智能家居瞬態(tài)干擾的防護

申請免費試用、咨詢電話：400-8352-114

摘要：文章結(jié)合我國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)對瞬態(tài)干擾防護的必要性，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，其特點是作用時間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大。瞬態(tài)干擾會造成控制系統(tǒng)的電源電壓的波動；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)的電壓超過系統(tǒng)內(nèi)部器件的極限電壓時，便會損壞智能家居系統(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）對智能家居系統(tǒng)會產(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)強的輻射發(fā)射，從而耦合到電纜和機殼線路。當(dāng)電纜暴露在4～8kV靜電放電環(huán)境中時，信息傳輸電纜終端負載上可以測量到的感應(yīng)電壓可達到600V，這個電壓遠遠超出了典型數(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)時間大約為400納秒。

　　家居電子設(shè)備在使用中經(jīng)常會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，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處不在，電網(wǎng)、雷擊、爆破，就連人在地毯上行走都會產(chǎn)生上萬伏的靜電感應(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，必須對電壓瞬變和浪涌采取防護措施。

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

　　1.1.2過流保護要求

　　電子設(shè)備的過流能力一般設(shè)計為額定電流的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的計算機其最大過流能力約為0.45A，當(dāng)電流大于該值時，電子設(shè)備所選用的電子元器件將會燒壞而無法正常工作，因而應(yīng)該保證到達電子設(shè)備的瞬間過電流小于其額定電流的1.5～2倍。

　　1.1.3動態(tài)響應(yīng)時間的要求

　　電子設(shè)備在設(shè)計過程中已經(jīng)采用了許多保護器件，如快熔器、壓敏電阻、空氣開關(guān)、繼電保護器件等，每種保護器件都有特有的動態(tài)響應(yīng)時間（如空氣開關(guān)、繼電保護器件其動態(tài)響應(yīng)時間約在200ms左右），而每種電子設(shè)備也有其保護響應(yīng)時間，因而流過電子設(shè)備的浪涌瞬態(tài)時間應(yīng)該大于電子設(shè)備的動態(tài)響應(yīng)時間，避免保護器件來不及響應(yīng)而使浪涌通過電子設(shè)備。

　　1.1.4接地保護要求

　　電子設(shè)備在安裝時，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.對于1.5m長的接地線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，對電子設(shè)備作可靠的接地保護，能使到達電子設(shè)備外殼的電壓較小，起到安全保護的作用。但僅作接地保護是遠遠不夠的，還必須加裝浪涌保護裝置。因為，外界侵入的浪涌能量將首先通過電子設(shè)備再對地泄放，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，因此接地保護對于電子設(shè)備而言只能是一種輔助性保護。

　　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關(guān)操作和天氣影響等而引起的浪涌電壓，強電場或強磁場以及電磁波輻射等。

　　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)雷電壓的機率很高，對建筑物內(nèi)的電子設(shè)備威脅巨大，家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的防雷工作重點是防止感應(yīng)雷入侵。入侵家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的雷電過電壓過電流主要有以下三個途徑。

　　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)雷過電壓。在220V電源線上出現(xiàn)的雷電過電壓平均可達10000V，對家居網(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。對三相電源來講，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。電源干擾的類型見表1，電源干擾進入設(shè)備的途徑包括電磁耦合、電容耦合及直接進入三種。

　　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，強雷電壓將鄰近土壤擊穿，雷電流直接入侵到電纜外皮，進而擊穿外皮，使高壓入侵線路；

　?。?）雷云對地面放電時，在線路上感應(yīng)出上千伏的過電壓，擊壞與線路相連的電器設(shè)備，通過設(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；

　?。?）若通過一條多芯電纜連接不同來源的導(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，會在相鄰的導(dǎo)線感應(yīng)出過電壓，擊壞低壓電子設(shè)備。

　　2.1.3地電位反擊電壓通過接地體入侵

　　雷擊時強大的雷電流經(jīng)過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，入侵電壓可高達數(shù)萬伏。建筑物防直擊雷的避雷引入了強大的雷電流通過引下線入地，在附近空間產(chǎn)生強大的電磁場變化，會在相鄰的導(dǎo)線?包括電源線和信號線　上感應(yīng)出雷電過電壓，因此建筑物避雷系統(tǒng)不但不能保護計算機，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算機防雷系統(tǒng)，層層防護，確保計算機特別是計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全。

　　2.2耦合機制

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

　　2.2.1電阻耦合

　　雷電放電將使受影響的物體相對于遠端地的電位上升高達幾百千伏，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產(chǎn)生磁場，在幾百米范圍內(nèi)，可以認為磁場的時間變化率與雷電電流時間變化率相同。然而，磁場經(jīng)常被建筑材料和周圍的物體所衰減和改變。磁場的變化會在室內(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在附近產(chǎn)生一個很強的電場，它對鞭狀天線設(shè)備有影響，而對于建筑物內(nèi)部電場干擾一般可以忽略。

　　2.2.4電磁耦合

　　遠距離雷電放電產(chǎn)生的電磁場會在大范圍的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)上感應(yīng)出過電壓，這種干擾會傳導(dǎo)到接口上，但這種情況下，直接輻射的電磁場很難對建筑物內(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)置多級防雷保護措施，一般為三級配置。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，雷電過電壓的保護必須同時考慮到如何抑制（或分流）首次雷擊電流和后續(xù)雷擊電流。在采取多級保護措施的同時，還必須考慮各級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，外部防護和內(nèi)部防護。外部防護是指對安裝電子設(shè)備的建筑物本體的安全防護，可采用避雷針、分流、屏蔽網(wǎng)、均衡電位、接地等措施，這種防護措施人們比較重視、比較常見，相對完善。內(nèi)部防護是指在建筑物內(nèi)部電子設(shè)備對過電壓（雷電或電源系統(tǒng)內(nèi)部過電壓）的防護，其措施有：等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、保護隔離、合理布線和設(shè)置過電壓保護器等措施，這種措施相對來說是比較新的辦法，也不夠完善，下邊對弱電設(shè)備防雷進行探討，主要對雷電浪涌及地電位差的防護提出一些看法。

　　3.1智能家居系統(tǒng)電子設(shè)備的外部防護

　　外部防雷主要指建筑物的防雷，一般是防護直擊雷，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盡量將雷電流分流，避免造成過電壓危害設(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、小功率信號電路的電器，則需要加裝專門的屏蔽網(wǎng)，在整個屋面組成不大于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，降低雷擊建筑物時接點電位，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個接地類型分開以避免電磁干擾和零地電位升高。但當(dāng)有雷電對地泄放時，高電壓將通過直流地反擊設(shè)備。因此，對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

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

　　從EMC（電磁兼容）的觀點來看，防雷保護由外到內(nèi)應(yīng)劃分為多級保護區(qū)。最外層為0級，是直接雷擊區(qū)域，危險性最高，主要是由外部（建筑）防雷系統(tǒng)保護，越往里則危險程度越低。保護區(qū)的界面劃分主要通過防雷系統(tǒng)、鋼筋混凝土及金屬管道等構(gòu)成的屏蔽層形成，從0級保護區(qū)到最內(nèi)層保護區(qū)，必須實行分層多級保護，從而將過電壓降到設(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電壓造成的危害越來越嚴重。以往的防護體系已不能滿足智能家居網(wǎng)絡(luò)安全的要求。應(yīng)從單純一維防護轉(zhuǎn)為三維防護，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電壓影響等多方面作系統(tǒng)綜合考慮。

　　多級分級（類）保護原則：即根據(jù)電氣、電子設(shè)備的不同功能及不同受保護程序和所屬保護層確定保護要點作分類保護；根據(jù)雷電和操作瞬間過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)做多級層保護。

　　3.2.1電源部分防護

　　家居電子設(shè)備的電源雷電侵害主要是通過線路侵入。高壓部分有專用高壓避雷裝置，電力傳輸線把對地的電壓限制到小于6000V（IEEEEC62.41），而線對線則無法控制。所以，對380V低壓線路應(yīng)進行過電壓保護，按國家規(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)備的總配電盤間的電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對地加避雷器或保護器，作一級保護；在二次低壓設(shè)備的總配電盤至二次低壓設(shè)備的配電箱間電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對地加裝避雷器保護器，作二級保護；在所有重要的、精密的設(shè)備以及UPS的前端應(yīng)對地加裝避雷器或保護器，作為三級保護。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）將雷電過電壓（脈沖）能量分流泄入大地，達到保護目的。所以，分流（限幅）技術(shù)中采用防護器的品質(zhì)、性能的好壞是直接關(guān)系網(wǎng)絡(luò)保護的關(guān)鍵，因此，選擇合格優(yōu)良的避雷器或保護器至關(guān)重要。

　　電源防雷系統(tǒng)主要是防止雷電波通過電源線路對計算機及相關(guān)設(shè)備造成危害。為避免高電壓經(jīng)過防雷器對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)采取分級保護、逐級泄流的原則。一是在大樓電源的總進線處安裝放電電流較大的一級電源防雷器，二是在重要樓層或重要設(shè)備電源的進線處加裝二級或三級電源防雷器。為了確保遭受雷擊時，高電壓首先經(jīng)過一級電源防雷器，然后再經(jīng)過二級電源防雷器，一級電源防雷器和二級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，這樣可以避免二級電源防雷器首先遭受雷擊而損壞。

　　3.2.2信號部分保護

　　對于智能家居系統(tǒng)，應(yīng)分為粗保護和精細保護。粗保護量級根據(jù)所屬保護區(qū)的級別確定，精細保護要根據(jù)電子設(shè)備的敏感度來進行確定。

　　由于雷電波在線路上能感應(yīng)出較高的瞬時沖擊能量，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電壓、耐過電流水平下降，必須在網(wǎng)絡(luò)通信接口處加裝必要的防雷保護裝置以確保網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的安全運行。

　　對智能家居系統(tǒng)進行防雷保護，選取適當(dāng)保護裝置非常重要，應(yīng)充分考慮防雷產(chǎn)品與通信系統(tǒng)的匹配。對于信息系統(tǒng)，應(yīng)分為粗保護和精細保護。粗保護量級根據(jù)所屬保護區(qū)的級別確定，精細保護要根據(jù)電子設(shè)備的敏感度來進行確定。

　　3.2.3　接地處理

　　一定要求有一個良好的接地系統(tǒng)，因為所有防雷系統(tǒng)都需要通過接地系統(tǒng)把雷電流泄入大地，從而保護設(shè)備和人身安全。如果機房接地系統(tǒng)做得不好，不但會引起設(shè)備故障，燒壞元器件，嚴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題，防靜電的問題都需要通過建立良好的接地系統(tǒng)來解決。