現(xiàn)代建筑工程電磁干擾（EMI）與防護設計|解決方案

 1 引言
                           
                        隨著各種電子網(wǎng)絡和電力電子技術在工業(yè)、交通、國防及其家庭日益廣泛的應用，電磁干擾（Elec-tromagnetic
                        Interference—EMI）和電磁敏感度（Electromagnetic
                        Sensitivity—EMS）已成為現(xiàn)代電氣工程設計和科研人員在設計過程中必須考慮的問題。大量電氣、電子設備的廣泛應用，形成了復雜的電磁環(huán)境。現(xiàn)代樓宇中的電氣、電子設備極易受到外部電磁干擾的影響，可能出現(xiàn)運行紊亂、計算差錯、檢測失誤等而無法正常工作，嚴重時還會危及設備與人員安全。同時該設備本身也會對其他設備產(chǎn)生電磁干擾，即成為干擾源。如何使電子、電氣設備既不受外來干擾影響，也不對所處環(huán)境和其他設備造成干擾，維持共存的電磁環(huán)境、相互兼容，均能正常工作，是現(xiàn)代建筑電氣設計必須解決的課題。為了保證電氣、電子設備在復雜的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時減少自身對環(huán)境產(chǎn)生的電磁污染，許多國家都頒布了電磁兼容性標準，國際電工委員會（IEC）設立的國際無線電干擾特委會（CISPR）于20世紀60年代制定了系列電子、電氣設備的電磁干擾限制標準。80年代后，我國參照CISPR標準制定了若干相關國家標準。而今，抗電磁干擾和防護設計已成為現(xiàn)代建筑工程電氣設計的重要內(nèi)容。

                            2 電磁干擾源與電磁干擾的傳輸方式
                           
                        電磁干擾是人們早就發(fā)現(xiàn)的電磁現(xiàn)象。一些電器、電子設備工作時所產(chǎn)生的電磁波，容易對周圍的其他電氣、電子設備形成電磁干擾，引發(fā)故障或者影響信號的傳輸。另外，過度的電磁干擾會形成電磁污染，危害人們的身體健康，破壞生態(tài)平衡。

                           
                        電磁污染的來源包括雷電（包括核爆等強電磁脈沖）、靜電及所有電氣的動作（包括正常及非正常的）過程。如衛(wèi)星通信、飛機航行的智能化、通信無線塔、超高壓輸電線路、工廠自動化生產(chǎn)線、電氣牽引饋電系統(tǒng)的諧波、大型醫(yī)療設備、物理儀器、家用儀器、電動工具、移動電話、遙控儀表、集成模塊、印刷電路板等，凡有電磁現(xiàn)象存在的地方都有電磁干擾問題。絕緣物體的相對摩擦也會產(chǎn)生可怕的靜電效應。例如，高速飛行器與大氣的相對運動、合成材料的纏繞、流體（石油、天然氣等）的高速傳輸、化纖織物與人體的摩擦等，由于靜電積聚的隱蔽性和釋放過程的突發(fā)性，造成的危害程度不亞于諧波和強電磁脈沖。電磁干擾源可分為自然干擾與人為干擾源。自然干擾源如雷電、宇宙輻射、太陽黑子的干擾等；人為干擾源如變配電設備、變頻設備、架空輸電線、無線電發(fā)射臺，以及來自工業(yè)、科研、醫(yī)療射頻設備產(chǎn)生的干擾等。

                           
                        研究電磁干擾的傳輸方式，對制定抗干擾的措施，消除或抑制干擾具有重要的意義。電磁干擾的傳輸方式大體分為空間傳播的電磁輻射（Radiated）耦合方式與電路傳輸?shù)膫鲗В–onducted）方式。

                           
                        電磁輻射干擾是指通過電磁源空間傳播到敏感設備的干擾。例如，輸電線路電暈產(chǎn)生的無線電干擾或電視干擾即屬于輻射型干擾。電磁輻射干擾近場表現(xiàn)為靜電感應與電磁感應導致的干擾，遠場則為通過輻射電磁波造成的干擾。任一載流導體周圍都產(chǎn)生感應電磁場并向外輻射一定強度的電磁波，相當于一段發(fā)射天線，處于電磁場中的任一導體則相當一段接收天線，會感生一定電勢，導體的這種天線效應是導致電子、電氣設備相互產(chǎn)生電磁輻射干擾的根本原因。干擾源輻射電磁干擾的強度可以計算或實測，其輻射場強E隨距離成反比衰減。工業(yè)、科研、醫(yī)療領域的射頻設備可能產(chǎn)生0.15MHz~18GHz電磁波輻射干擾，如工業(yè)感應加熱設備、工業(yè)或醫(yī)用超聲波設備、醫(yī)用微波治療及手術設備等。又如，高壓架空輸電線及變配電裝置，由于開關或導線聯(lián)接接觸不良處的火花放電、金具或導線電暈放電或變壓器漏磁等原因，可能產(chǎn)生0.15~30MHz的電磁輻射干擾。當離干擾源一定距離處的電子設備接收的干擾信號強度超過其防護率時，將無法正常工作。

                           
                        傳導干擾是經(jīng)導線、金屬管道、公共接地阻抗等導電路徑傳播的干擾。只要有連接便可能傳導電磁干擾。干擾信號可通過電源回路、負載回路、信號回路及任何引入（出）建筑物的金屬管線傳入（出）電子、電氣設備，使之受到干擾或干擾網(wǎng)絡中的其他設備。工程實踐表明，影響最大的是電源回路傳導的干擾，其中最易導致電子設備故障停運或運行錯亂的是脈寬小于1μs的干擾脈沖與瞬變噪聲，以及持續(xù)時間大于10ns的持續(xù)噪聲。產(chǎn)生干擾脈沖與瞬變噪聲的主要原因有電力負載通斷、電容器投入、熔斷器熔斷、繼電器類感性負載切斷、雷電等等，多為不規(guī)則的正、負脈沖或振蕩脈沖，其尖峰電壓可達0.1~10Kv，電流可達100A，以斷開感性負載情況最嚴重。持續(xù)噪聲主要有：持續(xù)欠電壓與過電壓、電壓缺口（多為短路或過載時斷路器動作引起的0.5s以上的停電）、大容量異步電機啟動或雷電引起的擾動，等等。

                            可見電磁干擾問題已成為工程設計必須考慮解決的問題之一。
                            3 建筑工程電磁干擾的防護技術與措施
                           
                        電磁干擾三要素是干擾源、耦合通路和敏感體，切斷以上任何一項都可解決電磁干擾問題。防范與抑制電磁干擾的基本原則是：①抑制電磁干擾源，直接消減干擾源頭的影響；②切斷電磁干擾傳播途徑或增加傳播路徑對電磁干擾的阻礙（衰減）作用，降低干擾源與受擾設備間的耦合作用；③加強受干擾電子、電氣設備的抗干擾能力。這三方面相互關聯(lián)，不可偏廢。但因為電磁干擾多種途徑的耦合同時存在，反復交叉，共同產(chǎn)生干擾，才使得電、磁干擾變得難以控制，所以在控制干擾的策略上除了采用眾所周知的抑制干擾傳播的技術，如屏蔽、接地、搭接、回避或疏導技術處理外，還要采取利用新型吸波材料(涂料)對輻射源進行技術處理,此技術簡單而巧妙，可以代替成本費用昂貴而質量體積較大的硬件措施，從而收到事半功倍的效果。根據(jù)以上分析，控制電磁干擾應采取以下技術和措施。

                            3.1 嚴格選用電磁兼容性能符合CISPR標準及國家標準的電子、電氣設備
                           
                        電子、電氣設備的電磁干擾限制標準是根據(jù)電磁兼容基本要求制定并隨著技術與經(jīng)濟水平提高而逐步制定、修訂的。選用符合限制標準的設備是維持電磁兼容環(huán)境的基本條件之一。選用合乎標準的設備并采取適當?shù)钠帘闻c濾波措施，一般都收效良好。否則，會不同程度地破壞電磁兼容環(huán)境。

                            3.2 保持對輻射干擾源的電磁防護間距
                           
                        保持對工業(yè)、科研、醫(yī)療等射頻設備、高壓架空輸電線路、電氣化鐵路等電磁輻射干擾源應有的防護間距，即可將電子設備所受干擾減至允許范圍內(nèi)而不影響正常工作。而今，建筑工程在選址階段僅按傳統(tǒng)要求考慮交通、供水、供電條件及防火間距已不夠了，還必須考慮電磁防護間距，以滿足電磁兼容要求。同時還應考慮本工程內(nèi)部干擾源對環(huán)境的影響，以及工程內(nèi)部電子電氣設備間、強電與弱電及控制線路間保持必要的防護間距。若條件所限無法滿足應有間距，則應采用其他防范與抑制措施。

                            3.3 吸收材料(涂料)吸波技術
                           
                        電磁波吸收技術的研究最早開始于軍事信息安全的TEMPEST技術，進而在軍用戰(zhàn)機隱形、艦船隱形、戰(zhàn)車隱形、指揮系統(tǒng)隱形等方面得到廣泛應用。成為電子戰(zhàn)中的重要技術，一直受到各國高度重視。
                          
                        目前伴隨WTO的加入，民用產(chǎn)品EMC技術的進步和標準的強制執(zhí)行,各類電子產(chǎn)品的EMC問題將十分突出，厘米波及分米波吸波材料的需求顯得十分迫切。電磁波吸收涂料（簡稱吸波涂料）是一種在基料中加入電損耗、磁損耗填料，使由自由空間投射到涂層的電磁輻射能量轉換為熱能，減少或基本消除反射電磁波，其目的是在不改變普通涂料的裝飾性前提下，吸收室內(nèi)外空間廣泛存在的電磁雜波，使置于環(huán)境中的人及各種電子設備免受輻射污染并得到有效的保護。吸波涂料具有優(yōu)良的物理性能和耐環(huán)境性能，達到如下技術指標：
                            （1）對電磁雜波吸收率高，能達到15-20db,吸收頻帶寬（10MHZ-10GHZ）；
                            （2）符合ROHS環(huán)保要求，無公害，無毒，不產(chǎn)生二次輻射污染；
                            （3）在較寬的溫度范圍內(nèi)涂料的化學性能穩(wěn)定；
                            （4）具有較好的機械強度和施工性能；
                            （5）附著力好(100%)，耐老化及各種介質的腐蝕；
                            （6）有防火涂料，防靜電涂料功能。
                           
                        吸波涂料主要應用于室內(nèi)外的電磁輻射雜波污染，采用吸波涂料進行防護是一項非常積極行之有效的措施，在不同的應用領域，可根據(jù)實際需要來設計涂料的組分、配比和形態(tài)，形成系列產(chǎn)品：
                            1）建筑物外墻體，做成吸收墻，防止室內(nèi)外的電磁輻射雜波透射，不對室內(nèi)的人體和儀器設備產(chǎn)生影響；
                            2）內(nèi)墻體、頂棚、地面、門窗、家俱等，吸收來自室內(nèi)外各個方向的輻射波，防止雜波反射，潔凈室內(nèi)的電磁環(huán)境；
                           
                        3）電子電器設備，作為場源，工作狀態(tài)中電子電器設備會向周圍環(huán)境空間輻射大量的電磁波能，對它們的內(nèi)外體敷設吸波涂料，能將輻射波大幅度削減，并將污染控制在較小范圍內(nèi)。
                            3.4 屏蔽與接地
                          
                        電磁屏蔽就是以金屬隔離的原理來控制電磁干擾由一個區(qū)域向另一個區(qū)域感應和輻射傳播的方法。屏蔽與接地是抑制輻射電磁場干擾的基本辦法。屏蔽并輔以恰當?shù)慕拥兀^大部分輻射電磁干擾問題都可能得到解決。難以保持必要的電磁防護間距時，將電磁干擾源設備及受干擾設備以屏蔽室（對控制、信號線路等則以屏蔽電纜）屏蔽隔離起來，可消減其對（受）外部的電磁輻射干擾程度。屏蔽可分靜電屏蔽、磁屏蔽及電磁屏蔽，其功能分別在于抑制分布電容耦合導致的電場干擾、低頻磁場干擾及高頻電磁場干擾，一般多指電磁屏蔽。依據(jù)干擾性質與屏蔽類型，屏蔽層分別以低阻金屬或離導磁材料構成，并酌情采取相應的接地方式。接地包括電子電氣設備正常工作必須的信號接地、功率接地及安全接地以及屏蔽接地。現(xiàn)代建筑因場地限制與建筑結構影響，多采用將各種接地系統(tǒng)以適當方式聯(lián)為一體的閉合環(huán)狀接地系統(tǒng)。基本要求是使各種接地點間無電位差（等電位聯(lián)結）。屏蔽室（層）本身則應依據(jù)干擾噪聲的頻率特征采用一點接地或多點接地。

                            3.5 濾波與隔離
                           
                        濾波是在頻域上處理電磁噪聲的技術，為電磁噪聲提供一低阻抗的通路，以達到抑制電磁干擾的目的。隔離是切斷傳導干擾的傳輸途徑的方法。濾波與隔離是防治傳導干擾的主要方法。電源線是電磁干擾傳入設備的干擾也可以通過電源線傳到電網(wǎng)上，對網(wǎng)上其他設備造成干擾。為了防止這兩種情況的發(fā)生，對電源線路視干擾噪聲頻率及受保護電子設備性質可安裝不同類型的濾波裝置。在設備的工頻電源進線上采用普通（低通）電源濾波器；在400～1000Hz中頻電源線路上設特種濾波器；對負載線路，則有適用于通信線路的通信（電話）濾波器、用于變流設備的高次諧波濾波器、用于屏蔽室通風及其他金屬管道上的波導濾波器等等，它們可過濾不同頻率的干擾噪聲，消減電子、電氣設備（向）外部的傳導干擾。在電子、電氣設備的電源或信號輸入（出）端設置隔離變壓器、光電隔離裝置等也是防止傳導干擾（如抑制浪涌噪聲及中頻噪聲）的必要手段。在設備選擇及線路配置等設計環(huán)節(jié)中，濾波與隔離措施是廣泛采用的手段。

                            4 現(xiàn)代建筑工程抗電磁干擾設計的基本步驟
                           
                        按照電磁干擾規(guī)律及建設工程程序，抗電磁干擾設計可分為五個步驟：①調查建筑附近及本工程建筑內(nèi)已經(jīng)存在及將要安裝使用的人為干擾源的數(shù)量與性能數(shù)據(jù)；②調查了解本工程建筑附近及建筑內(nèi)安裝使用的電子、電氣設備數(shù)量與性能參數(shù)；③了解①及②項中設備及線（管）路之間可能存在的干擾傳播方式與途徑；④根據(jù)①～③項的調查了解資料，各專業(yè)協(xié)調配合，合理確定工業(yè)及民用建筑工程的選址及內(nèi)部配置方案，在此基礎上，結合設備及線（管）布置，進行屏蔽、濾波、接地及布線設計；⑤施工圖設計及施工、安裝、調試過程中，電氣專業(yè)與建筑、結構、暖通及給排水等各專業(yè)必須密切配合。抗電磁干擾設計效果如何，要根據(jù)竣工后的測試結果才能評定。實踐證明，無論對于成套電子、電氣設備或安裝使用電子、電氣設備的工業(yè)或民用建筑，在設計階段可供選擇的解決電磁干擾問題的技術手段較多而所需費用較少；待到設備制造完畢、安裝就緒或建筑工程落成投入使用后，才發(fā)現(xiàn)電磁干擾嚴重，屆時再來補救，則其難度與費用就會大大增加。可見，電磁干擾問題已經(jīng)成為現(xiàn)代建筑工程電氣設計一個必要的設計環(huán)節(jié)。

                            5 結束語
                           
                        隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，高層和超高層建筑越來越多，建筑物中電氣、電子設備越來越廣泛地應用，電磁干擾問題將越來越突出，工程設計階段進行抗電磁干擾設計乃是解決電磁干擾、防患于未然的必要舉措，是現(xiàn)代建筑工程電氣設計一個必要的設計環(huán)節(jié)。