楊繼華，徐義亨

(浙江中控技術(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310012)

電磁能量以電磁波的形式從場(chǎng)源向周圍空間傳播且不再返回場(chǎng)源的現(xiàn)象被稱為電磁輻射，通過(guò)空間的電磁輻射形成的干擾耦合被稱為輻射耦合。輻射耦合可以將能量從一臺(tái)設(shè)備或電路傳輸?shù)搅硪慌_(tái)設(shè)備或電路，傳輸?shù)穆窂蕉讨料到y(tǒng)內(nèi)可以想像的極小距離，長(zhǎng)至相隔很遠(yuǎn)的系統(tǒng)間乃至星際間的距離。

1 某工程案例的要求分析

2017年某集團(tuán)公司準(zhǔn)備建1套600 kt/a的甲醇制烯烴項(xiàng)目。離該項(xiàng)目所在地最近距離2.2 km處有某試驗(yàn)基地，該試驗(yàn)基地產(chǎn)生的射頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度在烯烴項(xiàng)目所在地為134 dB。該試驗(yàn)基地要求烯烴裝置的控制測(cè)量系統(tǒng)的電磁場(chǎng)輻射抗擾度必須大于134 dB，以保證在運(yùn)行過(guò)程中，試驗(yàn)基地產(chǎn)生的射頻電磁場(chǎng)不會(huì)導(dǎo)致烯烴裝置發(fā)生意外事故。

根據(jù)GB/T 17626.3—2006《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度試驗(yàn)》，射頻輻射電磁場(chǎng)強(qiáng)度分貝數(shù)的基準(zhǔn)值為1 μV/m，故可以推算出134 dB所對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度E。

因?yàn)?0 lgE/1(μV/m)=134 dB，得： lgE=6.7。所以，E=5 011 872 μV/m=5.01 V/m。

即E用單位V/m表示的話，整個(gè)烯烴裝置的控制測(cè)量系統(tǒng)的射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度必須大于5.01。

GB/T 17626.3—2006規(guī)定，當(dāng)場(chǎng)源的射頻電磁波頻率為80～1 000 MHz時(shí)，射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度的試驗(yàn)等級(jí)見(jiàn)表1所列。因此，在設(shè)計(jì)該裝置的控制測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)在技術(shù)規(guī)格書中規(guī)定其射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度的試驗(yàn)等級(jí)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定該試驗(yàn)等級(jí)應(yīng)達(dá)到3級(jí)要求(10 V/m)。然而，實(shí)現(xiàn)該要求難度較高。

表1 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度的試驗(yàn)等級(jí)

2 射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度指標(biāo)與電磁戰(zhàn)

通常情況下，人們認(rèn)為輻射耦合形成的電磁干擾，只能干擾電子設(shè)備的正常運(yùn)行,不會(huì)造成電子設(shè)備的損壞。

1958年美國(guó)軍方在一次氫彈試驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)核電磁脈沖的奇特效應(yīng)，核電磁脈沖在擴(kuò)散的過(guò)程中，會(huì)瞬間發(fā)出極強(qiáng)的能量，并以光速擴(kuò)散，使其影響范圍內(nèi)任何未加保護(hù)的電子設(shè)備，通過(guò)電磁脈沖能量的輻射耦合，造成電氣設(shè)備和電子系統(tǒng)的失靈，甚至燒毀。之后，世界上相繼出現(xiàn)了諸如電磁彈(又稱“強(qiáng)力微波武器”)、非核電磁脈沖彈、電磁脈沖彈(又稱“高能微波彈”)等特殊的戰(zhàn)爭(zhēng)武器，以癱瘓對(duì)方的指揮、控制和通信用的電子設(shè)備。從此，出現(xiàn)了戰(zhàn)爭(zhēng)的另外一種形式—— 電磁戰(zhàn)。

為此，2002年發(fā)布的IEC 61000-4-3： 2002(GB/T 17626.3—2006等同采用)，較之1998年版，有關(guān)射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度的試驗(yàn)等級(jí)由原來(lái)的3級(jí)增加到4級(jí)(見(jiàn)表1所列)，最大抗擾度由10 V/m大幅度地提高到30 V/m，全面提高各種控制測(cè)量系統(tǒng)抗各種強(qiáng)電磁干擾的能力，旨在防止工業(yè)控制測(cè)量系統(tǒng)面臨電磁戰(zhàn)襲擊所帶來(lái)的危險(xiǎn)。

3 有關(guān)輻射耦合的幾個(gè)相關(guān)概念

3.1 近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)

電磁場(chǎng)的特性取決于源場(chǎng)、源場(chǎng)周圍的介質(zhì)以及源場(chǎng)和觀察點(diǎn)之間的距離?？梢詫⑤椛湓粗車目臻g劃分為近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)兩個(gè)區(qū)域，并以λ/2π(λ為電磁波的波長(zhǎng))作為近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的邊界點(diǎn)。距離小于λ/2π的區(qū)域?yàn)榻鼒?chǎng)，大于λ/2π的地方稱遠(yuǎn)場(chǎng)，接近λ/2π的區(qū)域稱之謂近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的過(guò)渡區(qū)域。

λ和電磁波的傳播速度c以及頻率f的關(guān)系如式(1)所示：

λ=c/f

(1)

式中：c=3×108m/s。

例如，相對(duì)于頻率為25 kHz時(shí)，近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的邊界點(diǎn)約為2 km；相對(duì)于頻率為100 MHz時(shí)，邊界點(diǎn)僅為0.5 m左右。

理論上可以證明，近場(chǎng)只存在電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的能量交換，沒(méi)有能量輸出，對(duì)應(yīng)的干擾耦合為電容性耦合與電感性耦合，因此近場(chǎng)也稱為感應(yīng)場(chǎng)。只有在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)才存在輻射耦合，故又稱為輻射場(chǎng)。無(wú)線電廣播通信設(shè)備、對(duì)講機(jī)、電焊機(jī)、晶閘管整流器、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火器、鈉燈、熒光燈等都會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，影響控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。它們的頻率范圍一般是150 kHz～1 000 MHz。

3.2 波阻抗

波阻抗Z是電磁波中電場(chǎng)分量與磁場(chǎng)分量之比，如式(2)所示：

Z=E/H

(2)

式中：H——磁場(chǎng)強(qiáng)度，A/m。

對(duì)近場(chǎng)而言，Z取決于干擾源的特性以及離干擾源的距離。如干擾源為大電流低電壓的情況，則近場(chǎng)主要為磁場(chǎng)，Z呈低阻抗特性，以電感性耦合的噪聲為主。如干擾源為高電壓小電流的情況，則近場(chǎng)主要為電場(chǎng)，Z呈高阻抗特性，以電容性耦合的噪聲為主。Z和離干擾源距離r的關(guān)系如圖1所示。

圖1 Z和離干擾源距離r的關(guān)系示意

令觀察點(diǎn)r和λ/2π之比為

(3)

式中：Rx——干擾源和觀察點(diǎn)之間相對(duì)于波長(zhǎng)的距離大小。

在近場(chǎng)，干擾源主要為電場(chǎng)時(shí)的Z0為

(4)

干擾源主要為磁場(chǎng)時(shí)的Z1為

(5)

在遠(yuǎn)場(chǎng)中，電磁波十分規(guī)整，電場(chǎng)和磁場(chǎng)在強(qiáng)度上有固定的比例關(guān)系，即Z是一個(gè)常數(shù)120π，為377 Ω(如圖1所示)。

在工程中，可以用場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)出對(duì)應(yīng)電磁波的頻率、電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度，并根據(jù)觀察點(diǎn)離干擾源的距離，判斷出存在的干擾耦合是屬于哪一種類型。

3.3 輻射耦合的感應(yīng)噪聲

一根金屬導(dǎo)線在輻射的電磁場(chǎng)里，就像一根天線，在導(dǎo)體上會(huì)產(chǎn)生正比于電場(chǎng)強(qiáng)度的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)U，如式(6)所示：

U=heefE

(6)

式中：heef——比例常數(shù)，也稱天線的有效高度。

在工程中，對(duì)于較長(zhǎng)的I/O信號(hào)電纜、通信電纜和電源電纜等都能接收到電磁波并在其上感應(yīng)出干擾電壓。例如： 當(dāng)垂直極化波的電場(chǎng)強(qiáng)度為100 mV/m時(shí)，長(zhǎng)度為10 cm的垂直導(dǎo)體，可以產(chǎn)生5 mV的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

4 輻射屏蔽的機(jī)理

同樣一根帶屏蔽層的雙絞線和同軸電纜，為抑制電容性耦合、電感性耦合以及輻射耦合，它們的屏蔽機(jī)理以及屏蔽層的接地方式是不一樣的[1-2]。

輻射屏蔽是用包括金屬導(dǎo)體或其他對(duì)射頻電磁波有衰減作用的材料制做的屏蔽體阻止電磁波在空間傳播的一種措施，其屏蔽原理是： 當(dāng)電磁波入射到金屬屏蔽體上時(shí)，由于空氣與金屬交界面的阻抗不連續(xù)，故在交界面上產(chǎn)生波反射(稱反射損耗)。另一部分進(jìn)入金屬體內(nèi)，其中一部分在屏蔽體內(nèi)的傳播中由于感應(yīng)渦流產(chǎn)生了吸收損耗；還有一部分在屏蔽體內(nèi)部經(jīng)屏蔽體兩側(cè)的多次反射而衰減；最后還剩下一部分能量透過(guò)屏蔽體。金屬屏蔽體對(duì)入射電磁波的衰減過(guò)程如圖2所示。

圖2 金屬屏蔽體對(duì)入射電磁波的衰減過(guò)程示意

設(shè)入射波和透過(guò)金屬屏蔽體后的電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度之比(Ei/Et)為金屬屏蔽體的屏蔽效果，則可得：

S=20lg(Ei/Et)=A+R+B(dB)

(7)

式中：Ei——入射波的電場(chǎng)強(qiáng)度；Et——穿透屏蔽體后的電磁波的電場(chǎng)強(qiáng)度；A——電磁波在屏蔽體內(nèi)由于感應(yīng)渦流產(chǎn)生的衰減，稱吸收損耗；R——由于反射作用造成的入射波的損耗，稱反射損耗；B——因入射波在金屬屏蔽體內(nèi)多次反射造成的損耗，一般可忽略。

其中,吸收損耗計(jì)算如式(8)所示：

(8)

式中：t——屏蔽體厚度，mm；f——電磁波的頻率，MHz；μr——屏蔽體的相對(duì)導(dǎo)磁率；G——屏蔽體相對(duì)于銅的導(dǎo)電率。

在用金屬材料作屏蔽體的情況下，反射損耗計(jì)算如式(9)所示：

R=108-10lg(fμr/G)(dB)

(9)

比較式(8)和式(9)可知，R和屏蔽層的厚度無(wú)關(guān)，而A正比于屏蔽層的厚度。圖3為厚度為0.508 mm的銅箔屏蔽的效果。

圖3 厚度為0.508 mm銅箔的輻射屏蔽效果示意

由圖3可知： 在頻率不太高時(shí)，輻射屏蔽的效果由R決定，并隨頻率的增加而降低；在高頻時(shí)，屏蔽的效果由A決定，并隨頻率增加而增加；總的屏蔽效果(R+A)在中頻段最差。

諸如雙層屏蔽、薄膜屏蔽、非實(shí)心型屏蔽體以及通風(fēng)口、裝配面處接縫泄漏的抑制措施等可詳見(jiàn)文獻(xiàn)[3-5]。

5 工程案例

5.1 某裝置遭雷擊時(shí)的輻射耦合

2004年7月10日16時(shí)，某石化公司苯酚裝置遭雷擊，使該裝置的DCS內(nèi)的EPROM內(nèi)的程序丟失，導(dǎo)致整個(gè)裝置停車,而控制室內(nèi)的其他設(shè)備沒(méi)有損壞。經(jīng)重新下載安裝程序，才恢復(fù)正常運(yùn)行。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：

1)裝置的控制室為一間單層廠房，雷擊時(shí)兩側(cè)的大窗戶敞開(kāi)著，且裝有DCS的機(jī)柜柜門也半掩著。

2)雷擊接閃點(diǎn)在離控制室約10 m遠(yuǎn)的塔器上，塔上接閃器的端部發(fā)黑，說(shuō)明接閃器頂部在接閃時(shí)產(chǎn)生過(guò)火花放電。

從而得出結(jié)論： 由于雷擊時(shí)產(chǎn)生的火花放電效應(yīng)，并隨之形成了射頻電磁波，加之DCS的柜門處于敞開(kāi)狀態(tài)，丟失了一道屏蔽層，導(dǎo)致EPROM內(nèi)的程序丟失。

5.2 塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站其鏡場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的輻射耦合

某塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站采用了100面大型定日鏡，大面積的鏡場(chǎng)控制系統(tǒng)由就地控制單元(包括伺服驅(qū)動(dòng)器、就地PLC)、上位PLC以及光斑圖像采集處理系統(tǒng)等組成。就地控制單元與上位PLC控制器采用無(wú)線通信模式。該無(wú)線通信應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)層通信(TCP/IP)以取代有線通信，通信頻率選用國(guó)家公開(kāi)頻段2.4G網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)通信信號(hào)中斷時(shí)，就地控制單元可以自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，將定日鏡旋轉(zhuǎn)至初始位置。

由于電氣輻射干擾、太陽(yáng)的無(wú)線電噪聲以及電離層和各種射線組成的太空背景噪聲的影響，控制室與定日鏡就地控制單元之間的通信聯(lián)系常受到干擾，無(wú)法正常工作，不得不將無(wú)線通信改為傳統(tǒng)的有線通信。

6 機(jī)柜室射頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度的控制限值

由于射頻電磁場(chǎng)對(duì)人體的熱效應(yīng)以及生物效應(yīng)，考慮到人體的安全要求，GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》對(duì)公眾暴露的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)的場(chǎng)量限值作出了規(guī)定。圖4為筆者所在團(tuán)隊(duì)在某核電站設(shè)備處于通電狀態(tài)下的停堆期間，對(duì)機(jī)柜間射頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果，由圖4可知，頻率在2 500～3 000 MHz時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值約為7 mV/m，頻率在3 750～4 250 MHz時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值為18 mV/m，符合該標(biāo)準(zhǔn)的要求。對(duì)應(yīng)于不同頻率范圍內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度在公眾暴露情況下的控制限值該標(biāo)準(zhǔn)都有詳細(xì)的規(guī)定。

圖4 某核電站機(jī)柜間在停堆期間的射頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度的分布示意

7 結(jié)束語(yǔ)

在近十多年的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與試驗(yàn)中，有關(guān)干擾的輻射耦合的案例頗多。簡(jiǎn)單的如一輛大卡車在啟動(dòng)時(shí)，由于點(diǎn)火器的火花效應(yīng)產(chǎn)生的射頻電磁波導(dǎo)致離大卡車10 m處的整個(gè)控制室內(nèi)的指針式儀表發(fā)生指針晃動(dòng)；較為復(fù)雜的如機(jī)器人的通信干擾與控制干擾等。限于篇幅，不一一列述。