建筑環境電磁兼容技術的研究

岳云濤 / 汪 蘇 / 李炳華 / 宋鎮江

1.北京建筑大學， 北京 100044

2.悉地 (北京)國際建筑設計顧問有限公司， 北京 100013

1 引言

電磁污染已被世界公認為是繼水質污染、大氣污染、噪聲污染之后的第四大污染，治理恢復非常困難。1975專家曾預言，隨著大量的電子設備進入家庭，建筑環境空間人為電磁能量每年增長10%左右。50年后建筑環境電磁能量密度可增加700倍，如不采取檢測及治理措施，21世紀建筑電磁環境惡化將會非常嚴重，建筑環境電磁兼容問題已經成為建筑行業人士需要思考和探討的重要課題。

建筑環境電磁兼容是指電氣設備受建筑電磁環境影響能夠正常工作的能力，而且不應對該建筑環境中其他電氣設備產生電磁干擾，近年來電磁兼容問題在建筑設計和施工中并沒有引起足夠的重視。

電磁擾動有自然界和人為產生的兩種擾動，電磁擾動主要通過傳導和輻射方式傳播。在建筑環境中，電磁擾動主要來自高壓電力線及設備、電力電子設備、電網電壓波動、大容量負荷的啟動和停止、弱電系統設備等。

近年來，在智能建筑物中增加了各種用電設備，在一幢大樓的有限空間范圍內集中了變配電設備、通訊設備、辦公自動化等設備，強和弱電系統之間產生了很強的電磁干擾。有時導致了開關的誤動作、檢測信號錯誤產生的誤報等事故。

基于上述過程，對建筑環境電磁兼容狀況進行測試是必要的，目前存在多種EMC測試場地，但他們基本上是針對某一類設備進行檢測，存在很大局限性，無法對建筑環境復雜的電磁兼容狀況進行檢測和評估。因此，研究和建立既能對高低壓電器設備和變頻裝置進行檢測，又能對復雜的電磁環境進行測試和評估的綜合電磁兼容暗室非常必要。

2 EMC測試場地

目前EMC測試場地有以下幾種：

1)緊縮預測式電波暗室

該暗室主要用于測試電氣設備的抗擾度，暗室占用空間比較小，一般尺寸約為4.6m×2.5m×2.75m。造價較低，比較便于拆卸和安裝，也易于改造和升級到更大空間的暗室。經常為小規模企業采用。

2)小規模電波暗室

該暗室主要進行26MHz～1GHz頻率的發射抗擾度測試，空間大小一般為8m×4m×4m。造價約為100萬元，該暗室較緊縮預測式電波暗室空間尺寸大。

3)3m法電波暗室

該暗室主要用于測試2m以下電氣設備的抗擾度，標準空間尺寸為9m×6m×6m，空間測試靜區一般為1.5m，3m法暗室多采用直徑為1～1.5m的轉臺，造價約為300萬元，該暗室可以有效地替代開闊場。

4)5m法電波暗室

該暗室主要適用于較大體積的電氣設備，一般空間尺寸約為11m×7m×7m。5m法暗室的轉臺多采用2m直徑，空間測試靜區一般為2m，造價約為500萬元。相對于3m法電波暗室，該暗室能夠測試較寬范圍內電氣設備的電磁兼容性能，如圖1和圖2所示。這種暗室推廣和應用的較為廣泛。

5)10m法電波暗室

該暗室適合于特大體積的建筑電氣設備，可以進行干擾及抗擾度測試，標準空間尺寸約為19m×12m×9m。10m法暗室的轉臺多采用3m或4m直徑，空間測試靜區一般為3m，造價約為800萬元。一般來說，在進行汽車等設備測試時才考慮采用10 m法暗室。

混響室的理論是從80年代初出現的，美國Dr.Mike教授的研究成果極大地推動了混響室的發展，混響室技術于90年代已成為電磁兼容測試中的重要組成部分。國際電工委員會(IEC)制定的CISPR16-1，IEC61000-4-3新增附錄及IEC61000-4-21中對混響室都有相關描述。混響室與其他暗室相比具有造價低、測量時間短、能夠模擬復合場等優點。

圖1 5m法半電波暗室天線架及后墻

混響室的性能指標一般采用攪拌強比、場均勻度和場的統計特性來衡量。電磁混響室結構尺寸可以通過下面的計算獲得：

式中 ：N 是模數，l、w、h 分別是混響室空間的長、寬、高，f 表示測試點頻率，c表示光速。混響室空間均勻性與各向一致性隨著模數N的增加而變得更好，一般情況只要N 值大于60 就能夠滿足電磁混響室指標的要求。

混響室的主要優勢就是可以用相對較小的功率獲得高的測量空間場強。由于混響室采用了高的空腔諧振，在模擬復合場方面更具有優勢，比較適用于建筑環境多設備共同工作的情況。

3 電波暗室性能測試方法

1)歸一化場地衰減(NSA)

歸一化場地衰減是檢驗電波暗室測試性能的關鍵指標，是將水平和垂直放置的天線分別與發射源和接收機相連接，場地衰減值就是發射源電壓與接收天線終端電壓的差值。

在試驗空間采用轉臺上方的3個不同高度，每個高度用轉臺的前、后、左、右、中五個不同位置來放置發射天線，測量距離可以為3m、5m 或10m。若測試垂直和水平極化NSA的結果小于4dB，則該場地的NSA指標符合要求。

2)場地電壓駐波比(SVSWR)

將轉臺中心的左側、中心、右側和中心的前側作為測試位置，每個測試位置在40cm直線上選取6個不均勻測試點，每個測試位置的電壓駐波比即為經過測試得到的最大值和最小值之比，測試合格的標準是電壓駐波比值均小于等于6dB。

3)場地均勻性(FU)

場地均勻性主要是依據IEC61000-4-3標準測量電磁輻射敏感度而制定的。選擇轉臺上方0.8m、1.3m、1.8m、2.3m 處 各4個測試點(共16個測試點)進行場強測試，若測試場強在3V/m～10V/m之間，則認為在轉臺上方存在1.5m×1.5m假想垂直平面場強均勻區，滿足磁輻射敏感度測試要求。

4 建筑環境電磁兼容暗室的設計與實施

建筑電氣領域必須順應建筑環境發展的實際需要，探索影響及治理建筑環境的關鍵技術，為建筑環境健康發展提供技術保障。本文設計了一個5m法半電波暗室，效果如圖2所示，主要完成以下任務：

圖2 建筑環境電磁兼容5m法半電波暗室效果圖

1)高低壓開關、變頻器及電機啟動等設備的電磁兼容測試，通過檢測確定產品與IEC61000及GB標準的符合度；

2)建筑電氣強、弱電系統的綜合電磁兼容狀況檢測，確定實驗數據報告，指導建筑照明諧波等標準的制定和修改；

3)檢測不同建筑材料的電傳參數，建筑材料的特性包括傳輸損耗、反射損耗、相對導電性、相對滲透性、衍射損耗、最小衍射入射損耗和最大衍射入射損耗。

4)進行電磁環境測量記錄與回放，利用采集到的各種設備頻譜信息通過不同的天線在暗室中模擬，以達到分析建筑環境電磁兼容綜合能量效應的影響。

5)在暗室中進行建筑環境多設備狀況下的檢測，達到對建筑環境電磁兼容的綜合效能評估，特別提到的是高壓10kV傳輸線采用高壓脈沖電源系統替代，實測替代后效果的程度，該結果用以指導建筑電氣相關標準(如建筑照明諧波)的制定和實施。

6)在暗室中進行多天線系統的設計與實施，以達到系統的實用性，進行建筑電磁綜合效能的分析。

5 建筑環境電磁兼容技術的研究

1)理論方面

(1)系統地建立建筑環境電磁兼容的建模、分析、仿真和控制的完整理論體系，確立5m法半電波暗室的設計方法，為建筑環境的科學發展和廣泛應用提供理論依據。

(2)建立建筑環境電磁兼容改善和治理的經濟性、電能質量和可靠性評估的理論體系和評價指標體系，以促進“綠色建筑環境”的發展，用以指導建筑電氣領域標準的制定和完善。

2)建筑環境電磁兼容技術方面

(1)研究建筑環境電磁兼容仿真技術，利用有限元分析方法建立建筑環境電磁兼容的狀態，實現系統的全過程仿真；與實際檢測對比分析，優化仿真的效果。

(2)建立5m法半電波暗室的設計方法，明確暗室技術指標的要求和檢測方法，確實增強設計半電波暗室方案確定及暗室應用的科學性、經濟性及效率。

(3)發展建筑環境電磁兼容的設計與檢測方法，提出建筑環境電磁兼容施綜合治理措施，研制高性能的建筑環境電磁兼容系統。

(4)提出多天線系統的設計的原理和方法，開發和研制部分建筑環境電磁兼容檢測裝置。

3)建筑環境電磁兼容領域的電力電子技術方面。

研究接地、濾波、屏蔽及PCB制板等方面優化電磁兼容設備和環境的現狀，提出改善的方法及措施，對比改善后的效果，使建筑環境電磁兼容現狀有改善的趨勢。

6 結論

本文詳細探討了建筑環境電磁兼容技術檢測和研究的重要性，提出了5m法半電波暗室的設計方法和檢測標準，完成轉臺及天線設計的創新，為更好地滿足建筑領域電磁兼容的測試提供必要的手段和實驗數據，為建筑環境的改善及相關標準的制定提供依據。

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