智能家居瞬態(tài)干擾的防護

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摘要：文章結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)內部器件的極限電壓時，便會損壞智能家居系統(tǒng)內部的設備，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)會產生不同程度的危害。靜電放電在5～200MHz的頻率范圍內產生強烈的射頻輻射。此輻射能量的峰值經常在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，結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生相當強的輻射發(fā)射，從而耦合到電纜和機殼線路。當電纜暴露在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電壓可達到600V，這個電壓遠遠超出了典型數(shù)字電子設備的限電壓值0.4V，典型的感應脈沖持續(xù)時間大約為400納秒。

　　家居電子設備在使用中經常會遇到意外的電壓瞬變和浪涌，從而導致電子設備的損壞，損壞的原因是電子設備中的半導體器件（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生上萬伏的靜電感應電壓，這些都是電子設備的隱形殺手。因此，為了提高電子設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家居電子設備防電壓瞬變浪涌要求

　　1.1.1耐壓要求

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

　　1.1.2過流保護要求

　　電子設備的過流能力一般設計為額定電流的1.5～2倍，以此為標準選擇電子元器件。如額定電流為0.22A的計算機其最大過流能力約為0.45A，當電流大于該值時，電子設備所選用的電子元器件將會燒壞而無法正常工作，因而應該保證到達電子設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)響應時間的要求

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

　　1.1.4接地保護要求

　　電子設備在安裝時，應做到良好接地，否則雷電所產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備。因此，對電子設備作可靠的接地保護，能使到達電子設備外殼的電壓較小，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備再對地泄放，這樣流經電子設備的浪涌電流基本不變，其能量有可能很大，電子設備仍有可能被損壞，因此接地保護對于電子設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

　　產生干擾必須具備三個條件：干擾源、干擾通道、易受干擾設備。

　　干擾源分為內部和外部。內部主要是裝置原理和產品質量等。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部；內部則三種均有。

　　由于設備采用的敏感元件的選用和結構布局等不盡合理，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

　　感應雷可由靜電感應產生，也可由電磁感應產生，形成感應雷電壓的機率很高，對建筑物內的電子設備威脅巨大，家居網(wǎng)絡系統(tǒng)的防雷工作重點是防止感應雷入侵。入侵家居網(wǎng)絡系統(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，電力線路可能遭受直擊雷和感應雷。直擊雷擊中高壓電力線路，經過變壓器耦合到220V低壓，入侵家居智能系統(tǒng)供電設備，另外，低壓線路也可能被直擊雷擊中或被感應雷過電壓。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)絡系統(tǒng)可造成毀滅性打擊。電源干擾復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：

　?。?）當?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，在線路上感應出上千伏的過電壓，擊壞與線路相連的電器設備，通過設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）若通過一條多芯電纜連接不同來源的導線或者多條電纜平行鋪設，當某一導線被雷電擊中時，會在相鄰的導線感應出過電壓，擊壞低壓電子設備。

　　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，若有連接電子設備的其他接地體靠近，即產生高壓地電位反擊，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，在附近空間產生強大的電磁場變化，會在相鄰的導線?包括電源線和信號線　上感應出雷電過電壓，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)絡系統(tǒng)等設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)絡系統(tǒng)的安全。

　　2.2耦合機制

　　雷電沖擊影響家居電子設備構成系統(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

　　在導體上流通的或處在雷電通道的雷電流會產生磁場，在幾百米范圍內，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外電纜設備上產生感應電流和電壓。

　　2.2.3電耦合

　　雷電通道下端的電荷會在附近產生一個很強的電場，它對鞭狀天線設備有影響，而對于建筑物內部電場干擾一般可以忽略。

　　2.2.4電磁耦合

　　遠距離雷電放電產生的電磁場會在大范圍的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)上感應出過電壓，這種干擾會傳導到接口上，但這種情況下，直接輻射的電磁場很難對建筑物內的家居電子設備造成破壞。

　　3、智能家居系統(tǒng)干擾的抑制措施

　　根據(jù)IEC61312標準，家居電子設備應設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)絡系統(tǒng)的防雷可采用兩種措施，即外部防雷和內部防雷。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)電子設備的防雷措施分為兩類，外部防護和內部防護。外部防護是指對安裝電子設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。內部防護是指在建筑物內部電子設備對過電壓（雷電或電源系統(tǒng)內部過電壓）的防護，其措施有：等電位聯(lián)結、屏蔽、保護隔離、合理布線和設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，它是防雷技術革新的主要組成部分，其技術措施可分接閃器（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，避免損壞設備。

　　接地電阻應符合相關標準，一般為4Ω。對某些設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。但當有雷電對地泄放時，高電壓將通過直流地反擊設備。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)設備的內部保護

　　內部防雷系統(tǒng)主要是對建筑物內易受過電壓破壞的設備加裝過壓保護裝置，在設備受到過電壓侵襲時，保護裝置能快速動作泄放能量，從而保護設備免受損壞。內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，防雷保護由外到內應劃分為多級保護區(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成的屏蔽層形成，從0級保護區(qū)到最內層保護區(qū)，必須實行分層多級保護，從而將過電壓降到設備能承受的水平。一般而言，雷電流經傳統(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)絡安全的要求。應從單純一維防護轉為三維防護，包括：防直擊雷、防感應雷電波侵入、防雷電電磁感應、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)通信線路都應做多級層保護。

　　3.2.1電源部分防護

　　家居電子設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低壓線路應進行過電壓保護，按國家規(guī)范應有三部分：建議在高壓變壓器后端到二次低壓設備的總配電盤間的電纜內芯線兩端應對地加避雷器或保護器，作一級保護；在二次低壓設備的總配電盤至二次低壓設備的配電箱間電纜內芯線兩端應對地加裝避雷器保護器，作二級保護；在所有重要的、精密的設備以及UPS的前端應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）技術即采用高吸收能量的分流設備（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）技術中采用防護器的品質、性能的好壞是直接關系網(wǎng)絡保護的關鍵，因此，選擇合格優(yōu)良的避雷器或保護器至關重要。

　　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設備造成危害。為避免高電壓經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)設備，以及防止線纜遭受二次感應，依照有關防雷工程試行草案，應采取分級保護、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，高電壓首先經過一級電源防雷器，然后再經過二級電源防雷器，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)電子設備的敏感度來進行確定。

　　由于雷電波在線路上能感應出較高的瞬時沖擊能量，因此要求網(wǎng)絡通信設備能夠承受較高能量的瞬時沖擊，而目前大部分設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)絡通信接口處加裝必要的防雷保護裝置以確保網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的安全運行。

　　對智能家居系統(tǒng)進行防雷保護，選取適當保護裝置非常重要，應充分考慮防雷產品與通信系統(tǒng)的匹配。對于信息系統(tǒng)，應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。