電子技術應用于強電領域中的抗干擾問題分析

張祖紅

（江蘇省南京工程高等職業學校，江蘇 南京 211135）

一些高性能的電子設備在強電領域中應用時經常因為受到外界的干擾而出現誤發信號、功能故障甚至因誤動作造成安全事故，究其原因多為電子技術在應用中未能充分考慮到系統中的干擾問題。因此，通過合理的電路設計與相關硬件抗干擾的處理，解決當前電子技術在應用過程中的抗干擾能力不足的問題，對于提高電子技術的應用效果以及電子技術的發展具有極其重要的現實價值。

1 電子技術應用于強電領域中出現干擾的原因

1.1 電源回路產生的干擾

直流電源多用于水電站或變電站的控制電源系統中，切斷電源系統中直流回路的感性負載時開關觸點會在自感電動勢的影響下出現高壓電火花，而產生電火花的同時還會伴隨著鋸齒波狀電流擾動的出現。此外，若電源回路中存在直流電動機或直流發電機，在電磁感應的作用下也會產生較強的干擾。

1.2 操作設備產生的干擾

改變電路中斷路器與隔離開關等電氣裝置的狀態時會導致電路中主接線形式與電路中參數的改變，進而會在電磁暫態效應的作用下產生高頻電磁場干擾。此外，使用隔離開關切合處于空載狀態的母線時，會導致線路在瞬間充放電的過程中產生電弧，而電弧的重燃將會引起衰減震蕩波的產生，進而可能會產生高達200kHz的高頻電磁干擾。

1.3 大功率可控硅整流器與動力設備產生的干擾

當強電系統中大功率可控硅整流器處于工作狀態或者人為操作進行大功率動力設備的投切時，會導致強電系統中出現高次諧波分量，進而造成電源電壓的波動與波形的畸變，這些干擾因素會在沿著電源系統傳遞到弱電設備，對弱電設備的運行造成不良影響。

1.4 雷電導致的干擾

產生雷電的瞬間會在周圍產生極高的電壓并造成強烈的電磁場的變化，這種電磁場的變化會以電磁干擾的形式向外延伸。同時，雷電入地后會在局部范圍內產生較強的地電場并快速向外傳播。需要注意的是，雷電產生的地電場不但會影響臨近電子設備的運行，雷電入地后在接地點位置造成的高電位還可能會直接擊穿電子設備的結構。

1.5 電網故障導致的干擾

電網系統、水電站以及輸變電站等強電系統出現故障時，通常也會產生較為復雜的干擾問題。例如，大型電網系統中若發生接地故障，可能會導致故障電路與接地系統中產生較高的工頻電流，從而造成一定范圍內電子設備的干擾問題。值得注意的是，小型接地系統中產生的工頻電流會引起系統電壓過高而直接燒毀電子設備，還會產生高次諧波分量，影響電源系統的運行。

1.6 其他干擾

除了上文提到的一些干擾外，如果電子系統中信號傳輸路徑較長，阻抗匹配性不良，那么在信號的反射作用下造成信號波形發生畸變，進而影響到控制系統的運行。此外，若電子電路布線不合理或者電路中元器件工藝不良亦或是電路接地措施不完善等，都可能會產生干擾。

2 干擾源種類和抗干擾的方法

根據干擾形態的不同，電子技術應用于強電領域中受到的干擾可分為常態干擾和共態干擾。常態干擾即是在原來正常運行的信號源上新增了一個干擾信號，造成原電路中信號的變化；共態干擾指的是受到干擾的電路相對于大地的信號變化，類似于在原先信號源兩側分別并入對地并入一個干擾源，并且兩側干擾源對地信號的相位、波形以及振幅等參數相似。通常情況下，常態干擾對弱電裝置的影響要大于共態干擾。

就常態干擾而言，其抗干擾措施需要考慮干擾源的特征與產生的原因。例如，若干擾信號是由電網系統產生的，則可在電路中高通濾波器、低通濾波器或者帶通濾波器以消除干擾信號；若干擾信號是因電磁感應的作用導致的，則可以通過采取針對性的屏蔽與隔離措施，放大系統的信噪比。針對共態干擾而言，其抗干擾措施主要圍繞接地措施的優化，具體來說就是要隔離系統中的強電裝置的接地回路，避免對弱電系統造成干擾。

3 電子技術應用于強電領域中的抗干擾措施

3.1 減弱干擾源與受干擾電路的耦合效應

耦合效應是造成弱電電路干擾的重要因素之一，因此為了減弱干擾源對弱電裝置的影響，需要在敷設線路過程中通過分開走線或者輻射狀走線的方式盡量隔離強電線纜與弱電電纜。若由于客觀原因造成弱電電纜無法完全避開強電電纜，則可以考慮使用絞線的方式讓干擾信號在傳遞路徑中互相削弱，以降低干擾信號對弱電裝置的影響。

增加屏蔽層也是降低耦合效應干擾的重要措施之一，尤其是針對空間電磁輻射的干擾，可以起到較好的效果。具體來說就是使用導磁性材料或導電材料將干擾源與被干擾電路隔離，限制干擾源磁力線對弱電電路的耦合。例如，在進行設備布局規劃時，可以將設備的金屬外殼當作屏蔽，同時在強電元件區域弱電元件區隔離開，降低強電回路對弱電回路的干擾。此外，還需要注意整個弱電回路的絕緣性，防止因局部漏電造成對弱電回路的干擾。

3.2 提升弱電裝置的抗干擾能力

就干擾源的形式來看，大部分的干擾都是脈沖干擾。脈沖干擾的顯著特點就是其持續時間短，因此可以在電路設計過程中設置一定的延遲時間，繞過脈沖峰值，以提高弱電裝置的抗干擾能力。

為了消除感性負載電路開路后自感電動勢對弱電裝置造成的影響，可以在感性負載兩側引入續流二極管，防止弱電回路中出現電壓突變損毀元器件的發生。

針對一些強電信號的采集與處理，可以使用間接采集的方式完成。所謂間接采集即在電路中增加中間隔離，常用的隔離主要有變壓器隔離、繼電器隔離以及光電隔離三種形式。其中，光電隔離的隔離效率與隔離質量更好，還可以達到匹配阻抗，優化負載驅動等問題，因而在現實中的應用范圍更廣。

3.3 充分考慮電子元器件選擇的合理性

電子元器件本身的性能以及其相對于電路的匹配性也是影響弱電裝置與弱電回路抗干擾能力的重要因素，因此在設計電路過程中需要重視電子元器件的選型，優先使用性能優良的電子元器件，同時注意所選元器件與應用電路的匹配性。常見集成電路的主要技術指標如表1所示：

表1 集成電路主要技術指標

由表1可以知道，CMOS型集成電路與LH型集成電路在靜態噪聲容限方面的表現更好，因此在進行集成電路的設計時應優先考慮。此外，CMOS系列集成電路還具有靜態功耗低、響應速度快等優點，但是這種集成電路在輸出端電流與負載能力等方面的表現還有待提高。相較于其他類型的集成電路，LH系列集成電路具有更高的靜態噪聲容限，輸出端電流更大，并且可以直接用于出口繼電器的驅動，但是LH型集成電路的功耗較高，不適用于需要快速響應的控制系統。

3.4 合理規劃“系統地”與“設備地”

為了避免強電系統造成人身安全的損害，可以將設備接地線直接與設備運行環境的接地網連通。而強電電路中的控制裝置多為繼電器、接觸器等工作電壓高、工作電流大的強電元件，其靈敏度相對較低，因而沿著地線進入系統的干擾對強電電路的影響較小。

對于弱電系統而言，其主要由集成電路以及相關的電子元器件組成，弱電回路的典型特點是其工作電壓低、電流小，系統功率低、靈敏度高。因此，由接地線引入的干擾信號可能會造成弱電回路的異常，嚴重的還可能會導致電子元器件的損壞。此外，信號在傳遞過程中會在拾取共態電壓過程中因電路中阻抗的不對稱造成共態干擾轉變成常態干擾，進而導致弱電回路的異常。因此，為了避免這種問題的發生，需要嚴格隔離“設備地”與“系統地”，還要注意控制屏蔽電纜的屏蔽層和變壓器屏蔽層需要以“系統地”的方式接地，防止共態干擾進入控制電路。

4 結束語

綜上所述，電子技術在現代社會中具有極其廣泛的應用。但是，弱電裝置在應用過程中常常會受到強電回路造成的干擾，干擾的產生主要來自電源回路、電網故障、動力設備的投切以及雷電影響等。為了消除或者降低強電對弱電裝置的干擾影響，需要提升弱電裝置的抗干擾能力，削弱干擾源與受干擾電路之間的耦合效應，加強“系統地”與“設備地”的規劃，合理選擇電子元器件等，保障弱電裝置的正常運行以及電子技術在強電領域中的應用。