14、第十四课_抗干扰技术之耦合与接地
电气工程中的电力系统电磁干扰与抗干扰技术
电气工程中的电力系统电磁干扰与抗干扰技术在当今高度电气化的时代，电力系统的稳定运行对于社会的正常运转至关重要。
然而，电磁干扰现象却如同一颗隐藏在电力系统中的“定时炸弹”，时刻威胁着电力设备的可靠运行和电力系统的安全稳定。
了解电力系统中的电磁干扰及其抗干扰技术，对于保障电力系统的正常运行具有重要意义。
电磁干扰，简单来说，就是指无用的电磁信号对有用的电磁信号造成了不良影响。
在电力系统中，电磁干扰的来源多种多样。
首先，自然现象如雷电就是一个强大的电磁干扰源。
雷电产生的瞬间强大电流和电磁场，可能会通过输电线路、杆塔等传导进入电力系统，对电力设备造成冲击和损坏。
其次，电力系统中的开关操作也会引发电磁干扰。
当开关闭合或断开时，电流的急剧变化会产生瞬间的高电压和电磁场，从而影响周边的设备。
再者，电力系统中的非线性负载，如变频器、整流器等，在工作过程中会产生谐波电流，这些谐波电流也会形成电磁干扰。
此外，还有外部的电磁辐射源，如无线电发射台、通信基站等，其发射的电磁波可能会耦合到电力系统的线路中，对电力设备产生干扰。
电磁干扰对电力系统的影响不容忽视。
它可能导致电力设备的误动作，例如继电保护装置的误跳闸，影响电力系统的供电可靠性。
电磁干扰还可能降低电力设备的性能，缩短其使用寿命。
例如，干扰信号可能会影响电力变压器的绝缘性能，导致局部放电增加，进而降低变压器的使用寿命。
在通信系统方面，电磁干扰可能会使电力通信信号失真、误码率增加，影响通信质量和数据传输的准确性。
为了应对电力系统中的电磁干扰问题，人们研发了一系列的抗干扰技术。
屏蔽技术是其中常见且有效的一种。
通过使用金属材料制作的屏蔽罩或屏蔽线，可以将电力设备或线路包裹起来，阻止外部的电磁干扰信号进入，同时也能防止内部的电磁信号向外辐射。
滤波技术则是通过滤波器对电源或信号线路中的干扰信号进行滤除。
滤波器可以根据干扰信号的频率特性进行设计，从而有效地去除不需要的频率成分，保证电力设备的正常工作。
抗干扰技术
§2.1 干扰的来源和传播途径
2、串模干扰 、串模干扰 串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰， 串模干扰就是指串联叠加在工作信号上的干扰，也 称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。 称之为正态干扰、常态干扰、横向干扰等。
常用的干扰抑制技术
屏蔽技术 接地技术 浮置 平衡电路 滤波技术
静电屏蔽 在静电场作用下，导体内部无电力线，即各点等电位。静电屏蔽就是利用了与大地相连 接的导电性良好的金属容器，使其内部的电力线不外传，同时也不使外部的电力线影响其 内部。 静电屏蔽能防止静电场的影响，用它可以消除或削弱两电路之间由于寄生分布电容耦合 而产生的干扰。 在电源变压器的一次、二次侧绕组之间插入一个梳齿形薄铜皮并将它接地，以此来防止 两绕组间的静电耦合，就是静电屏蔽的范例。 电磁屏蔽 电磁屏蔽是采用导电良好的金属材料做成屏蔽层，利用高频干扰电磁场在屏蔽体，内产 生涡流，再利用涡流消耗高频干扰磁场的能量，从而削弱高频电磁场的影响。 若将电磁屏蔽层接地，则同时兼有静电屏蔽的作用。也就是说，用导电良好的金属材料 做成的接地电磁屏蔽层，同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽两种作用 低频磁屏蔽 在低频磁场干扰下，采用高导磁材料作屏蔽层以便将干扰磁力线限制在磁阻很小的磁屏 蔽体内部，防止其干扰作用。 通常采用坡莫合金之类的对低频磁通有高导磁系数的材料。同时要有一定的厚度，以减少 磁阻。
N N
§2.1 干扰的来源和传播途径
二、 干扰的作用途径
1、静电耦合 、 干扰信号通过分布电容进行传递称为静电耦合。 干扰信号通过分布电容进行传递称为静电耦合。系 统内部各导线之间，印刷线路板的各线条之间， 统内部各导线之间，印刷线路板的各线条之间，变压器 线匝之间的绕组之间以及元件之间、 线匝之间的绕组之间以及元件之间、元件与导线之间都 存在着分布电容。 存在着分布电容。具有一定频率的干扰信号通过这些分 布电容提供的电抗通道穿行，对系统形成干扰。 布电容提供的电抗通道穿行，对系统形成干扰。
资深电子工程师的分享 共地阻抗耦合干扰
资深电子工程师的分享共地阻抗耦合干扰共地阻抗耦合干扰是接地里面每天都要面对的核心问题，并且几乎逃避不开。
就像电影院里散场的时候，你从最里头的一号厅出来，没几个人，走来很通畅，突然二号厅也散场了，一下子通道就拥挤了，再继续前行，坏了，三号厅正在放观众入场，一下子，人流就波动起来了。
这和共地阻抗是一个原理，信道相当于地线，人相当于电流。
如果一、二、三号厅流动的人差不多，相互之间影响不太大，但如果3号厅是大厅，人员是一、二号厅的好多倍,那进出三号厅的人员将会对一、二号厅人员流动速度的影响很大。
一、二、三号艇的客人都要走过的这段路就成了共地阻抗。
以下图为例，图1中，RAB段的电阻就是共地阻抗部分，流过这段的地电流I。
、1a、Id三部分在这段会相互影响；如果这三个电流差别较大，差出了1-2个数量级的话，相互之间的影响就不可以忽视了，尤其是某个弱地电流支路是用于定量测量、放大或AD转换电路的时候；图2则把Id对另外两个之路的影响隔离掉了；图3则是三个地电流全部分别隔离了。
较通用型的接地方法这个标题用了个‘较”字，是有原因的，因为通用的接地方法根本不存在，这只是个基础的模型，真正使用中的时候，还需要结合实际情况灵活变通处理，就像语言，同样一句话“你讨厌”，用不同语气讲出的时候，传递的信息可是千差万别。
基本思路是，在设计上，把安全保护地、工作数字地、工作模拟地、工作功率地、雷击浪涌地、屏蔽地先确保各自独立的单独连接，最后在系统联调的时候，再根据各地之间要解决的问题，即根据接地的目的，将这几个地按照下列的之间的联接方式处理下，连接方式包括：a地一地间黄绿导线直联这种接法最好理解，就是简单的使两个地可靠的低阻抗导通。
但切记，此种接法仅限于中低频信号电路地之间的接法。
因为这类导线上有一定的走线电感和走线电阻，对高频波动地电流，在电感作用下，电缆起到的是大阻抗的作用，相当于低频接地，高频下大阻抗接地了，基本不能实现高频下的可靠导通。
抗干扰技术课件
数字地
计算机 D/A
放大器
VCC
双绞线
执
行
器
RL
数字地
模拟地
（b） 在D/A转换器与执行器之间
图8-12 光耦隔离器的模拟信号隔离
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Hale Waihona Puke 学习文档在图8-12（a）输入通道的现场传感器与A/D 转换器之间，光电耦合器一方面把放大器输出 的模拟信号线性地光耦(或放大)到A/D转换器 的输入端， 另一方面又切断了现场模拟地与 计算机数字地之间的联系，起到了很好的抗共 模干扰作用。在图8-12（b）输出通道的D/A 转换器与执行器之间，光电耦合器一方面把放 大器输出的模拟信号线性地光耦(或放大)输出 到现场执行器，另一方面又切断了计算机数字 地与现场模拟地之间的联系，起到了很好的抗 共模干扰作用。
地点之间存在一个电位差Ucm。这个Ucm是加在放大器
输入端上共有的干扰电压，故称共模干扰电压。 既然共模干扰产生的原因是不同“地”之间存在的电压，
以及模拟信号系统对地的漏阻抗。因此，共模干扰电压的 抑制就应当是有效的隔离两个地之间的电联系，以及采用 被测信号的双端差动输入方式。具体的有变压器隔离、光 电隔离与浮地屏蔽等三种措施。
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3.2.2 共模干扰及其抑制
1. 共模干扰
共模干扰是指计算机控制系统输入通道中信 号放大器两个输入端上共有的干扰电压，可以是 直流电压，也可以是交流电压，其幅值达几伏甚 至更高，这取决于现场产生干扰的环境条件和计 算机等设备的接地情况。其表现形式与产生原因 如图3-10所示。
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共模抑制比CMRR
CMRR 20lg Ucm Un
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干扰的耦合方式
干扰的耦合方式
干扰的耦合方式干扰源产生的干扰信号是通过一定的耦合通道才对测控系统产生作用的。
因此，我有必要看看干扰源和被干扰对象之间的传递方式。
干扰的耦合方式，无非是通过导线、空间、公共线等等，细分下来，主要有以下几种：
（1）直接耦合：这是最直接的方式，也是系统中存在最普遍的一种方式。
比如干扰信号通过电源线侵入系统。
对于这种形式，最有效的方法就是加入去耦电路。
从而很好的抑制。
（2）公共阻抗耦合：这也是常见的耦合方式，这种形式常常发生在两个电路电流有共同通路的情况。
为了防止这种耦合，通常在电路设计上就要考虑。
使干扰源和被干扰对象间没有公共阻抗。
（3）电容耦合：又称电场耦合或静电耦合。
是由于分布电容的存在而产生的耦合。
（4）电磁感应耦合：又称磁场耦合。
是由于分布电磁感应而产生的耦合。
（5）漏电耦合：这种耦合是纯电阻性的，在绝缘不好时就会发生。
接地抗干扰技术
接地抗干扰技术的主要内容，其一是避开地环电流的干扰；其二是降低公共地线阻抗的耦合干扰。
“一点接地”有效地避开了地环电流；而在“一点接地”前提下，并联接地则是降低公共地线阻抗的耦合干扰的有效措施；它们是工业控制系统采用的最基本的接地方法。
然而，工业控制系统接地的含义不一定就是接大地。
例如直流接地只是定义电路或系统的基准电位。
它可以悬浮，但要求与大地严格绝缘。
通常，其绝缘电阻要达到50 MΩ以上。
直流地悬浮隔离了交流地网的干扰，经济简便，工程中经常使用。
直流地悬浮的缺点是机器容易带静电，如果该静电电位过高，会损坏器件，击伤操作人员等等；而且，如果这时直流地与大地的绝缘电阻减小，可能会产生很多原先没有想到的干扰。
直流地接大地，按照国家标准，要埋设一个不大于4Ω的独立接地体。
但无论直流地悬浮或者接大地，直流地与大地之间的电位都存在着间接或者直接的关系。
工业控制机所操作的各种输入输出信号之间接地是否合理，不只是形成相互耦合干扰的问题，有时还危及计算机系统的安全。
在实际的工业控制系统中，各种通道的信号频率大多在１MHz内，属于低频范围。
因此，本文只涉及低频范围的接地讨论。
1、串联接地和并联接地在图4（a）所示意的串联接地方式中，电路1、2、3各有一个电流i1、i2、i3流向接地点。
由于地线存在电阻，因此，A、B、C点的电位不再是零，于是各个电路间相互发生干扰。
尤其是强信号电路将严重干扰弱信号电路。
如果必须要这样使用，应当尽力减小公共地线的阻抗，使其能达到系统的抗干扰容限要求。
串联的次序是，最怕干扰的电路的地接Ａ点，而最不怕干扰的电路的地应当接Ｃ点。
但工业控制机中的模拟通道和数字通道不能这样串联接地。
应当按照图4（b）所示意的并联接地方式使用。
并联接地中各个电路的地电位只与其自身的地线阻抗和地电流有关，互相之间不会造成耦合干扰。
因此，有效地克服了公共地线阻抗的耦合干扰问题，工业控制机应当尽量采用并联接地方式。
抗干扰技术
抗干扰技术总结1、概述电磁兼容性设计（EMC：electromagnetic compatibility）包括如下含义：1.设备或系统具有抵抗给定电磁干扰的能力；2. 设备或系统具有不产生超过限度的电磁干扰的能力。
干扰的基本要素有三个：（1）干扰源，指产生干扰的元件、设备或信号，用数学语言描述如下：du/dt，d i/dt大的地方就是干扰源。
如：雷电、继电器、可控硅、电机、高频时钟等都可能成为干扰源。
（2）传播路径，指干扰从干扰源传播到敏感器件的通路或媒介。
典型的干扰传播路径是通过导线的传导和空间的辐射。
（3）敏感器件，指容易被干扰的对象。
如：A/D、D/A变换器，单片机，数字IC，弱信号放大器等。
干扰耦合传播途径：传导干扰；辐射干扰。
抗干扰设计的基本原则：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。
主要手段：接地；屏蔽和隔离；滤波和吸收。
2、干扰耦合途径2.1 传导耦合传导耦合是骚扰源与敏感设备之间的主要耦合途径之一。
传导耦合必须在骚扰源与敏感设备之间存在有完整的电路连接，电磁骚扰沿着这一连接电路从骚扰源传输电磁骚扰至敏感设备，产生电磁干扰。
按其耦合方式可分为电路性耦合、电容性耦合和电感性耦合。
在开关电源中，这三种耦合方式同时存在，互相联系。
⑴电路性耦合电路性耦合是最常见、最简单的传导耦合方式。
其又有以下几种：①直接传导耦合导线经过存在骚扰的环境时，即拾取骚扰能量并沿导线传导至电路而造成对电路的干扰。
②共阻抗耦合由于两个以上电路有公共阻抗，当两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路的电流在该公共阻抗上形成的电压就会影响到另一个电路，这就是共阻抗耦合。
形成共阻抗耦合骚扰的有：电源输出阻抗、接地线的公共阻抗等。
⑵电容性耦合电容性耦合也称为电耦合，由于两个电路之间存在寄生电容，使一个电路的电荷通过寄生电容影响到另一条支路。
⑶电感性耦合电感性耦合也称为磁耦合，两个电路之间存在互感时，当干扰源是以电源形式出现时，此电流所产生的磁场通过互感耦合对邻近信号形成干扰。
抗干扰技术
抗干扰技术•定义：抗干扰技术就是研究干扰的产生根源、干扰的传播方式和避免被干扰的措施（对抗）等问题。
机电一体化系统的设计中，既要避免被外界干扰，也要考虑系统自身的内部相互干扰，同时还要防止对环境的干扰污染。
国家标准中规定了电子产品的电磁辐射参数指标。
•外部干扰由使用条件和外部坏境因素决定。
外部坏境有：天电干扰（雷电或大气电离作用以及其他气象引起的干扰电波）天体干扰（太阳和其他星球辐射的电磁波）电气设备的干扰（广播电台或通讯发射台发出的电磁波）瞬变过程的设备也会产生较大的干扰（荧光灯、开关等）内部干扰则是由系统的结构布局、制造工艺所引入的有：分布电容、分布电感引起的耦合感应元器件产生的噪声多点接地造成的点位差引入的干扰等等•传播途径静电耦合：磁场耦合：公共阻抗耦合：发生在两个电路的电流流经一个公共阻抗时，一个电路在该阻抗上的电压降会影响到另一个电路，从而产生干扰噪声的影响•串模干扰的抑制串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰噪声机干扰串联在信号源回路中方法是：采用双绞线和滤波器两种措施双绞线：两根互相绝缘的导线扭绞缠绕组成，为了增强抗干扰能力，可在双绞线的外面加上金属编织或护套形成屏蔽双绞线引入滤波电路•共模干扰的抑制共模干扰是指计算机控制系统输入通道中信号放大器两个输入端上共有的干扰电压方法：采用变压器来隔离“模拟地”和”数字地•长线传输干扰的抑制方法：始端阻抗匹配•抗干扰的措施：提高抗干扰的措施最理想的方法是抑制干扰源，使其不向外产生干扰或将其干扰影响限制在允许的范围之内。
由于车间现场干扰源的复杂性，要想对所有的干扰源都作到使其不向外产生干扰，几乎是不可能的，也是不现实的。
另外，来自于电网和外界环境的干扰，机电一体化产品用户环境的干扰源也是无法避免的。
因此，在产品开发和应用中，除了对一些重要的干扰源，主要是对被直接控制的对象上的一些干扰源进行抑制外，更多的则是在产品内设法抑制外来干扰的影响，以保证系统可靠地工作。
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通常干扰都是通过公共回路或公共阻抗，引入到测量回路中的。当 两个以上不同电路的电流流过公共阻抗时，就出现共阻抗干扰耦合。
电路1
电路2
地电流1 电路1 地电位
共地阻抗
地电流2 电路2 地电位
I1 + I2
I1
共线阻抗
I2
电路1
电
源
共线阻抗
电路2
共地阻抗耦合
电源共线阻抗耦合
荧光灯或弧光灯是基于放电原理发光的，其工作时阳极和阴极之 间会产生高频振荡，频率一般在几千赫兹左右。
§ 5.2 电磁干扰的耦合路径
干扰源与测量设备间的 耦合途径
传导耦合 辐射耦合
5.2.1. 传导耦合
传导耦合是导体之间及元件之间的主要干扰耦合方式，分为共阻 抗耦合、电感应耦合和磁感应耦合。传导耦合可以通过电源线、信号线、 接地导体进行耦合。
I1
U1 ~
假设干扰源电压为U1，导线2
R1
R3 为测量回路。则因干扰源在测量
回路中产生的噪声电压Un ，可用
下式表示
M12 I2
R2
Un
jM12 I1
M12
dI1 dt
Hale Waihona Puke 上式中M12为线路1、2间的互感。
也可以用由回路1产生的磁通密度在回路2 中引起的感生电势来表示。
Un
d dt
BdA
A
如果磁通也随时间正弦变化，同时测量回路是固定的，则整个环 路面积恒定。则有
各种冲击波产生的高频电流脉冲
设备热噪声
地网中的噪声
设备动力电源线、继电保护线路以及各
种信号线路耦合进入的随机噪声
电力现场电磁干扰分类表
主要 瞬态干扰源
1）开关动作 当开关动作时回路电流迅速变化，di/dt非常大，在带有电感线圈
的开关设备中会产生幅值很高的电压脉冲。如电焊机、电动机启动过 程和高压开关动作等。频率范围0.15~150MHz，通常由电源线传播。 2）整流装置
RS RL Zg
Un
Un
Un'
RL ( I2
I
' 2
)
US Zg RS
可见，测量回路中的干扰电压是干扰源电压、公共阻抗和干扰耦 合电阻的函数。
电路1
电路2
电路3
I1
Z1
U1
I2
Z2
U2
I3
Z3
U3
U1 ( I1 I2 I3 )Z1 U2 ( I1 I2 I3 )Z1 ( I2 I3 )Z2 U1 ( I1 I2 I3 )Z1 ( I2 I3 )Z2 I3Z3
C1g
C2g
Un
j[C12 j 1
(C12 C2g R(C12 C2
)] g)
U1
R
当 测量线路对地阻抗较小时，即
R
1
j(C12 C2g )
，则有
Un jRC12U1
上式是讨论两导线间容性耦合的最重要公式。它表明当测量电路 对地电阻较小时，噪声电压正比于干扰源的频率和幅值、测量电路对 地电阻以及测量回路与干扰回路间的耦合电容。
电磁干扰的基本要素
干扰源
耦合途径
测量系统
§ 5.1 电磁干扰源
确定电磁环境是实施电磁兼容的前提。电磁环境是各 种电磁干扰源的总和。
音频噪声
传导射频干扰
16Hz 1250Hz 20 kHz
50Hz
2kHz
150kHz
50MHz 300MHz 1GHz
分谐波
谐波
音频与射频 间的干扰
辐射干扰
连续的周期型干扰 （窄带干扰）
所有独立电路的地通过串联连接，这对噪声来说是一种最不希望 的共地系统。任一个电路电流的变化都会对其他电路产生影响。
2. 电容性传导耦合（电感应耦合）
干扰源与测量电路间通过分布电容产生的干扰耦合方式。
U1 ~
假设干扰源电压为U1，导线2为
C12
测量回路。则因干扰源在测量回路中
Un 产生的噪声电压Un ，可用下式表示
与开关过程类似，整流过程将产生瞬态短路电流，干扰频率范围 较宽。 3）点火装置
机动车辆都装有火花点火装置,放电电流峰值约200A，放电时间
通常在s内，峰值电压高达10kV。所产生的干扰前沿极陡，在
10~100MHZ范围内是最强的瞬态干扰源之一。 4）高压输电线
主要为电晕放电，主要为随机干扰，频谱在兆赫兹以下。 5）照明装置
Rs
I1
I2
I2’
US
~U
~
Un
U~
Un’
RL
RL
Ig
Ug
Zg
Zg
Ug (I1 I2' )Zg
U I2 (RL Z g )
Un
I 2 RL
URL RL Zg
Us I1Rs (I1 I2' )Zg
U I2' RL (I1 I2' )Zg
I
' 2
U(Rs Zg ) Us Zg RLRS ( RL RS )Zg
降低容性耦合干扰的方法
假定干扰源的强度和频率是不变的，那么降低容性耦合可归结为 减小以下两个参数：
使测量回路尽可能在较低的电阻值上工作；
尽可能减小回路间耦合电容C12 ，这可以通过导线本身的方向性、 屏蔽或分隔来实现 。
3. 电感性传导耦合（磁感应耦合）
干扰源与测量回路间通过互感产生的干扰耦合方式。
抗干扰技术之 干扰耦合与接地
EMC
什么是电磁干扰？
电磁干扰是指由于电磁环境引起的设备、传输通道或 系统性能的下降。电磁干扰的频谱很宽，可以覆盖 0~40GHz频率范围，电磁污染已和水源、大气受到的污染 一样，正引起世界范围的关注。
从测量的角度，干扰和信号是相对的。
电磁干扰的危害
电磁干扰
能量型干扰 信号型干扰
造成测量仪器性能下降 导致机电设备和控制装置误动作 导致元器件烧毁或击穿 电爆装置、易燃材料等意外触发或点燃。
在线监测中抗干扰的重要性
1. 强电磁干扰下的微弱信号检测 2. 高电压下的测量设备的安全（运行电压高、故障冲 击电流大） 3. 信号传输距离长 4. 灵敏度与抗干扰能力之间的矛盾。
U1 ~
C12 Un
C1g
C2g
R
Un In
R
相当于在线路2中产生了一个幅度为 In jC12U1 的干扰电流源。
当 测量线路对地阻抗较大时，即
R
1
j(C12 C2g )
，则有
Un
C12 C12 C2 g
U1
在这种情况下，测量电路产生的噪声电压是由电容分压器C12和C2g 引起的，与频率无关。而且与前一种情况相比，此时的噪声电压要大 得多。
系统高次谐波 载波通讯 无线电通讯干扰 高频保护
现
场
脉冲型干扰
电
（宽带干扰）
磁
干
扰
白噪 （宽带干扰）
周期性 脉冲干扰
电力电子器件动作产生的高频涌流 （可控硅整流、静止无功补偿器等）
高压线路上的电晕放电
随机性
其它电气设备的内部放电
脉冲干扰
分接开关动作产生的放电
电机启动产生的电弧放电
接触不良或悬浮电极放电