摘要:文章結(jié)合我國(guó)居民生活水平不斷提高的現(xiàn)狀,闡述了現(xiàn)代住宅中智能家居系統(tǒng)對(duì)瞬態(tài)干擾防護(hù)的必要性,論述了智能家居系統(tǒng)的主要干擾途徑及其抑制措施。

  關(guān)鍵詞:智能家居瞬態(tài)干擾干擾途徑抑制措施

  1、智能家居系統(tǒng)瞬態(tài)干擾防護(hù)的必要性

  瞬態(tài)干擾指交流電網(wǎng)上出現(xiàn)的浪涌電壓、振鈴電壓、火花放電等瞬間干擾信號(hào),其特點(diǎn)是作用時(shí)間極短,但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大。瞬態(tài)干擾會(huì)造成控制系統(tǒng)的電源電壓的波動(dòng);當(dāng)瞬態(tài)電壓疊加在控制系統(tǒng)的輸入電壓上,使輸入智能家居系統(tǒng)的電壓超過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部器件的極限電壓時(shí),便會(huì)損壞智能家居系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)備,因此必須采用抑制措施。

  靜電放電(ESD)和電快速瞬變脈沖群(EFT)對(duì)智能家居系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生不同程度的危害。靜電放電在5~200MHz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的射頻輻射。此輻射能量的峰值經(jīng)常在35~45MHz之間發(fā)生自激振蕩。許多信息傳輸電纜的諧振頻率也通常在這個(gè)頻率范圍內(nèi),結(jié)果電纜中便串入了大量的靜電放電輻射能量。電快速瞬變脈沖群也產(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的輻射發(fā)射,從而耦合到電纜和機(jī)殼線路。當(dāng)電纜暴露在4~8kV靜電放電環(huán)境中時(shí),信息傳輸電纜終端負(fù)載上可以測(cè)量到的感應(yīng)電壓可達(dá)到600V,這個(gè)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了典型數(shù)字電子設(shè)備的限電壓值0.4V,典型的感應(yīng)脈沖持續(xù)時(shí)間大約為400納秒。

  家居電子設(shè)備在使用中經(jīng)常會(huì)遇到意外的電壓瞬變和浪涌,從而導(dǎo)致電子設(shè)備的損壞,損壞的原因是電子設(shè)備中的半導(dǎo)體器件(包括二極管、晶體管、可控硅和集成電路等)被燒毀或擊穿。據(jù)統(tǒng)計(jì),電子設(shè)備的故障有75%是由于瞬變和浪涌造成的。電壓的瞬變和浪涌無(wú)處不在,電網(wǎng)、雷擊、爆破,就連人在地毯上行走都會(huì)產(chǎn)生上萬(wàn)伏的靜電感應(yīng)電壓,這些都是電子設(shè)備的隱形殺手。因此,為了提高電子設(shè)備的可靠性和人體自身的安全性,必須對(duì)電壓瞬變和浪涌采取防護(hù)措施。

  1.1家居電子設(shè)備防電壓瞬變浪涌要求

  1.1.1耐壓要求

  當(dāng)瞬間電壓超過(guò)電子設(shè)備的絕緣耐壓值時(shí),其安全性能會(huì)降低,甚至被毀。因而電子設(shè)備的瞬間過(guò)電壓應(yīng)該小于其絕緣耐壓值,正常的工作電壓應(yīng)小于保護(hù)電壓。

  1.1.2過(guò)流保護(hù)要求

  電子設(shè)備的過(guò)流能力一般設(shè)計(jì)為額定電流的1.5~2倍,以此為標(biāo)準(zhǔn)選擇電子元器件。如額定電流為0.22A的計(jì)算機(jī)其最大過(guò)流能力約為0.45A,當(dāng)電流大于該值時(shí),電子設(shè)備所選用的電子元器件將會(huì)燒壞而無(wú)法正常工作,因而應(yīng)該保證到達(dá)電子設(shè)備的瞬間過(guò)電流小于其額定電流的1.5~2倍。

  1.1.3動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的要求

  電子設(shè)備在設(shè)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)采用了許多保護(hù)器件,如快熔器、壓敏電阻、空氣開(kāi)關(guān)、繼電保護(hù)器件等,每種保護(hù)器件都有特有的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間(如空氣開(kāi)關(guān)、繼電保護(hù)器件其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約在200ms左右),而每種電子設(shè)備也有其保護(hù)響應(yīng)時(shí)間,因而流過(guò)電子設(shè)備的浪涌瞬態(tài)時(shí)間應(yīng)該大于電子設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間,避免保護(hù)器件來(lái)不及響應(yīng)而使浪涌通過(guò)電子設(shè)備。

  1.1.4接地保護(hù)要求

  電子設(shè)備在安裝時(shí),應(yīng)做到良好接地,否則雷電所產(chǎn)生的浪涌能量將不能有效地對(duì)地泄放而擊毀器件。接地線在瞬間遭受浪涌以電感方式存在,其典型值為1μH/m,接地線上的壓降為U1=L×di/dt.對(duì)于1.5m長(zhǎng)的接地線L≈1.5μH,雷電在瞬間(如100μs)產(chǎn)生的幾百安培(500A)浪涌脈沖,其di/dt=5×106A/s,此時(shí)接地線上的壓降U1=L×di/dt=1.5×10-6×5×106=7.5V,設(shè)備將承受500A×7.5V=3750W的浪涌能量,該能量將可能損傷或毀壞大部分電子設(shè)備。因此,對(duì)電子設(shè)備作可靠的接地保護(hù),能使到達(dá)電子設(shè)備外殼的電壓較小,起到安全保護(hù)的作用。但僅作接地保護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,還必須加裝浪涌保護(hù)裝置。因?yàn),外界侵入的浪涌能量將首先通過(guò)電子設(shè)備再對(duì)地泄放,這樣流經(jīng)電子設(shè)備的浪涌電流基本不變,其能量有可能很大,電子設(shè)備仍有可能被損壞,因此接地保護(hù)對(duì)于電子設(shè)備而言只能是一種輔助性保護(hù)。

  2、智能家居系統(tǒng)中的主要干擾途徑

  產(chǎn)生干擾必須具備三個(gè)條件:干擾源、干擾通道、易受干擾設(shè)備。

  干擾源分為內(nèi)部和外部。內(nèi)部主要是裝置原理和產(chǎn)品質(zhì)量等。外部主要由使用條件和環(huán)境因素決定,如工作電源直流回路受開(kāi)關(guān)操作和天氣影響等而引起的浪涌電壓,強(qiáng)電場(chǎng)或強(qiáng)磁場(chǎng)以及電磁波輻射等。

  干擾通道有傳導(dǎo)耦合、公共阻抗耦合和電磁耦合三種。外部主要通過(guò)分布電容的電磁耦合傳到內(nèi)部;內(nèi)部則三種均有。

  由于設(shè)備采用的敏感元件的選用和結(jié)構(gòu)布局等不盡合理,造成本身抗干擾能力差,對(duì)干擾加以抑制,降低其幅度,減少其影響力,這是從外部環(huán)境上加以改善。

  2.1干擾途徑

  感應(yīng)雷可由靜電感應(yīng)產(chǎn)生,也可由電磁感應(yīng)產(chǎn)生,形成感應(yīng)雷電壓的機(jī)率很高,對(duì)建筑物內(nèi)的電子設(shè)備威脅巨大,家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的防雷工作重點(diǎn)是防止感應(yīng)雷入侵。入侵家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的雷電過(guò)電壓過(guò)電流主要有以下三個(gè)途徑。

  2.1.1由交流電220V電源供電線路入侵

  智能家居系統(tǒng)的電源由電力線路輸入室內(nèi),電力線路可能遭受直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷擊中高壓電力線路,經(jīng)過(guò)變壓器耦合到220V低壓,入侵家居智能系統(tǒng)供電設(shè)備,另外,低壓線路也可能被直擊雷擊中或被感應(yīng)雷過(guò)電壓。在220V電源線上出現(xiàn)的雷電過(guò)電壓平均可達(dá)10000V,對(duì)家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可造成毀滅性打擊。電源干擾復(fù)雜性中眾多原因之一就是包含著眾多的可變因素,電源干擾可以以“共模”或“差模”方式存在。“共模”干擾是指電源線與大地,或中性線與大地之間的電位差。“差模”干擾存在于電源相線與中性線之間。對(duì)三相電源來(lái)講,還存在于相線與相線之間。電源干擾復(fù)雜性中的第二個(gè)原因是干擾情況可以從持續(xù)周期很短暫的尖峰干擾到全失電之間的變化。電源干擾的類(lèi)型見(jiàn)表1,電源干擾進(jìn)入設(shè)備的途徑包括電磁耦合、電容耦合及直接進(jìn)入三種。

  2.1.2由智能家居系統(tǒng)傳輸線路入侵

  可分為三種情況:

 。1)當(dāng)?shù)孛嫱怀鑫镌庵睋衾状驌魰r(shí),強(qiáng)雷電壓將鄰近土壤擊穿,雷電流直接入侵到電纜外皮,進(jìn)而擊穿外皮,使高壓入侵線路;

 。2)雷云對(duì)地面放電時(shí),在線路上感應(yīng)出上千伏的過(guò)電壓,擊壞與線路相連的電器設(shè)備,通過(guò)設(shè)備連線侵入通信線路。這種入侵沿通信線路傳播,涉及面廣,危害范圍大;

 。3)若通過(guò)一條多芯電纜連接不同來(lái)源的導(dǎo)線或者多條電纜平行鋪設(shè),當(dāng)某一導(dǎo)線被雷電擊中時(shí),會(huì)在相鄰的導(dǎo)線感應(yīng)出過(guò)電壓,擊壞低壓電子設(shè)備。

  2.1.3地電位反擊電壓通過(guò)接地體入侵

  雷擊時(shí)強(qiáng)大的雷電流經(jīng)過(guò)引下線和接地體泄入大地,在接地體附近放射型的電位分布,若有連接電子設(shè)備的其他接地體靠近,即產(chǎn)生高壓地電位反擊,入侵電壓可高達(dá)數(shù)萬(wàn)伏。建筑物防直擊雷的避雷引入了強(qiáng)大的雷電流通過(guò)引下線入地,在附近空間產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)變化,會(huì)在相鄰的導(dǎo)線包括電源線和信號(hào)線 上感應(yīng)出雷電過(guò)電壓,因此建筑物避雷系統(tǒng)不但不能保護(hù)計(jì)算機(jī),反而可能引入了雷電。家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等設(shè)備的集成電線芯片耐壓能力很弱,通常在100V以下,因此必須建立多層次的計(jì)算機(jī)防雷系統(tǒng),層層防護(hù),確保計(jì)算機(jī)特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全。

  2.2耦合機(jī)制

  雷電沖擊影響家居電子設(shè)備構(gòu)成系統(tǒng)的耦合機(jī)制有下面幾種。

  2.2.1電阻耦合

  雷電放電將使受影響的物體相對(duì)于遠(yuǎn)端地的電位上升高達(dá)幾百千伏,地電位升高形成的電流將分布到設(shè)備的金屬部分,如連接到系統(tǒng)參考點(diǎn)數(shù)據(jù)線和電源電線。電纜屏蔽層的電流在屏蔽層與芯線之間引起過(guò)電壓,其數(shù)值與傳輸阻抗成正比例。

  2.2.2磁耦合

  在導(dǎo)體上流通的或處在雷電通道的雷電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),在幾百米范圍內(nèi),可以認(rèn)為磁場(chǎng)的時(shí)間變化率與雷電電流時(shí)間變化率相同。然而,磁場(chǎng)經(jīng)常被建筑材料和周?chē)奈矬w所衰減和改變。磁場(chǎng)的變化會(huì)在室內(nèi)外電纜設(shè)備上產(chǎn)生感應(yīng)電流和電壓。

  2.2.3電耦合

  雷電通道下端的電荷會(huì)在附近產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng),它對(duì)鞭狀天線設(shè)備有影響,而對(duì)于建筑物內(nèi)部電場(chǎng)干擾一般可以忽略。

  2.2.4電磁耦合

  遠(yuǎn)距離雷電放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)在大范圍的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)上感應(yīng)出過(guò)電壓,這種干擾會(huì)傳導(dǎo)到接口上,但這種情況下,直接輻射的電磁場(chǎng)很難對(duì)建筑物內(nèi)的家居電子設(shè)備造成破壞。

  3、智能家居系統(tǒng)干擾的抑制措施

  根據(jù)IEC61312標(biāo)準(zhǔn),家居電子設(shè)備應(yīng)設(shè)置多級(jí)防雷保護(hù)措施,一般為三級(jí)配置。由于雷電流主要是由首次雷擊電流和后續(xù)雷擊電流所組成,因此,雷電過(guò)電壓的保護(hù)必須同時(shí)考慮到如何抑制(或分流)首次雷擊電流和后續(xù)雷擊電流。在采取多級(jí)保護(hù)措施的同時(shí),還必須考慮各級(jí)之間的能量配合和解耦措施。家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的防雷可采用兩種措施,即外部防雷和內(nèi)部防雷。外部防雷可將絕大部分雷電流直接引入地下泄散;內(nèi)部防雷可阻塞沿電源或信號(hào)線所引入的雷電波。這兩道防線,互相配合,各盡其職,缺一不可。

  按照防護(hù)范圍,可將智能家居系統(tǒng)電子設(shè)備的防雷措施分為兩類(lèi),外部防護(hù)和內(nèi)部防護(hù)。外部防護(hù)是指對(duì)安裝電子設(shè)備的建筑物本體的安全防護(hù),可采用避雷針、分流、屏蔽網(wǎng)、均衡電位、接地等措施,這種防護(hù)措施人們比較重視、比較常見(jiàn),相對(duì)完善。內(nèi)部防護(hù)是指在建筑物內(nèi)部電子設(shè)備對(duì)過(guò)電壓(雷電或電源系統(tǒng)內(nèi)部過(guò)電壓)的防護(hù),其措施有:等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、保護(hù)隔離、合理布線和設(shè)置過(guò)電壓保護(hù)器等措施,這種措施相對(duì)來(lái)說(shuō)是比較新的辦法,也不夠完善,下邊對(duì)弱電設(shè)備防雷進(jìn)行探討,主要對(duì)雷電浪涌及地電位差的防護(hù)提出一些看法。

  3.1智能家居系統(tǒng)電子設(shè)備的外部防護(hù)

  外部防雷主要指建筑物的防雷,一般是防護(hù)直擊雷,它是防雷技術(shù)革新的主要組成部分,其技術(shù)措施可分接閃器(避雷針、避雷帶、避雷網(wǎng)等金屬接閃器)、引下線、接地體和法拉第籠等。系統(tǒng)設(shè)備的外部防護(hù)首先是使用建筑物的避雷針將主要的雷電流引入大地;其次是在將雷電流引入大地時(shí)盡量將雷電流分流,避免造成過(guò)電壓危害設(shè)備;第三是利用建筑物中的金屬部件以及鋼筋可以作為不規(guī)則的法拉第籠,起到一定的屏蔽作用,如果建筑物中的設(shè)備是低壓電子邏輯系統(tǒng)、遙控、小功率信號(hào)電路的電器,則需要加裝專(zhuān)門(mén)的屏蔽網(wǎng),在整個(gè)屋面組成不大于5m×5m或6m×4m的網(wǎng)格,所有均壓環(huán)采用避雷帶等電位連接;第四是建筑物各點(diǎn)的電位均衡,避免由于電位差危害設(shè)備;第五是保障建筑物有良好的接地,降低雷擊建筑物時(shí)接點(diǎn)電位,避免損壞設(shè)備。

  接地電阻應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),一般為4Ω。對(duì)某些設(shè)備制造廠商有特殊接地要求,將直流地與其它6個(gè)接地類(lèi)型分開(kāi)以避免電磁干擾和零地電位升高。但當(dāng)有雷電對(duì)地泄放時(shí),高電壓將通過(guò)直流地反擊設(shè)備。因此,對(duì)于這種情況宜在防雷地和直流地之間加裝地電位均衡器,避免反擊現(xiàn)象。

  3.2智能家居系統(tǒng)設(shè)備的內(nèi)部保護(hù)

  內(nèi)部防雷系統(tǒng)主要是對(duì)建筑物內(nèi)易受過(guò)電壓破壞的設(shè)備加裝過(guò)壓保護(hù)裝置,在設(shè)備受到過(guò)電壓侵襲時(shí),保護(hù)裝置能快速動(dòng)作泄放能量,從而保護(hù)設(shè)備免受損壞。內(nèi)部防雷分為電源防雷和信號(hào)防雷。

  從EMC(電磁兼容)的觀點(diǎn)來(lái)看,防雷保護(hù)由外到內(nèi)應(yīng)劃分為多級(jí)保護(hù)區(qū)。最外層為0級(jí),是直接雷擊區(qū)域,危險(xiǎn)性最高,主要是由外部(建筑)防雷系統(tǒng)保護(hù),越往里則危險(xiǎn)程度越低。保護(hù)區(qū)的界面劃分主要通過(guò)防雷系統(tǒng)、鋼筋混凝土及金屬管道等構(gòu)成的屏蔽層形成,從0級(jí)保護(hù)區(qū)到最內(nèi)層保護(hù)區(qū),必須實(shí)行分層多級(jí)保護(hù),從而將過(guò)電壓降到設(shè)備能承受的水平。一般而言,雷電流經(jīng)傳統(tǒng)避雷裝置后約有50%是直接泄入大地,還有50%將平均流入各電氣通道(如電源線,信號(hào)線和金屬管道等)。

  隨著家居電子設(shè)備的大規(guī)模使用,雷電以及操作瞬間過(guò)電壓造成的危害越來(lái)越嚴(yán)重。以往的防護(hù)體系已不能滿足智能家居網(wǎng)絡(luò)安全的要求。應(yīng)從單純一維防護(hù)轉(zhuǎn)為三維防護(hù),包括:防直擊雷、防感應(yīng)雷電波侵入、防雷電電磁感應(yīng)、防地電位反擊以及操作瞬間過(guò)電壓影響等多方面作系統(tǒng)綜合考慮。

  多級(jí)分級(jí)(類(lèi))保護(hù)原則:即根據(jù)電氣、電子設(shè)備的不同功能及不同受保護(hù)程序和所屬保護(hù)層確定保護(hù)要點(diǎn)作分類(lèi)保護(hù);根據(jù)雷電和操作瞬間過(guò)電壓危害的可能通道從電源線到數(shù)據(jù)通信線路都應(yīng)做多級(jí)層保護(hù)。

  3.2.1電源部分防護(hù)

  家居電子設(shè)備的電源雷電侵害主要是通過(guò)線路侵入。高壓部分有專(zhuān)用高壓避雷裝置,電力傳輸線把對(duì)地的電壓限制到小于6000V(IEEEEC62.41),而線對(duì)線則無(wú)法控制。所以,對(duì)380V低壓線路應(yīng)進(jìn)行過(guò)電壓保護(hù),按國(guó)家規(guī)范應(yīng)有三部分:建議在高壓變壓器后端到二次低壓設(shè)備的總配電盤(pán)間的電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對(duì)地加避雷器或保護(hù)器,作一級(jí)保護(hù);在二次低壓設(shè)備的總配電盤(pán)至二次低壓設(shè)備的配電箱間電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器保護(hù)器,作二級(jí)保護(hù);在所有重要的、精密的設(shè)備以及UPS的前端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器或保護(hù)器,作為三級(jí)保護(hù)。目的是用分流(限幅)技術(shù)即采用高吸收能量的分流設(shè)備(避雷器)將雷電過(guò)電壓(脈沖)能量分流泄入大地,達(dá)到保護(hù)目的。所以,分流(限幅)技術(shù)中采用防護(hù)器的品質(zhì)、性能的好壞是直接關(guān)系網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的關(guān)鍵,因此,選擇合格優(yōu)良的避雷器或保護(hù)器至關(guān)重要。

  電源防雷系統(tǒng)主要是防止雷電波通過(guò)電源線路對(duì)計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備造成危害。為避免高電壓經(jīng)過(guò)防雷器對(duì)地泄放后的殘壓或因更大的雷電流在擊毀防雷器后繼續(xù)毀壞后續(xù)設(shè)備,以及防止線纜遭受二次感應(yīng),依照有關(guān)防雷工程試行草案,應(yīng)采取分級(jí)保護(hù)、逐級(jí)泄流的原則。一是在大樓電源的總進(jìn)線處安裝放電電流較大的一級(jí)電源防雷器,二是在重要樓層或重要設(shè)備電源的進(jìn)線處加裝二級(jí)或三級(jí)電源防雷器。為了確保遭受雷擊時(shí),高電壓首先經(jīng)過(guò)一級(jí)電源防雷器,然后再經(jīng)過(guò)二級(jí)電源防雷器,一級(jí)電源防雷器和二級(jí)電源防雷器之間的距離要大于10~15m,如果兩者間距不夠,可采用帶線圈的防雷箱,這樣可以避免二級(jí)電源防雷器首先遭受雷擊而損壞。

  3.2.2信號(hào)部分保護(hù)

  對(duì)于智能家居系統(tǒng),應(yīng)分為粗保護(hù)和精細(xì)保護(hù)。粗保護(hù)量級(jí)根據(jù)所屬保護(hù)區(qū)的級(jí)別確定,精細(xì)保護(hù)要根據(jù)電子設(shè)備的敏感度來(lái)進(jìn)行確定。

  由于雷電波在線路上能感應(yīng)出較高的瞬時(shí)沖擊能量,因此要求網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備能夠承受較高能量的瞬時(shí)沖擊,而目前大部分設(shè)備由于電子元器件的高度集成化而使耐過(guò)電壓、耐過(guò)電流水平下降,必須在網(wǎng)絡(luò)通信接口處加裝必要的防雷保護(hù)裝置以確保網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

  對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行防雷保護(hù),選取適當(dāng)保護(hù)裝置非常重要,應(yīng)充分考慮防雷產(chǎn)品與通信系統(tǒng)的匹配。對(duì)于信息系統(tǒng),應(yīng)分為粗保護(hù)和精細(xì)保護(hù)。粗保護(hù)量級(jí)根據(jù)所屬保護(hù)區(qū)的級(jí)別確定,精細(xì)保護(hù)要根據(jù)電子設(shè)備的敏感度來(lái)進(jìn)行確定。

  3.2.3 接地處理

  一定要求有一個(gè)良好的接地系統(tǒng),因?yàn)樗蟹览紫到y(tǒng)都需要通過(guò)接地系統(tǒng)把雷電流泄入大地,從而保護(hù)設(shè)備和人身安全。如果機(jī)房接地系統(tǒng)做得不好,不但會(huì)引起設(shè)備故障,燒壞元器件,嚴(yán)重的還將危害工作人員的生命安全。另外還有防干擾的屏蔽問(wèn)題,防靜電的問(wèn)題都需要通過(guò)建立良好的接地系統(tǒng)來(lái)解決。