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电磁兼容及标准体系概述

一、 电磁兼容标准的主要来源有:
a) CISPR 出版物。是 IEC下设的一个特别委员会。它成立的初衷是避免无线电业务中出现障碍, 当前世界各国对用电设备的无线电骚扰的限制大多取材于它。
b) IEC/TC77制定的IEC61000系列标准TC77是IEC下设的一个技术委员会, 工作范围有: A)整个频率范围内的抗扰度; B)低频范围内( ≤9kHz) 的骚扰发射现象。
c) 美国军用标准。中国军用标准主要取材于它, 其中电磁兼容的标准号为GJB151和GJB152。
d) 其它。国外先进企业的内控标准, 国内自主科研成果而制定的标准。

二、 电磁兼容基本名词术语
a) 电磁兼容Electromagnetic Compatibility( EMC)
设备或系统在其电磁环境中能正常工作, 且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。
b) 电磁兼容裕量
装置、 设备或系统的抗扰度限值与骚扰源的发射限值之间的差值。

三、 电磁兼容测试标准的标准体系
a) 基础标准: 基础标准不涉及具体的产品, 仅就现象、 环境、 试验方法、 试验仪器和基本试验配置等给出定义及详细描述。这类标准不给出指令性的限值, 以及对产品性能的直接判据, 但它是编制其它各级电磁兼容标准的基础。属于基础标准范围内的标准例有: GB4365《电磁兼容术语》; GB/T6113《无线电骚扰和抗扰度测量设备规范》; GB/T6113.2《无线电骚扰和抗扰度测量设备规范和测量方法 第二部分: 骚扰和抗扰度测量方法》; 以及如GB/T17626有关产品抗扰度测量的系列标准等。

b) 通用标准: 通用标准给通用环境中的所有产品提出一系列最低的电磁兼容性要求。通用标准中提到的测试项目及其试验方法能够在相应的基础标准中找到。通用标准给出的试验环境、 试验要求能够成为产品族标准和专用产品标准的编制导则。同时对于暂时尚未建立电磁兼容性测试标准的产品, 能够参照通用标准来进行其电磁兼容性能的摸底。通用标准把环境分成两类: 一类是住宅、 商业和轻工业环境。另一类是工业场所。通用标准认定凡直接从公共电网以低压供电的场所属于住宅、 商业和轻工业环境。

c) 产品族标准: 这是根据特定产品类别而制定的电磁兼容性能的测试标准。它包含产品的电磁骚扰发射和产品的抗扰度要求的两方面内容。产品族标准中所规定的试验内容及限值应与通用标准相一致, 但与通用标准相比较, 产品族标准根据产品的特殊性, 在试验内容的选择、 限值及性能的判据等方面有一定特殊性。
d) 专用产品标准: 专用产品标准一般不单独形成电磁兼容标准, 而以专门条款包含在产品的通用技术条件中。专用产品标准对电磁兼容的要求与相应的产品族标准相一致, 在考虑了产品的特殊性之后, 也可增加试验项目和对电磁兼容性能要求作某些改变。与产品族标准相比, 专用产品标准对电磁兼容性的要求更加明确, 而且还增加了对产品性能试验的判据。对试验方法, 应由试验人员参照相应基础标准进行。
四、 EMC试验实际上能够归并为三类:
a) 高频电磁骚扰的发射测试:
0.15MHz～30MHz的交流电源线传导骚扰测试, 0.15MHz～30MHz的交流电源线断续骚扰测试( 仅家用电器产品有此要求) , 0.15MHz～30MHz的信号线、 控制线、 直流电源线传导骚扰测试,30MHz～1000MHz的辐射骚扰测试。交流电源线断续骚扰测量, 辐射骚扰的磁场分量的测量。
b) 低频电磁骚扰的发射测试
0～2kHz的工频谐波、 IEC61000-3-2/4电压波动和闪烁测试 IEC61000-3-3/5
c) 产品的抗扰度试验:
静电放电试验IEC61000-4-2
高频辐射电磁场试验IEC61000-4-3
电快速瞬变脉冲群试验IEC61000-4-4
雷击浪涌试验IEC61000-4-5
由射频场感应所引起的高频传导试验IEC61000-4-6
电压跌落试验IEC61000-4-11(AC) AND IEC61000-4-29(DC)
工频磁场试验IEC61000-4-8
五、 试品性能的评定准则
a) EMI: 一般是定量描述
b) EMS:
情况A: 试品在试验中和试验后都能正常工作, 无性能下降和低于制造商规定的性能等级现象发生。
情况B: 试品在试验后能够正常工作, 且无性能下降和低于制造商所规定的性能等级现象发生。
情况C: 允许试品有暂时性的性能降低, 只要这种功能是能够经过控制操作、 人工复位, 甚至是关机后恢复的。
电磁兼容测试项目及方法

一、 交流电源线的传导骚扰测量
a) 试验布置

b) 干扰测量仪
平均值检波: 其最大特点是检波器的充放电时间常数相同, 特别适用于连续波的测量。
峰值检波: 特点是充电的时间常数很小, 即使是很窄的脉冲也能很快地充到稳定的峰值。当中频信号消失后, 由于电路的放电时间常数很大, 检波的输出电压可在很长一段时间内保持在峰值上。
准峰值检波: 它的充放电时间常数介于平均值和峰值检波之间, 检波器的输出既与干扰的幅度有关, 又与干扰的重复频率有关。其输出与干扰对听觉造成的效果相一致。
干扰测量仪一般都拥有这三种检波功能。

c) 人工电源网络

适用于耦合不对称电压的V型人工电源网络( 单相) 例:

二、 辐射骚扰的场强测量( 测试频率范围30至1000MHz)
试验布置

三、 产品工作时在电网中产生的谐波电流的测量
a) 谐波电流的危害
①电压畸变: 将可能使对谐波敏感的设备产生误动作; 谐波电压将直接影响电视的图像质量。
②过零噪声: 有不少设备要求在电源电压过零时接通设备, 以便不产生瞬变过电压, 从而减少电磁干扰和对半导体器件的冲击。
③中线过热: 但当线路中含有谐波电流时, 特别是三次谐波的奇数倍, 它们在中线上却是相加的。
b) 测量线路
测量设备可采用频域谐波分析仪, 也可采用时域谐波分析仪, 但从世界范围说, 当前采用离散富里叶变唤的时域分析仪器已成为基准的测量设备。
单相设备的谐波电流测量线路见下图。

四、 静电放电抗扰度试验
静电放电抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.2( 等同于国际标准IEC61000-4-2) 。
a) 试验目的
静电放电有多种起因, GB/T17626.2描述的是在低湿度环境下, 经过摩擦使人体带电。带了电的人体, 在与设备接触过程中就可能对设备放电。
静电放电抗扰度试验模拟了两种情况: ⑴设备操作人员直接触摸设每时对设备的放电, 和放电对设备工作的影响; ⑵设备操作人员在触摸邻近设备时, 对所关心这台设备的影响。
静电放电可能造成的后果是: ⑴经过直接放电, 引起设备中半导体器件的损坏, 从而造成设备的永久性失效。⑵由放电而引起的近场电磁场变化, 造成设备的误动作。
b) 静电放电的模拟
下图为静电放电发生器基本线路和放电电流波形( 对图中放电电流波形, 可预见它含有极其丰富的谐波成分, 加大了试验的严酷度) 。

c) 试验的严酷度等级
试验严酷度等级有四级, 对接触放电分别为2kV; 4kV; 6kV; 8kV。对气隙放电分别为2kV; 4kV; 8kV; 15kV。
五、 射频辐射电磁场抗扰度试验
射频辐射电磁场抗扰试验的国家标准为GB/T17626.3( 等同于国际标准IEC61000-4-3) 。
a) 试验目的
射频辐射的现象无所不在, 如无线电台、 电视台、 移动无线电发射机及各种工业电磁辐射源, 甚至荧光灯具在工作时都会产生电磁辐射。当前广泛使用的无线电对讲机、 手机等, 由于使用人员可能离设备很近, 造成的干扰就特别强劲。
·英国和法国的电工技术研究所对移动电话场强研究后认为符合
E=( 3.0×P1/2) /d
式中: E为场强, V/m;
p为移动电话功率, W;
d为移动电话天线至关心设备的距离, m。
此式反映在距离设备很近处使用功率较大的移动电话, 会对设备造成很强的辐射电磁场干扰。
b) 试验要求和严酷度等级
·试验的频率范围为80～1000MHz试验要用1kHz正弦波幅度调制, 调制深度为80%。今后可能再加一项键控调频( 欧共体已采用) , 频率为200Hz, 占空比1: 1。分别模拟语音及数字通信900MHZ ENV50204。

六、 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验
电快速瞬变脉冲群抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.4( IEC61000-4-4) 。
a) 试验目的
电路中机械开关对电感性负载的切换, 一般会对同一电路中的其它电气和电子设备产生干扰。其特点是脉冲成群出现, 脉冲重复频率较高, 脉冲波形的上升时间短暂, 但单个脉冲的能量较小, 一般不会造成设备故障, 但使设备产生误动作的情况经常可见。根据国外专家的研究, 认为脉冲群试验是经过脉冲群对线路中半导体器件结电容的充电, 当结电容上的能量积累到一定程度, 便会引起线路( 乃至设备) 的误动作。
b) 脉冲群发生器
脉冲群发生器的基本线路和波形见下图。

c) 电容耦合夹
用于信号线、 控制线的试验。试验时受试电缆放在耦合夹的上、 下两块耦合板之间, 耦合板本身尽可能合拢, 以提供板与电缆之间的最大电容。夹的两端各有一个高压同轴接头, 用最靠近试品这端的接头经过同轴电缆与发生器连接。另外, 同轴接头的芯线与下层耦合板相连, 同轴接头外壳与耦合夹底板相通, 而耦合夹放在参考接地板上。这一结构表明, 高压脉冲将经过耦合板与电缆间的分布电容进入受试电缆, 而电缆收到的脉冲是相对参考接地板的, 因此依然是共模干扰。

明确脉冲性质很重要: 首先, 与试验方法有关。既然是共模干扰, 就一定与参考接地板有关, 离开了参考接地板, 干扰将加不到试品。其次, 既然它是共模干扰试验, 试验人员在处理干扰时, 一定要用针对共模干扰的措施, 否则将达不到预定效果。
当使用耦合夹做被试系统抗扰度试验时, 耦合夹应放在参考接地板上, 耦合夹到接地板边缘的最小尺寸为0.1m。同样, 除位于耦合夹下方的接地板外, 耦合夹与其它导电性结构间的最小距离是0.5m。

d) 试验的严酷度等级
试验等级分为1、 2、 3、 4和X级。在电源线上试验时, 分别取0.5kV( 5kHz) 、 1kV( 5kHz) 、 2kV( 5kHz) 、 4kV( 2.5kHz) 及待定。在信号线、 控制线上试验时, 分别取0.25kV( 5kHZ) 、 0.5kV( 5kHz) 、 1kV( 5kHz) 、 2kV( 5kHz) 及待定。
这里, 电压为发生器储能电容上的电压, 频率指脉冲群内单个脉冲的重复频率。严酷度等级的大致分类是:
1级: 保护良好的环境( 如计算机机房) 。
2级: 一般有保护的环境( 如工厂中的计算机机房和控制室) 。
3级: 无保护环境下的设备( 如公用电网、 工厂、 变电站) 。
4级: 有严重干扰的环境( 如采用气体绝缘的开关或真空开关的变电站) 。
试品选用哪一等级, 由产品标准定。

七、 雷击浪涌抗扰度试验
雷击浪涌抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.5( 等同于国际标准IEC61000-4-5) 。
a) 试验目的
自然界的雷击能够在户外架空线上感应出浪涌电压和电流。另外, 在电站或开关站中, 大型开关切换瞬间, 也会在供电线路上感应出大的浪涌电压和电流。这两种浪涌的共同特点是能量特别大( 用能量作比较, 静电为皮焦耳级, 脉冲群为毫焦耳级, 雷击浪涌则为几百焦耳级, 是前两种干扰能量的百万倍) , 但波形较缓( 微秒级, 而静电与脉冲群是纳秒级, 甚至亚纳秒级) , 重复频率低。
b) 浪涌发生器
⑴用于电源线路试验的综合波发生器
”综合波”是指波形参数由标准规定的电压波和电流波是在一个发生器中形成的( 发生器输出端开路时, 形成电压浪涌波; 发生器输出端短路时, 形成电流浪涌波) 。发生器的线路和波形要求见下图:

对综合波发生器的基本要求:
开路输出电压( ±10%) : 0.5kVP至4kVP
短路输出电流( ±10%) : 0.25kAP至2kAP
发生器内阻: 2Ω( 这是联系开路电压波和短路电流波的关键)
可附加电阻10Ω或40Ω, 以形成12Ω或42Ω的内阻
浪涌输出极性: 正/负
浪涌移相范围: 0°～360°( 浪涌输出与电源同步时)
最大重复频率: 至少每分钟1次

⑵用于通信线路试验的10/700μs浪涌波发生器
发生器线路和波形见下图:

对发生器的基本要求是:
开路电压波: 10/700μs
开路输出电压( ±10%) : 0.5kVP至4kVP
发生器内阻: 40Ω
浪涌输出极性: 正/负
c) 试验方法
由于浪涌试验的电压和电流波形相对较缓, 因此对试验室的配置比较简单。对于电源线路上的试验, 是经过耦合/去耦网络来完成的, 下图为单相试验电路例, 有差模和共模试验的要求。对通信线路, 则与被试线路有关, 不一一列出。

d) 试验的严酷度等级分为1、 2、 3、 4和X级。电源线差模试验的1级参数未给, 其余各级分别为0.5kV、 1kV、 2kV及待定。电源线共模试验的各级参数为0.5kV、 1kV、 2kV、 4kV及待定。
试验的严酷度等级取决于环境( 遭受浪涌可能性的环境) 及安装条件, 大致分类是:
1级: 较好保护的环境, 如工厂或电站的控制室。
2级: 有一定保护的环境, 如无强干扰的工厂。
3级: 普通的电磁骚扰环境, 对设备未规定特殊安装要求, 如普通安装的电缆网络, 工业性的工作场所和变电所。
4级: 受严重骚扰的环境, 如民用架空线, 未加保护的高压变电所。
X级: 特殊级, 由用户和制造商协商后确定。
具体产品选用哪一级, 一般由产品标准定。

八、 由射频场感应所引起的传导骚扰抗扰度试验
由射频场感应所引起的传导骚扰抗扰度试验的国家标准为GB/T17626.6( 等同于国际标准IEC61000-4-6) 。
a) 试验目的
在一般情况下, 被干扰设备的尺寸要比干扰波的波长短得多, 相形之下, 设备引线( 包括电源线及其架空线的延伸、 通信线和接口电缆线等) 的长度则可能达到干扰波的几个波长的长度( 或更长) 。这样, 设备引线就变成被动天线, 接受射频场的感应, 变为传导骚扰侵入设备内部, 最终以射频电压和电流形成的近场电磁场影响设备的工作。
b) 试验要求和严酷度要求
·试验的频率范围为150kHz～80MHz。当试品尺寸较小时, 上限频率可扩展到230MHz。
·为提高试验难度, 试验中要用到1kHz的正弦波进行幅度调制, 调制深度为80%。
·试验的严酷度等级分1、 2、 3和X级的共模试验, 试验电压分别为1V、 3V、 10V和待定。
c) 基本试验仪器
传导骚扰的基本试验仪器由下图组成:

⑴射频信号发生器( 带宽150kHz～230MHz, 有幅度调制功能, 能手动或自动扫描, 扫描点的留驻时间能够设定, 输出信号的幅度可自动控制) 。
⑵射频功率放大器( 取决于试验方法及试验的严酷度等级) 。
⑶低通和高通滤波器( 用于避免信号谐波对试品产生干扰) 。
⑷固定衰减器( 衰减量固定为6dB, 用以减少功放至耦合网络间的不匹配程度, 安装时要尽量靠近耦合网络) 。
上述仪器如配上电子毫伏计、 计算机及控制软件, 可组成自动测试系统。

九、 电压跌落、 短时中断和电压渐变抗扰度试验
电压跌落、 短时中断和电压渐变抗扰度的国家标准为GB/T17626.11( IEC61000-4-11) 。
电压跌落、 短时中断是由电网、 变电设施故障或负载出现大的变化所引起的, 有时会连续出现两次或多次跌落或中断。电压变化则是由负载连续变化引起的, 一般会持续一段时间。

十、 衰减振荡波抗扰度试验
衰减振荡波抗扰度试验的国家标准为GB17626.12( 等同于国际标准IEC61000-4-12) 。
a) 试验目的
衰减振荡波代表高压和中压变电站的高压母线闸刀开关操作情况, 它常会产生波前时间达到几十ns级的瞬变电压波。由于高压电路中特性阻抗的失配, 电压波有反射, 由此产生了衰减振荡波。振荡波的振荡频率受母线长度( 一般为几十至几百米) 影响, 约为几百千赫芝至几兆赫芝。
b) 衰减振荡波发生器
衰减振荡波发生器的基本线路和振荡波形见下图:

对衰减振荡波发生器的基本要求是:
第一峰值电压上升时间: 75ns±20%;
衰减振荡波的振荡频率: 100kHz和1MHz两种, ±10%;
衰减振荡波的重复频率: 对100kHz至少40c/s;
对1MHz至少400c/s;
衰减振荡波的波形衰减率: 在3～6周内衰减到峰值的50%;
一串衰减振荡波的持续时间: 不低于2s;
发生器输出阻抗: 200Ω±20%;
峰值开路电压: 250V( -10%) ～2.5kV( +10%) ;
与电源频率的关系: 异步;
c) 试验配置
⑴耦合/去耦网络
电源线的抗扰度试验是经过耦合/去耦网络来进行的, 线路如下:

d) 试验方法
试验分共模和差模两种, 接线方法如下:

e) ⑤试验的严酷度等级
衰减振荡波试验的严酷度等级分4级, 对共模试验分别取0.5kV、 1kV、 2kV( 对继电保护设备取2.5kV) 及待定; 对差模试验分别取0.25kV、 0.5kV、 1kV及待定。各级别的大致适用范围如下:
1级: 控制大楼有限范围内运行的电缆连接端口;
2级: 控制大楼和继电器室( 或小型配电间) 的设备电缆连接端口, 而相关设备被放在控制大楼和继电器室中。
3级: 继电器室内所安装设备的电缆连接端口, 设备本身也安装在继电器室内。
4级: 为有待分析的特殊情况。
对大多数量度继电器和保护装置适合用3级。仅在采取特别措施的情况下才使用较低级别。

开关电源的电磁兼容性能测量

一、 概述
另一方面, 开关电源因其内部含有开关三极管、 整流及续流二极管、 功率变压器, 它们均在高电压、 大电流和高频下工作, 而且工作的电压和电流波形多为方波。高压、 大电流的方波在其切换过中将产生严重的电压和电流谐波, 将经过电源输入和输出线路及外壳向外形成传导和辐射骚扰, 对周围敏感设备造成干扰, 引起它们工作异常。
其实开关电源工作时产生的电磁骚扰还会危及同一台设备的其它线路的工作, 造成设备本身工作的不稳定; 甚至电源自身工作的不稳定。

二、 开关电源的电磁兼容标准
上述产品电磁兼容性测试所引用的标准主要来源有:
① 设备工作时自身所产生的电磁骚扰
GB9254-1998《信息技术设备无线电骚扰限值和测量方法》
② 设备工作时对电网的污染
GB17625.1-1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限( 设备的每相输入电流≤16A) 》
③ 设备的抗扰性
GB/T17626-1998《电磁兼容 试验和测量技术 系列标准》