电子技术应用于强电领域中的抗干扰问题分析

张祖红

（江苏省南京工程高等职业学校，江苏 南京 211135）

一些高性能的电子设备在强电领域中应用时经常因为受到外界的干扰而出现误发信号、功能故障甚至因误动作造成安全事故，究其原因多为电子技术在应用中未能充分考虑到系统中的干扰问题。因此，通过合理的电路设计与相关硬件抗干扰的处理，解决当前电子技术在应用过程中的抗干扰能力不足的问题，对于提高电子技术的应用效果以及电子技术的发展具有极其重要的现实价值。

1 电子技术应用于强电领域中出现干扰的原因

1.1 电源回路产生的干扰

直流电源多用于水电站或变电站的控制电源系统中，切断电源系统中直流回路的感性负载时开关触点会在自感电动势的影响下出现高压电火花，而产生电火花的同时还会伴随着锯齿波状电流扰动的出现。此外，若电源回路中存在直流电动机或直流发电机，在电磁感应的作用下也会产生较强的干扰。

1.2 操作设备产生的干扰

改变电路中断路器与隔离开关等电气装置的状态时会导致电路中主接线形式与电路中参数的改变，进而会在电磁暂态效应的作用下产生高频电磁场干扰。此外，使用隔离开关切合处于空载状态的母线时，会导致线路在瞬间充放电的过程中产生电弧，而电弧的重燃将会引起衰减震荡波的产生，进而可能会产生高达200kHz的高频电磁干扰。

1.3 大功率可控硅整流器与动力设备产生的干扰

当强电系统中大功率可控硅整流器处于工作状态或者人为操作进行大功率动力设备的投切时，会导致强电系统中出现高次谐波分量，进而造成电源电压的波动与波形的畸变，这些干扰因素会在沿着电源系统传递到弱电设备，对弱电设备的运行造成不良影响。

1.4 雷电导致的干扰

产生雷电的瞬间会在周围产生极高的电压并造成强烈的电磁场的变化，这种电磁场的变化会以电磁干扰的形式向外延伸。同时，雷电入地后会在局部范围内产生较强的地电场并快速向外传播。需要注意的是，雷电产生的地电场不但会影响临近电子设备的运行，雷电入地后在接地点位置造成的高电位还可能会直接击穿电子设备的结构。

1.5 电网故障导致的干扰

电网系统、水电站以及输变电站等强电系统出现故障时，通常也会产生较为复杂的干扰问题。例如，大型电网系统中若发生接地故障，可能会导致故障电路与接地系统中产生较高的工频电流，从而造成一定范围内电子设备的干扰问题。值得注意的是，小型接地系统中产生的工频电流会引起系统电压过高而直接烧毁电子设备，还会产生高次谐波分量，影响电源系统的运行。

1.6 其他干扰

除了上文提到的一些干扰外，如果电子系统中信号传输路径较长，阻抗匹配性不良，那么在信号的反射作用下造成信号波形发生畸变，进而影响到控制系统的运行。此外，若电子电路布线不合理或者电路中元器件工艺不良亦或是电路接地措施不完善等，都可能会产生干扰。

2 干扰源种类和抗干扰的方法

根据干扰形态的不同，电子技术应用于强电领域中受到的干扰可分为常态干扰和共态干扰。常态干扰即是在原来正常运行的信号源上新增了一个干扰信号，造成原电路中信号的变化；共态干扰指的是受到干扰的电路相对于大地的信号变化，类似于在原先信号源两侧分别并入对地并入一个干扰源，并且两侧干扰源对地信号的相位、波形以及振幅等参数相似。通常情况下，常态干扰对弱电装置的影响要大于共态干扰。

就常态干扰而言，其抗干扰措施需要考虑干扰源的特征与产生的原因。例如，若干扰信号是由电网系统产生的，则可在电路中高通滤波器、低通滤波器或者带通滤波器以消除干扰信号；若干扰信号是因电磁感应的作用导致的，则可以通过采取针对性的屏蔽与隔离措施，放大系统的信噪比。针对共态干扰而言，其抗干扰措施主要围绕接地措施的优化，具体来说就是要隔离系统中的强电装置的接地回路，避免对弱电系统造成干扰。

3 电子技术应用于强电领域中的抗干扰措施

3.1 减弱干扰源与受干扰电路的耦合效应

耦合效应是造成弱电电路干扰的重要因素之一，因此为了减弱干扰源对弱电装置的影响，需要在敷设线路过程中通过分开走线或者辐射状走线的方式尽量隔离强电线缆与弱电电缆。若由于客观原因造成弱电电缆无法完全避开强电电缆，则可以考虑使用绞线的方式让干扰信号在传递路径中互相削弱，以降低干扰信号对弱电装置的影响。

增加屏蔽层也是降低耦合效应干扰的重要措施之一，尤其是针对空间电磁辐射的干扰，可以起到较好的效果。具体来说就是使用导磁性材料或导电材料将干扰源与被干扰电路隔离，限制干扰源磁力线对弱电电路的耦合。例如，在进行设备布局规划时，可以将设备的金属外壳当作屏蔽，同时在强电元件区域弱电元件区隔离开，降低强电回路对弱电回路的干扰。此外，还需要注意整个弱电回路的绝缘性，防止因局部漏电造成对弱电回路的干扰。

3.2 提升弱电装置的抗干扰能力

就干扰源的形式来看，大部分的干扰都是脉冲干扰。脉冲干扰的显著特点就是其持续时间短，因此可以在电路设计过程中设置一定的延迟时间，绕过脉冲峰值，以提高弱电装置的抗干扰能力。

为了消除感性负载电路开路后自感电动势对弱电装置造成的影响，可以在感性负载两侧引入续流二极管，防止弱电回路中出现电压突变损毁元器件的发生。

针对一些强电信号的采集与处理，可以使用间接采集的方式完成。所谓间接采集即在电路中增加中间隔离，常用的隔离主要有变压器隔离、继电器隔离以及光电隔离三种形式。其中，光电隔离的隔离效率与隔离质量更好，还可以达到匹配阻抗，优化负载驱动等问题，因而在现实中的应用范围更广。

3.3 充分考虑电子元器件选择的合理性

电子元器件本身的性能以及其相对于电路的匹配性也是影响弱电装置与弱电回路抗干扰能力的重要因素，因此在设计电路过程中需要重视电子元器件的选型，优先使用性能优良的电子元器件，同时注意所选元器件与应用电路的匹配性。常见集成电路的主要技术指标如表1所示：

表1 集成电路主要技术指标

由表1可以知道，CMOS型集成电路与LH型集成电路在静态噪声容限方面的表现更好，因此在进行集成电路的设计时应优先考虑。此外，CMOS系列集成电路还具有静态功耗低、响应速度快等优点，但是这种集成电路在输出端电流与负载能力等方面的表现还有待提高。相较于其他类型的集成电路，LH系列集成电路具有更高的静态噪声容限，输出端电流更大，并且可以直接用于出口继电器的驱动，但是LH型集成电路的功耗较高，不适用于需要快速响应的控制系统。

3.4 合理规划“系统地”与“设备地”

为了避免强电系统造成人身安全的损害，可以将设备接地线直接与设备运行环境的接地网连通。而强电电路中的控制装置多为继电器、接触器等工作电压高、工作电流大的强电元件，其灵敏度相对较低，因而沿着地线进入系统的干扰对强电电路的影响较小。

对于弱电系统而言，其主要由集成电路以及相关的电子元器件组成，弱电回路的典型特点是其工作电压低、电流小，系统功率低、灵敏度高。因此，由接地线引入的干扰信号可能会造成弱电回路的异常，严重的还可能会导致电子元器件的损坏。此外，信号在传递过程中会在拾取共态电压过程中因电路中阻抗的不对称造成共态干扰转变成常态干扰，进而导致弱电回路的异常。因此，为了避免这种问题的发生，需要严格隔离“设备地”与“系统地”，还要注意控制屏蔽电缆的屏蔽层和变压器屏蔽层需要以“系统地”的方式接地，防止共态干扰进入控制电路。

4 结束语

综上所述，电子技术在现代社会中具有极其广泛的应用。但是，弱电装置在应用过程中常常会受到强电回路造成的干扰，干扰的产生主要来自电源回路、电网故障、动力设备的投切以及雷电影响等。为了消除或者降低强电对弱电装置的干扰影响，需要提升弱电装置的抗干扰能力，削弱干扰源与受干扰电路之间的耦合效应，加强“系统地”与“设备地”的规划，合理选择电子元器件等，保障弱电装置的正常运行以及电子技术在强电领域中的应用。