摘要：电梯由于其使用量大，且与人们的日常生活息息相关，得到了越来越多的关注。而伴随着电梯相关电磁兼容性标准的颁布，国家对电梯电磁兼容性的重视也提升到了一定的高度。从介绍电磁兼容的基础理论出发，解析了谐波对电力设备和用电设备造成的危害，列举了国内相关电磁兼容标准和国外的电磁兼容组织，最后总结了一些降低电磁干扰的方法。
关键词：电梯 电磁兼容 EMC 电磁干扰 谐波
Abstract: In the elevator because of its use of a large quantity, and is closely related to people's daily lives, has been more and more attention. Accompanied elevator electromagnetic compatibility standards promulgated, the country elevator electromagnetic compatibility emphasis elevated to a certain height. Departure from the basic theory of the introduction EMC, resolve the harmonic harm caused by electrical equipment and electrical equipment, cited domestic EMC, EMC standards and foreign organizations, concluded reduce electromagnetic interference.
Keywords: Elevator, the EMC, EMC, electromagnetic interference harmonic
中图分类号：O552.4+24 文献标识码：A 文章编号：
1引言
电磁兼容(EMC)是指电子设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。随着低功耗、高速度、高集成化的电子产品被越来越多地应用到电梯中，电梯控制系统的数字化和集成度越来越高，这也使得电梯的电磁辐射和抗干扰问题越来越突出。主要体现在两方面：一是随着控制芯片的主频率的提升及继承电路的使用，使其抗干扰能力下降，更容易受到电磁干扰的威胁;二是变频器、永磁同步电机的使用使电梯的电磁辐射能力变强，成为不可忽视的干扰源。
我国对电磁兼容理论和技术的研究起步较晚。上世纪80年代逐步开始组织系统的研究并制订国家级和行业级电磁兼容性标准和规范，到目前已制定了30多个国家标准和军用标准。90年代以来，随着国民经济和高科技产业的迅速发展，电磁兼容要求越来越高，我国也更加重视电磁兼容技术，投入大量人力、物力建立了一批电磁兼容试验中心。
在电梯方面，国家对与电梯相关的电磁兼容性也越来越重视，在GB7588-2003《电梯制造与安装安全规范》中，首次提出电磁兼容性要符合EN12015和ENl2016中相关要求，表面上看是对电磁兼容性提出的要求，实际上就是对设备的抗电磁干扰能力提出相应要求。GB/T 24807-2009《电磁兼容 电梯、自动扶梯和自动人行道的产品系列标准 发射》以及GB/T 24808-2009《电磁兼容 电梯、自动扶梯和自动人行道的产品系列标准 抗扰度》于2009年12月15日发布，并与2010年6月 1日实施。而且总局标准委员会目前正在筹划将这两个标准由推荐性标准修改为强制性标准。
2电磁兼容介绍
电磁兼容包括两个方面的含义。
(1)电子设备或系统内部的各个部件和子系统、一个系统内部的各台设备乃至相邻几个系统，在它们自己所产生的电磁环境及在它们所处的外界电磁环境中，能按原设计要求正常运行。换句话说，它们对电磁干扰具有一定的抗扰度。
(2)该设备或系统自己产生的电磁噪声(Electromagnetic Noise)必须被限制在一定的电平范围内，使由它所造成的电磁干扰不致对周围的电磁环境造成严重的污染或者影响其他设备或系统的正常运行。
构成电磁干扰有三个要素，即：骚扰源、耦合途径及敏感设备。骚扰源产生的电磁骚扰通过其与敏感设备之间已有的或潜在的耦合途径将骚扰源的能量传输到敏感设备，在敏感设备上产生电磁干扰。在电磁干扰的作用下，电子设备根据其自身的抗干扰能力以及电磁干扰的强度，可能不受干扰的影响，也可能出现误动作，严重情况下可能导致设备的损坏。电磁兼容问题的实质是骚扰源的电磁能量传递到敏感设备上。进一步可以把电磁能量的传递划分为四类：辐射发射、辐射敏感度、传导发射和传导敏感度。
一个系统如果满足以下三个准则，就认为与其环境电磁兼容：(1)不对其他系统产生干扰;(2)对其他系统的发射不敏感;(3)不对自身产生干扰。
电磁骚扰源可以分为三类：
(1)自然骚扰源。自然界中存在的骚扰源，主要是雷电。这种骚扰源与人类的活动无关，但能够控制其作用。
(2)系统内部骚扰源。系统本身存在的骚扰源，设备及线路操作及工作时将产生不同程度的电磁骚扰。
(3)系统外部骚扰源。与系统无关的系统外部存在的骚扰源。
电磁骚扰产生的根本原因是电路中有电压或电流的变化，即大的dv/dt和di/dt。在电磁兼容研究中，不仅要关注骚扰源的时域特性，同时更要关注其频域特性。如果只知道时域特性，则只能采用限制骚扰的幅值的措施，限幅后的骚扰仍可能危害接收设备。而如果知道了骚扰的频域特性，则可以通过滤波等措施彻底消除电磁骚扰对设备的影响。
电梯与EMC相关的主要设备有：控制柜、曳引机、门机、UPS电源等。电梯的工作场所存在大量的干扰源，如供电系统的电流往往不是纯净50Hz的正弦波，而可能含有高次谐波或尖峰高压成分;控制柜主板上的芯片与各节点微处理器(轿内操纵箱、轿顶控制箱、各层站呼梯面板等)的前后通道及其传输线之间容易窜入干扰信号;变频器产生的高次谐波和电磁干扰等。
3 谐波的危害
谐波对电力设备和用电设备具有非常大的危害。
3.1影响线路的稳定运行
供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，保证线路与设备的安全。但由于电磁式继电器与感应式继电器容易误动作，在谐波影响下不能有效地起到保护作用。晶体管继电器虽有许多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样，谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。谐波电流使输电线路的电能损耗增加，当注入电网的谐波频率位于网络谐振点附近的谐振区内时，对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。
3.2对电力电容器的危害
含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得更大，使电容器损耗功率增加。在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。
3.3对电力变压器的危害
谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度和铜损。对带有非对称性负荷的变压器，能增加励磁电流的谐波分量。谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、涡流损耗以及与导体外部因漏磁通而引起的杂散损耗。使变压器的铁耗增大，主要表现在铁芯中的磁滞损耗增加，谐波使电压波形变差，磁滞损耗越大。此外，谐波还导致变压器噪声增大，随着谐波次数的增加，振动频率在1 k 左右的成分使噪声增加，有时还发出金属声。
3.4对电力电缆的危害
电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，导致导体的交流电阻增大，使电缆的允许通过电流减小。另外，电缆电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路容抗与系统并联，在一定数值电感与电容下可能发生谐振。
3.5对电动机的危害
谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用。当谐波频率接近某零件固有频率时会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。
3.6对低压开关设备的危害
特别对电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，可靠性降低，造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器受谐波电流的影响，铁耗增大而发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大;热磁型的断路器，由于集肤效应与铁耗增加引起发热，使额定电流与脱扣电流降低;电子型的断路器，谐波也使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低的更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。
对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流的作用，使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接触器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点、线圈温度，使额定电流降低。对于热继电器来说，谐波电流会使额定电流降低，它们都有可能造成误动作。
3.7对弱电系统设备的干扰
电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。对于计算机网络、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。
4 电磁兼容的技术标准和组织
4.1国际相关组织
国际上从事电磁兼容工作的组织有：
(1)国际电工技术委员会(IEC)
(2)国际无线电干扰特别委员会(CISPR)
(3)国际电信联盟(ITU)
(4)国际无线电咨询委员会(CCIR)
(5)国际无线电科学联盟(URSI)
(6)IEEE电磁兼容专业学会(IEEE EMC-S)
欧盟的EMC指令：欧盟的EMC指令要求从1996年开始，凡欲进入欧共体市场的电子、电器产品必须符合有关电磁兼容标准要求，并在产品上粘贴符合性标记“CE”。
美国FCC要求：FCC目前对有关产品的要求主要是电磁骚扰特性。FCC Part15、Part18、Part68分别是关于射频设备、工-科-医射频设备和通信设备的电磁骚扰特性的限制要求。
4.2国内相关标准
表1列出了一部分国内的与电磁兼容相关的国家标准。
表1 国内电磁兼容相关标准
GB/T 4365--1995电磁兼容术语
GB/T 24807-2009电磁兼容 电梯、自动扶梯和自动人行道的产品系列标准 发射
GB/T 24808-2009电磁兼容 电梯、自动扶梯和自动人行道的产品系列标准 抗扰度
GB/T 6113--1995无线电干扰和抗扰度测量设备规范
GB/T 15658--1995城市无线电噪声测量方法
GB/T 13926.1--92工业过程测量和控制装置的电磁兼容性总论
GB/T 13926.2--92工业过程测量和控制装置的电磁兼容性静电放电要求
GB/T 13926.3--92工业过程测量和控制装置的电磁兼容性辐射电磁场要求
GB/T 13926.4--92工业过程测量和控制装置的电磁兼容性电快速瞬变脉冲群要求
GB/T 14431--93无线电业务要求的信号/干扰保护比和最小可用场强
GB 4343--1995家用和类似用途电动、电热器具，电动工具以及类似电器无线电干扰特性测量方法和允许值
GB 4824--1996工业、科学和医疗(ISM)射频设备电磁骚扰特性的测量方法和限值
GB 9383--1995声音和电视广播接收机及有关设备传导抗扰度限值及测量方法
GB 13421--92无线电发射机杂散发射功率电平的限值和测量方法
GB/T 13836--9230MH2～1GH声音和电视信号的电缆分配系统设备与部件辐射干扰特性允许值和测量方法
GB 13837--1997声音和电视广播接收机及有关设备无线电干扰特性限值和测量方法
GB/T 13838--92声音和电视广播接收机及有关设备辐射抗扰度特性允许值和测量方法
GB 13839--92声音和电视广播接收机及有关设备内部抗扰度允许值和测量方法
GB 14023--92车辆、机动船和由火花点火发动机驱动的装置的无线电干扰特性的测量方法及允许值
GB 15540--1995陆地移动通信设备电磁兼容技术要求和测量方法
GB 15707--1995高压交流架空送电线无线电干扰限值
GB/T 15708--1995交流电气化铁道电力机车运行产生的无线电辐射干扰的测量方法
GB/T 15709--1995交流电气化铁道接触网无线电辐射干扰测量方法
GB 15734--1995电子调光设备无线电骚扰特性限值及测量方法
GB 15949--1995声音和电视信号的电缆分配系统设备与部件抗扰度特性限值和测量方法
B 16787--199730MHz～1GHz声音和电视信号的电缆分配系统辐射测量方法和限值
GB 16788--199730MHz～1GHz声音和电视信号电缆分配系统抗扰度测量方法和限值
GB 13617--92短波无线电收信台(站)电磁环境要求
5 电磁干扰的解决措施
降低电磁干扰常用的办法有屏蔽、接地、滤波、阻抗匹配、隔离、合理布线等。通过对电磁干扰源、耦合途径采取上述技术措施，可有效减少或消除电磁干扰。在屏蔽技术中常用的有静电屏蔽、交变电磁场屏蔽、低频磁场屏蔽、高频磁场屏蔽。在电梯设计、安装中采用最多的是磁场屏蔽技术。提高电磁兼容性常采取的措施，是空间分离和时间分隔。空间分离是指控制空间辐射干扰的最有效方法，加大空间距离，例如电梯控制柜内的控制系统和变频系统进行分层布置，并在层层之间加大空间距离。时间分隔是利用有用信号在干扰信号停止发射时间内进行传输(一般是不易采用其它方法控制时，可以采用此方法)的技术措施。
消除电磁干扰常采用的措施有：
(1)利用屏蔽技术减少电磁干扰。为有效的抑制电磁波的辐射和传导及高次谐波引发的噪声电流，在用变频器驱动的电梯电动机电缆必须采用屏蔽电缆，屏蔽层的电导至少为每相导线芯的电导线的1/10，且屏蔽层应可靠接地。
(2)利用接地技术消除电磁干扰。接地方法常用的有信号接地、设备接地、安全接地等。信号接地有多种，如悬浮接地、单点接地、混合接地等。设备接地有单点接地、多点接地。安全接地有设备安全保护接地、接零保护接地、防雷安全接地。要确保电梯控制柜中的所有设备接地良好，应使用短而粗的接地线.连接到电源进线接地点(PE)或接地母排上。特别重要的是，连接到变频器的任何电子控制设备都要与其共地，共地时也应使用短和粗的导线。同时电机电缆的地线应直接接地或连接到变频器的接地端子(PE)。
在设计电子设备及电路板布线时的应力求做到以下几点：
a.正确选择单点接地与多点接地。在低频电路中，信号的工作频率小于1MHz，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而应采用一点接地。当信号工作频率大于10MHz时，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地。当工作频率在1～10MHz时，如果采用一点接地，其地线长度不应超过波长的1/20，否则应采用多点接地法。
b.将数字电路与模拟电路分开。电路板上既有高速逻辑电路，又有线性电路，应使它们尽量分开，而两者的地线不要相混，分别与电源端地线相连。要尽量加大线性电路的接地面积。
c.尽量加粗接地线。若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏。 因此应将接地线尽量加粗，使它能通过三倍于印制电路板的允许电流。如有可能，接地线的宽度应大于3mm。
d.将接地线构成闭环路。设计只由数字电路组成的印制电路板的地线系统时，将接地线做成闭环路可以明显的提高抗噪声能力。
(3)利用双绞线及合理布线改善电磁干扰。串模干扰是串联于信号源回路中的干扰，也称横向干扰或正态干扰。产生串模干扰的原因有分布电容的静电耦合、长线传输的互感、空间电磁场引起的磁场耦合以及50Hz工频的高次谐频干扰等。采用双绞线作为电梯串行通讯系统中的信号引线，可以有效地控制串模干扰，这是由于双绞线中每个绞线环绕方向的互反特征，从而使各个小环路的电磁感应互相抵消。电动机电缆应独立于其它电缆走线，同时应避免电机电缆与其它电缆长距离平行走线，以减少变频器输出电压快速变化而产生的电磁干扰;如果控制电缆和电源电缆交叉时，应尽可能使它们90度交叉，同时必须用合适的线夹将电机电缆和控制电缆的屏蔽层固定到安装板上。
(4)利用滤波器降低电磁干扰。在变频器电源输入端串接抗电磁干扰滤波器，可增加电源阻抗，并帮助吸收附近设备投入工作时产生的浪涌电压和主电源的尖峰电压。该滤波器是一种电感加电容型滤波器。VVVF电梯大多采用脉宽调制技术，通过高频半导体开关器件来产生一定宽度和极性的高频电压脉冲控制信号。由于开关控制的非线性，必然导致系统的非线性，从而产生高次谐波，产生尖峰电流和脉动电压。滤波器内的电感能阻止脉动电流，电容则能对脉动电压进行吸收。安装时应使滤波器尽量靠近变频器，且二者之间尽可能用扁平导线连接，以减少高频阻抗;滤波器输入输出端的接地点要与其外壳相连;滤波器与电源连接前必须先接地。另外，还可以使用低通频滤波器FIR，FIR滤波器应串接在进线电抗器和变频器之间。对噪声敏感的环境中运行的电梯变频器，采用FIR滤波器可以有效减小来自变频器传导中的辐射干扰。
(5)利用阻抗匹配法。长线传输干扰是过程通道干扰的主要因素。电梯控制系统传输线上的信息多为数字脉冲，它在传输线上传输时会出现延时、畸变、衰减及产生波反射现象。一般，采用终端或始端阻抗匹配，可以消除长线传输中的波反射或把它抑制到最低限度。
(6)利用分设法。将电梯的控制线路、信号线路、驱动线路和电源线路分开敷设，可将它们相互间的电磁辐射干扰有效降低。
总结
随着电梯使用数量的不断增加，这种与人们日常生活息息相关的特种设备在电磁兼容性方面的表现也越来越得到重视，在此背景下，国家出台了GB/T 24807-2009以及GB/T 24808-2009，分别对电梯、自动扶梯和自动人行道在发射和抗扰度方面进行了规定。本文从电磁兼容的基本含义出发，介绍了谐波的危害，列举了国内的相关电磁兼容标准和国际组织，最后总结了实现电磁兼容的一些具体措施。
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作者简介
杨桂才，男，高级工程师 主要研究方向为电梯电磁兼容检测技术。
