• 头条如何降低电气设备的辐射发射水平?以通信电缆为例,提出有效方法
    2021-08-26 作者:王剑超  |  来源:《电气技术》  |  点击率:
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    导语太原市晋阳湖管理处的研究人员王剑超,在2020年第7期《电气技术》杂志上撰文,通过一个辐射发射测试实例,对受试设备辐射发射水平过高问题进行了具体分析,找到辐射发射超限的主要原因是,通信电缆屏蔽层的破损导致传输信号高次谐波的泄漏。最终通过对通信电缆的整改使受试设备满足了中国船级社的标准要求。

    现代控制理论和电子电气设备的应用使得电气控制系统性能越来越先进,自动化程度越来越高。然而工业环境中越来越多电气、电子设备的使用,使得设备间的电磁干扰越来越严重。美国、加拿大和欧盟就解决电磁干扰问题分别制定了各自的法规和标准。降低设备辐射发射水平和增强设备的抗干扰能力是解决电磁干扰问题的两种主要方法。本文主要讨论如何降低电气设备的辐射发射水平。

    引起电气设备辐射发射水平超出限值的原因有很多。除了产生电磁波的辐射源,如可编程逻辑控制器(programmable logic controller, PLC)、人机界面(human machine interface, HMI)、电力电子设备之外,电缆是辐射干扰的一个主要来源。本文通过一次实际的测试对通信电缆引起的电气设备辐射发射水平过高问题进行分析,并提出了行之有效的解决方案。

    1 受试设备介绍

    受试设备(equipment under test, EUT)是自升式海洋石油钻井平台控制系统研制样机。升降电气控制系统是自升式钻井平台的核心技术,在工业和信息化部印发的《船舶工业“十二五”发展规划》中,被列为“海洋工程装备制造业重点产品及技术”。

    受试设备的主要组成如下:

    ①一个操作台;②一台控制柜,尺寸为4000mm×2000mm×800mm;③一个控制箱,尺寸为800mm×1200mm×450mm;④两个现场控制箱,每个尺寸为360mm×460mm×260mm;⑤四个控制盒。

    受试设备的现场摆放如图1所示。

    2 测试标准介绍

    根据中国船级社的要求,对于船用关键产品必须进行电磁辐射发射情况的测试,测试标准为GD 01—2006《电气电子产品型式认可试验指南》,测试结果必须满足指南中的相关规定。

    根据GD 01—2006的要求,辐射发射的测试频率范围为150kHz~2GHz。测量天线测得的受试设备外壳端口3m处电场强度应不超过表1所述值。

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    图1 天线与受试设备的现场摆放

     

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    表1 外壳端口辐射发射值

    3 测试方法及测试场地

    根据GD 01—2006的要求,测试使用符合CISPR16-1的准峰值测量接收机进行测量。测量时带宽频率范围为150kHz~30MHz和156~165MHz应为9kHz;频率范围为30~156MHz和165MHz~2GHz应为120kHz。

    因为在实际试验中30MHz以下和1GHz以上的测试结果非常顺利,所以本文只分析30MHz~1GHz之间辐射发射超过限值的问题。另外,从表1中可以看出,在156~165MHz频率范围内,辐射发射值被限制在很低的24dB以下,这个频率范围是GD 01—2006中规定的特殊区域,包含海运动态遇险频率和船舶无线电通信频率,是本次测试的难点。

    受试设备按照GD 01—2006的要求进行布置,并按照一般配电区域的限值进行测试。受试设备前端距离接收天线3m。156~165MHz频段测量采用准峰值检波器检波,其他频段采用峰值检波器检波,对于峰值测量结果接近或超出准峰值限值的频点进行准峰值单点测量。

    本次测试在10m法电波暗室中进行。根据船级社要求,电磁兼容测试必须在具有船用产品检测资质的国家级实验室进行。在实验室中进行测试具有电磁环境干净可控、背景噪声满足标准测试要求、受试设备可随转台自由转动等优点。

    4 测试问题发现

    对设备进行30MHz到1GHz峰值扫描,结果如图2、图3所示。

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    图2 设备辐射骚扰的初步峰值测量结果(垂直极化)

     

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    图3 设备辐射骚扰的初步峰值测量结果(水平极化)

    4.1 测试结果描述

    根据图2、图3可以看出,在30~156MHz频段以及165MHz~1GHz频段内,无论是水平还是垂直极化,设备辐射发射的峰值在标准要求以下,符合GD 01—2006要求。

    然而,根据图2、图3,在156~165MHz范围内,部分频段的峰值辐射发射水平远超过24dB的限值,特别是水平极化下超标的情况更为严重。如果峰值情况下设备辐射发射水平均低于24dB,可以直接判定设备辐射发射符合GD 01—2006要求。

    但是,在目前的情况下,不能从峰值扫描结果上判断156~165MHz是否满足GD 01—2006的要求,必须经过准峰值扫描才能判定设备是否符合标准要求。通过图4所示的准峰值扫描结果可以看出,水平极化的整体辐射水平较高,在156MHz频点下,准峰值结果接近25dB,超过标准要求,据此判定设备辐射发射不合格。

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    图4 设备156~165MHz辐射骚扰的初步准峰值测量结果

    为了解决设备辐射发射超标的问题,仔细分析图4可以看出辐射发射的波形图具有以下特点:

    1)对于水平极化波形,在相对平滑的波形情况下有尖峰值出现,尖峰值间距固定,为1.5MHz,并且出现尖峰值的频率值均为1.5MHz的整数倍。垂直极化波形虽然不明显,但是也有相同情况出现。

    2)水平极化波形呈现周期性波动,波动周期为1.5MHz。

    3)水平极化波形曲线随着频率增大出现周期性衰减下降的趋势。

    4.2 辐射发射超标原因分析

    该设备使用的通信系统为Profibus通信系统,通信站点之间使用通信电缆连接,通信频率设定为1.5MHz,符合波形图的第一个特点。结合测试结果中的第二和第三个特点,发现水平极化曲线类似通信电缆中传输的周期性脉冲信号的频谱。

    因此判断引起156~165MHz频段辐射发射超标可能由通信系统引起。因为通信电缆直接暴露在外部,不像电气元器件有控制柜壳体的保护,现场判断由通信电缆引发辐射发射超标的可能性较大。

    根据上述分析,去除通信电缆护套,发现通信电缆情况如图5所示,通信电缆屏蔽箔层多处破损,编织屏蔽网断裂,去除外护套后部分编织屏蔽网脱落,同时有部分通信电缆插头接线不规范。

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    图5 通信电缆屏蔽层破损

    为了进行站点之间的通信,通信电缆携带有大量的数字信号,这些数字信号经过傅里叶分解,除直流分量外还含有大量的高频谐波,为了防止高频谐波辐射到空间中,干扰其他设备,通信电缆必须采取足够的屏蔽措施。

    工程上一般通过使用双重屏蔽,即屏蔽箔层和编织屏蔽层进行双重屏蔽。屏蔽层能够防止高次谐波扩散到电缆以外空间的原理是,在通信电缆中心导体传输电信号时,通信电缆屏蔽层能够产生感应电流,该感应电流产生的电磁场和中心导体中的电流产生的电磁场相互抵消。

    本样机使用的屏蔽电缆经过运输及现场施工,多次拖拽,反复弯曲,发生屏蔽层破裂,编织层折断的情况,使得屏蔽层的完整性受到破坏。根据孔隙理论,屏蔽层破裂后,屏蔽层上完整的屏蔽电流遭到破坏,导致电磁波在裂缝处产生了天线效应。

    图6示意了屏蔽不连续对磁感应屏蔽电流的影响。图6(b)显示的矩形缝隙就是缝隙天线,根据理论,缝隙的长度>1/10电磁波长就可以产生相当多的辐射。同时不规范的插头连接会导致较大的端接阻抗,影响屏蔽电流的回流。综上所述,导致辐射发射超标的最主要原因是屏蔽层的破损。

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    图6 屏蔽不连续对磁感应屏蔽电流的影响

    4.3 整改措施

    经过查询通信电缆产品样本,现场换用更高级的专用拖拽式通信电缆,该电缆外护套使用的是特殊材质,可以防止电缆屏蔽层在施工过程中遭到破坏。并且该型号通信电缆屏蔽层经过了加厚处理,编织层经过了加密处理,使电缆的屏蔽效果得到了进一步增强。在整改通信电缆的时候,同时重接了部分通信电缆插头。

    4.4 整改结果

    整改后,对样机进行峰值扫描和准峰值扫描,结果分别如图7—图9所示。

    如何降低电气设备的辐射发射水平?以通信电缆为例,提出有效方法

    图7 整改后辐射骚扰的峰值测量结果(垂直极化)

     

    如何降低电气设备的辐射发射水平?以通信电缆为例,提出有效方法

    图8 整改后辐射骚扰的峰值测量结果(水平极化)

     

    如何降低电气设备的辐射发射水平?以通信电缆为例,提出有效方法

    图9 整改后156~165MHz辐射骚扰的准峰值测量结果

    1)峰值扫描结果

    从整改后图7、图8对比整改前图2、图3可以看出,整改后设备的整体辐射发射水平有了一定的下降。由于缝隙致使高次电磁波泄露而产生的尖峰线有明显的减少。最明显的是在156~165MHz频段,无论是水平极化还是垂直极化曲线,峰值扫描结果显示该频段辐射发射水平都得到了极大的降低。

    2)准峰值扫描结果

    准峰值扫描图9对比图4可以看出,水平极化情况下的辐射发射得到了有效的抑制。无论是水平辐射还是垂直辐射的准峰值波形都低于20dB,符合GD 01—2006标准要求。

    综合整改后峰值和准峰值扫描结果,设备经过对通信电缆的整改达到了标准要求,测试通过。

    5 结论

    通信电缆作为现代控制系统中不可缺少的重要组成部分,承载着传输控制信号的重要作用,它传输的通信信号本身含有大量谐波,同时电缆导线可能耦合了控制柜内其他设备的高频信号;而且通信电缆直接暴露在外界,不像柜内元器件一样有控制柜壳体的屏蔽保护,可以吸收、反射辐射,因此做好控制电缆的屏蔽防护极为重要。

    通过本次测试,建议在通信电缆选型上要充分考虑现场环境和施工过程的复杂性,选择高标准和经过严格认证的电缆,防止通信电缆传输的信号干扰其他设备。为了对通信电缆进一步保护和加强屏蔽作用,现场可以考虑对屏蔽电缆单独穿钢管进行保护;同时在产品成本允许的情况下,考虑选择使用工业光纤作为通信传输介质,从根本上解决线路上带来的辐射发射超标问题。

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