁通改变路径,使被屏蔽区域避开电磁干扰[7]。金属屏蔽层使用的隔离容器,其制造材质宜选用导电性能优良的金属,构造成法拉第笼(FaradayCage)的形式。对于同一线路中的动力电缆和数据电缆若设置金属屏蔽层,其屏蔽性能(以100MHz为准)根据采用的金属隔离容器的不同种类,动力电缆和数据电缆之间的隔离距离要求也不一样:①电缆容器采用实体密闭金属桥架时,二者之间隔离距离可不设限。②电缆容器采用穿孔金属桥架时,若该穿孔金属容器的深度能高于电缆束位置10mm,二者之间必须大于等于100mm。其效果相当于壁厚1mm的钢质托盘或穿孔面积小于等于20%的钢格盘。③电缆容器采用网格金属桥架时,二者之间必须大于等于150mm。其效果相当于壁厚不足1mm的钢质托盘或网孔面积大于20%的均匀焊接网格钢篮。④未设置金属容器进行隔离的,二者之间必须大于等于200mm,并使用纯铜或者防腐不锈钢铸造的接地端子,以达到良好的接地条件[8]。上述金属隔离容器的屏蔽效果,首先由容器表层反射干扰源发出的电磁波来实现。此时,金属容器的外表层反射一部分干扰电磁波,射入的电磁波又被容器内层再反射掉一部分。此外,另外的射入电磁干扰在屏蔽层内因传播损耗又会被吸收掉一小部分。剩下的干扰电磁又因趋肤效应(SkinEffect)沿屏蔽层的外层传导[8-9],从而降低了机电设备电缆的电磁干扰。综上所述,无论是电缆通道系统的水平隔离或垂直隔离,还是相邻的电缆托架之间的分离距离,都应当达到前述的最小隔离距离,且在其两端均应连接至等电位联结系统。电缆施工时,并非只要布设有金属屏蔽容器并接地就能实现电磁屏蔽,对施工工艺的这种简单理解是很不科学也是不负责的行为。其技术重点应该在于保证整个屏蔽体体表连续导电且不存在直接穿透屏蔽体的导体。屏蔽层金属截面形状应满足低阻抗互连的遍及电缆全程的连续性屏蔽要求,如图2所示。如上所述,对于机械电气设备电缆,可使用导电率高、导磁率高的金属导体做成半封闭的金属屏蔽网或全封闭的金属屏蔽笼进行隔离,这样的隔离设施因其高导电性在电磁波作用下生成较大的感应电流。根据楞次定律,感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化。金属屏蔽网越密实效果越好,全封闭的金属屏蔽笼效果更佳。此时,金属导体吸收耗损干扰磁场的能量,使干扰磁场在侵入金属屏蔽层外层后即行指数级别的衰减,从而阻止高频电磁波侵扰电缆,这也就是前述的趋肤效应。因其趋肤电流属于涡流的一种,故也称为涡流屏蔽。一般而言,金属材料的导电率越高,其趋肤深度就越小。当金属屏蔽层厚度接近于电磁场的趋肤深度时,电磁屏蔽效果最好。例如,当电磁波频率为500kHz时,趋肤深度约0.094mm的铜质薄片或趋肤深度约0.12mm的铝质薄片就能较好地实现电磁屏蔽。而高导磁性的材料能吸引大量的磁力线,使被屏蔽区域的磁力线大为减少。对于屏蔽要求较高的机电设备,由于镍的电阻率为6.84μΩ/cm,相对磁导率为600,故可使用高镍含量的坡莫合金(Permalloy),甚至用铸铁、坡莫合金、电解铜制作多层屏蔽层。必须注意,长距离铺设时,附加连接也是需要连接至等电位联结系统的。此外,若屏蔽层容器系统由不同元素构成,相邻元素间的联结导通性能应连续、有效。若金属电缆通道系统使用金属盖子,则优先全程覆盖[4]。

  4结论

  机械电器设备工作所处的电磁环境相对复杂,经常因电磁耦合产生电压噪声干扰,工程设计人员必须对此系统内部的耦合噪声直接负责。在机电设备设计安装布线时,除了应按照前述方法采用金属屏蔽容器配合电缆布设隔离屏蔽层外,还应注意屏蔽体厚度不需过大,其关键因素是趋肤深度和结构强度。此外,更要特别注意电缆的金属屏蔽层的良好接地[10]。电缆端部屏蔽层的接地宜采用EMC电连接器以保证屏蔽层干扰直流电流的流畅。良好的地线系统是保证电缆隔离效果的关键。总之,电磁屏蔽是抑制电磁干扰重要方法,能大大增强机械电气设备的可靠性,从而保证并提高企业生产的质量。

  《降低机电设备电磁干扰的电缆隔离方法研究》来源:《科技与创新》,作者:周子星

文章标题:降低机电设备电磁干扰的电缆隔离方法研究

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