智能家居瞬态干扰的防护

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摘要：文章结合我国居民生活水平不断提高的现状，阐述了现代住宅中智能家居系统对瞬态干扰防护的必要性，论述了智能家居系统的主要干扰途径及其抑制措施。

　　关键词：智能家居瞬态干扰干扰途径抑制措施

　　1、智能家居系统瞬态干扰防护的必要性

　　瞬态干扰指交流电网上出现的浪涌电压、振铃电压、火花放电等瞬间干扰信号，其特点是作用时间极短，但电压幅度高、瞬态能量大。瞬态干扰会造成控制系统的电源电压的波动；当瞬态电压叠加在控制系统的输入电压上，使输入智能家居系统的电压超过系统内部器件的极限电压时，便会损坏智能家居系统内部的设备，因此必须采用抑制措施。

　　静电放电（ESD）和电快速瞬变脉冲群（EFT）对智能家居系统会产生不同程度的危害。静电放电在5～200MHz的频率范围内产生强烈的射频辐射。此辐射能量的峰值经常在35～45MHz之间发生自激振荡。许多信息传输电缆的谐振频率也通常在这个频率范围内，结果电缆中便串入了大量的静电放电辐射能量。电快速瞬变脉冲群也产生相当强的辐射发射，从而耦合到电缆和机壳线路。当电缆暴露在4～8kV静电放电环境中时，信息传输电缆终端负载上可以测量到的感应电压可达到600V，这个电压远远超出了典型数字电子设备的限电压值0.4V，典型的感应脉冲持续时间大约为400纳秒。

　　家居电子设备在使用中经常会遇到意外的电压瞬变和浪涌，从而导致电子设备的损坏，损坏的原因是电子设备中的半导体器件（包括二极管、晶体管、可控硅和集成电路等）被烧毁或击穿。据统计，电子设备的故障有75％是由于瞬变和浪涌造成的。电压的瞬变和浪涌无处不在，电网、雷击、爆破，就连人在地毯上行走都会产生上万伏的静电感应电压，这些都是电子设备的隐形杀手。因此，为了提高电子设备的可靠性和人体自身的安全性，必须对电压瞬变和浪涌采取防护措施。

　　1.1家居电子设备防电压瞬变浪涌要求

　　1.1.1耐压要求

　　当瞬间电压超过电子设备的绝缘耐压值时，其安全性能会降低，甚至被毁。因而电子设备的瞬间过电压应该小于其绝缘耐压值，正常的工作电压应小于保护电压。

　　1.1.2过流保护要求

　　电子设备的过流能力一般设计为额定电流的1.5～2倍，以此为标准选择电子元器件。如额定电流为0.22A的计算机其最大过流能力约为0.45A，当电流大于该值时，电子设备所选用的电子元器件将会烧坏而无法正常工作，因而应该保证到达电子设备的瞬间过电流小于其额定电流的1.5～2倍。

　　1.1.3动态响应时间的要求

　　电子设备在设计过程中已经采用了许多保护器件，如快熔器、压敏电阻、空气开关、继电保护器件等，每种保护器件都有特有的动态响应时间（如空气开关、继电保护器件其动态响应时间约在200ms左右），而每种电子设备也有其保护响应时间，因而流过电子设备的浪涌瞬态时间应该大于电子设备的动态响应时间，避免保护器件来不及响应而使浪涌通过电子设备。

　　1.1.4接地保护要求

　　电子设备在安装时，应做到良好接地，否则雷电所产生的浪涌能量将不能有效地对地泄放而击毁器件。接地线在瞬间遭受浪涌以电感方式存在，其典型值为1μH／m，接地线上的压降为U1＝L×di／dt.对于1.5m长的接地线L≈1.5μH，雷电在瞬间（如100μs）产生的几百安培（500A）浪涌脉冲，其di／dt＝5×106A／s，此时接地线上的压降U1＝L×di／dt＝1.5×10－6×5×106＝7.5V，设备将承受500A×7.5V＝3750W的浪涌能量，该能量将可能损伤或毁坏大部分电子设备。因此，对电子设备作可靠的接地保护，能使到达电子设备外壳的电压较小，起到安全保护的作用。但仅作接地保护是远远不够的，还必须加装浪涌保护装置。因为，外界侵入的浪涌能量将首先通过电子设备再对地泄放，这样流经电子设备的浪涌电流基本不变，其能量有可能很大，电子设备仍有可能被损坏，因此接地保护对于电子设备而言只能是一种辅助性保护。

　　2、智能家居系统中的主要干扰途径

　　产生干扰必须具备三个条件：干扰源、干扰通道、易受干扰设备。

　　干扰源分为内部和外部。内部主要是装置原理和产品质量等。外部主要由使用条件和环境因素决定，如工作电源直流回路受开关操作和天气影响等而引起的浪涌电压，强电场或强磁场以及电磁波辐射等。

　　干扰通道有传导耦合、公共阻抗耦合和电磁耦合三种。外部主要通过分布电容的电磁耦合传到内部；内部则三种均有。

　　由于设备采用的敏感元件的选用和结构布局等不尽合理，造成本身抗干扰能力差，对干扰加以抑制，降低其幅度，减少其影响力，这是从外部环境上加以改善。

　　2.1干扰途径

　　感应雷可由静电感应产生，也可由电磁感应产生，形成感应雷电压的机率很高，对建筑物内的电子设备威胁巨大，家居网络系统的防雷工作重点是防止感应雷入侵。入侵家居网络系统的雷电过电压过电流主要有以下三个途径。

　　2.1.1由交流电220V电源供电线路入侵

　　智能家居系统的电源由电力线路输入室内，电力线路可能遭受直击雷和感应雷。直击雷击中高压电力线路，经过变压器耦合到220V低压，入侵家居智能系统供电设备，另外，低压线路也可能被直击雷击中或被感应雷过电压。在220V电源线上出现的雷电过电压平均可达10000V，对家居网络系统可造成毁灭性打击。电源干扰复杂性中众多原因之一就是包含着众多的可变因素，电源干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。“共模”干扰是指电源线与大地，或中性线与大地之间的电位差。“差模”干扰存在于电源相线与中性线之间。对三相电源来讲，还存在于相线与相线之间。电源干扰复杂性中的第二个原因是干扰情况可以从持续周期很短暂的尖峰干扰到全失电之间的变化。电源干扰的类型见表1，电源干扰进入设备的途径包括电磁耦合、电容耦合及直接进入三种。

　　2.1.2由智能家居系统传输线路入侵

　　可分为三种情况：

　　（1）当地面突出物遭直击雷打击时，强雷电压将邻近土壤击穿，雷电流直接入侵到电缆外皮，进而击穿外皮，使高压入侵线路；

　　（2）雷云对地面放电时，在线路上感应出上千伏的过电压，击坏与线路相连的电器设备，通过设备连线侵入通信线路。这种入侵沿通信线路传播，涉及面广，危害范围大；

　　（3）若通过一条多芯电缆连接不同来源的导线或者多条电缆平行铺设，当某一导线被雷电击中时，会在相邻的导线感应出过电压，击坏低压电子设备。

　　2.1.3地电位反击电压通过接地体入侵

　　雷击时强大的雷电流经过引下线和接地体泄入大地，在接地体附近放射型的电位分布，若有连接电子设备的其他接地体靠近，即产生高压地电位反击，入侵电压可高达数万伏。建筑物防直击雷的避雷引入了强大的雷电流通过引下线入地，在附近空间产生强大的电磁场变化，会在相邻的导线?包括电源线和信号线　上感应出雷电过电压，因此建筑物避雷系统不但不能保护计算机，反而可能引入了雷电。家居网络系统等设备的集成电线芯片耐压能力很弱，通常在100V以下，因此必须建立多层次的计算机防雷系统，层层防护，确保计算机特别是计算机网络系统的安全。

　　2.2耦合机制

　　雷电冲击影响家居电子设备构成系统的耦合机制有下面几种。

　　2.2.1电阻耦合

　　雷电放电将使受影响的物体相对于远端地的电位上升高达几百千伏，地电位升高形成的电流将分布到设备的金属部分，如连接到系统参考点数据线和电源电线。电缆屏蔽层的电流在屏蔽层与芯线之间引起过电压，其数值与传输阻抗成正比例。

　　2.2.2磁耦合

　　在导体上流通的或处在雷电通道的雷电流会产生磁场，在几百米范围内，可以认为磁场的时间变化率与雷电电流时间变化率相同。然而，磁场经常被建筑材料和周围的物体所衰减和改变。磁场的变化会在室内外电缆设备上产生感应电流和电压。

　　2.2.3电耦合

　　雷电通道下端的电荷会在附近产生一个很强的电场，它对鞭状天线设备有影响，而对于建筑物内部电场干扰一般可以忽略。

　　2.2.4电磁耦合

　　远距离雷电放电产生的电磁场会在大范围的数据传输网上感应出过电压，这种干扰会传导到接口上，但这种情况下，直接辐射的电磁场很难对建筑物内的家居电子设备造成破坏。

　　3、智能家居系统干扰的抑制措施

　　根据IEC61312标准，家居电子设备应设置多级防雷保护措施，一般为三级配置。由于雷电流主要是由首次雷击电流和后续雷击电流所组成，因此，雷电过电压的保护必须同时考虑到如何抑制（或分流）首次雷击电流和后续雷击电流。在采取多级保护措施的同时，还必须考虑各级之间的能量配合和解耦措施。家居网络系统的防雷可采用两种措施，即外部防雷和内部防雷。外部防雷可将绝大部分雷电流直接引入地下泄散；内部防雷可阻塞沿电源或信号线所引入的雷电波。这两道防线，互相配合，各尽其职，缺一不可。

　　按照防护范围，可将智能家居系统电子设备的防雷措施分为两类，外部防护和内部防护。外部防护是指对安装电子设备的建筑物本体的安全防护，可采用避雷针、分流、屏蔽网、均衡电位、接地等措施，这种防护措施人们比较重视、比较常见，相对完善。内部防护是指在建筑物内部电子设备对过电压（雷电或电源系统内部过电压）的防护，其措施有：等电位联结、屏蔽、保护隔离、合理布线和设置过电压保护器等措施，这种措施相对来说是比较新的办法，也不够完善，下边对弱电设备防雷进行探讨，主要对雷电浪涌及地电位差的防护提出一些看法。

　　3.1智能家居系统电子设备的外部防护

　　外部防雷主要指建筑物的防雷，一般是防护直击雷，它是防雷技术革新的主要组成部分，其技术措施可分接闪器（避雷针、避雷带、避雷网等金属接闪器）、引下线、接地体和法拉第笼等。系统设备的外部防护首先是使用建筑物的避雷针将主要的雷电流引入大地；其次是在将雷电流引入大地时尽量将雷电流分流，避免造成过电压危害设备；第三是利用建筑物中的金属部件以及钢筋可以作为不规则的法拉第笼，起到一定的屏蔽作用，如果建筑物中的设备是低压电子逻辑系统、遥控、小功率信号电路的电器，则需要加装专门的屏蔽网，在整个屋面组成不大于5m×5m或6m×4m的网格，所有均压环采用避雷带等电位连接；第四是建筑物各点的电位均衡，避免由于电位差危害设备；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷击建筑物时接点电位，避免损坏设备。

　　接地电阻应符合相关标准，一般为4Ω。对某些设备制造厂商有特殊接地要求，将直流地与其它6个接地类型分开以避免电磁干扰和零地电位升高。但当有雷电对地泄放时，高电压将通过直流地反击设备。因此，对于这种情况宜在防雷地和直流地之间加装地电位均衡器，避免反击现象。

　　3.2智能家居系统设备的内部保护

　　内部防雷系统主要是对建筑物内易受过电压破坏的设备加装过压保护装置，在设备受到过电压侵袭时，保护装置能快速动作泄放能量，从而保护设备免受损坏。内部防雷分为电源防雷和信号防雷。

　　从EMC（电磁兼容）的观点来看，防雷保护由外到内应划分为多级保护区。最外层为0级，是直接雷击区域，危险性最高，主要是由外部（建筑）防雷系统保护，越往里则危险程度越低。保护区的界面划分主要通过防雷系统、钢筋混凝土及金属管道等构成的屏蔽层形成，从0级保护区到最内层保护区，必须实行分层多级保护，从而将过电压降到设备能承受的水平。一般而言，雷电流经传统避雷装置后约有50％是直接泄入大地，还有50％将平均流入各电气通道（如电源线，信号线和金属管道等）。

　　随着家居电子设备的大规模使用，雷电以及操作瞬间过电压造成的危害越来越严重。以往的防护体系已不能满足智能家居网络安全的要求。应从单纯一维防护转为三维防护，包括：防直击雷、防感应雷电波侵入、防雷电电磁感应、防地电位反击以及操作瞬间过电压影响等多方面作系统综合考虑。

　　多级分级（类）保护原则：即根据电气、电子设备的不同功能及不同受保护程序和所属保护层确定保护要点作分类保护；根据雷电和操作瞬间过电压危害的可能通道从电源线到数据通信线路都应做多级层保护。

　　3.2.1电源部分防护

　　家居电子设备的电源雷电侵害主要是通过线路侵入。高压部分有专用高压避雷装置，电力传输线把对地的电压限制到小于6000V（IEEEEC62.41），而线对线则无法控制。所以，对380V低压线路应进行过电压保护，按国家规范应有三部分：建议在高压变压器后端到二次低压设备的总配电盘间的电缆内芯线两端应对地加避雷器或保护器，作一级保护；在二次低压设备的总配电盘至二次低压设备的配电箱间电缆内芯线两端应对地加装避雷器保护器，作二级保护；在所有重要的、精密的设备以及UPS的前端应对地加装避雷器或保护器，作为三级保护。目的是用分流（限幅）技术即采用高吸收能量的分流设备（避雷器）将雷电过电压（脉冲）能量分流泄入大地，达到保护目的。所以，分流（限幅）技术中采用防护器的品质、性能的好坏是直接关系网络保护的关键，因此，选择合格优良的避雷器或保护器至关重要。

　　电源防雷系统主要是防止雷电波通过电源线路对计算机及相关设备造成危害。为避免高电压经过防雷器对地泄放后的残压或因更大的雷电流在击毁防雷器后继续毁坏后续设备，以及防止线缆遭受二次感应，依照有关防雷工程试行草案，应采取分级保护、逐级泄流的原则。一是在大楼电源的总进线处安装放电电流较大的一级电源防雷器，二是在重要楼层或重要设备电源的进线处加装二级或三级电源防雷器。为了确保遭受雷击时，高电压首先经过一级电源防雷器，然后再经过二级电源防雷器，一级电源防雷器和二级电源防雷器之间的距离要大于10～15m，如果两者间距不够，可采用带线圈的防雷箱，这样可以避免二级电源防雷器首先遭受雷击而损坏。

　　3.2.2信号部分保护

　　对于智能家居系统，应分为粗保护和精细保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定，精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。

　　由于雷电波在线路上能感应出较高的瞬时冲击能量，因此要求网络通信设备能够承受较高能量的瞬时冲击，而目前大部分设备由于电子元器件的高度集成化而使耐过电压、耐过电流水平下降，必须在网络通信接口处加装必要的防雷保护装置以确保网络通信系统的安全运行。

　　对智能家居系统进行防雷保护，选取适当保护装置非常重要，应充分考虑防雷产品与通信系统的匹配。对于信息系统，应分为粗保护和精细保护。粗保护量级根据所属保护区的级别确定，精细保护要根据电子设备的敏感度来进行确定。

　　3.2.3　接地处理

　　一定要求有一个良好的接地系统，因为所有防雷系统都需要通过接地系统把雷电流泄入大地，从而保护设备和人身安全。如果机房接地系统做得不好，不但会引起设备故障，烧坏元器件，严重的还将危害工作人员的生命安全。另外还有防干扰的屏蔽问题，防静电的问题都需要通过建立良好的接地系统来解决。