摘 要 本文介紹了電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和主要功能，以及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中各項電磁兼容試驗及其技術(shù)要求。本文從產(chǎn)品硬件開發(fā)的角度給出了應(yīng)對不同類型電磁干擾的設(shè)計思路，同時對產(chǎn)品的軟件設(shè)計提出了合理化建議，以有效應(yīng)對不同類型的電磁兼容試驗。

【關(guān)鍵詞】電氣火災(zāi) 型式試驗 電磁兼容EMC 硬件設(shè)計

1 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品的EMC性能要求

電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)主要由電氣火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備和各類電氣火災(zāi)監(jiān)控探測器組成，其作為火災(zāi)自動報警系統(tǒng)的重要組成部分，對于預(yù)防電氣火災(zāi)事故的發(fā)生起到重要的作用。其中，監(jiān)控設(shè)備主要用于接收探測器工作狀態(tài)和采樣信號，顯示系統(tǒng)報警信息。各類探測器根據(jù)其測量物理參數(shù)的不同，分為剩余電流式、測溫式、故障電弧式和熱解粒子式等探測器，主要用于測量配電線路中與電氣火災(zāi)成因相關(guān)的各類物理量，并實時向監(jiān)控設(shè)備發(fā)送工作狀態(tài)和測量數(shù)據(jù)。

2014年國家頒布實施了新版的GB 14287-2014《電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，其中每部分標(biāo)準(zhǔn)分別對應(yīng)于監(jiān)控系統(tǒng)中的一種類型產(chǎn)品。GB 14287-2014系列標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品的電磁兼容性能提出了較高的技術(shù)要求，針對產(chǎn)品實際應(yīng)用制定了多項電磁兼容性能試驗，用于測試產(chǎn)品對各類電磁干擾信號的抑制能力。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，在電磁兼容試驗期間，試驗樣品應(yīng)保持正常工作狀態(tài)，不得出現(xiàn)誤報警、系統(tǒng)重啟、顯示或通訊失靈等情況發(fā)生。因此，制造商在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)的最初階段，就需要針對不同類型的電磁干擾建立合理的設(shè)計方案，以保證順利通過型式試驗。

2 EMC試驗項目及其應(yīng)對策略

表1給出了型式試驗中的電磁兼容及電源波動試驗項目，其主要參考依據(jù)為GB/T 17626系列標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 靜電放電抗擾度試驗（ESD）

靜電放電抗擾度試驗（ESD）主要考察產(chǎn)品對來自使用者的靜電放電，或者當(dāng)鄰近物體發(fā)生靜電放電現(xiàn)象時，產(chǎn)品工作的可靠性。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的嚴酷等級為：接觸放電電壓6KV，空氣放電電壓8KV。靜電放電不僅能夠?qū)⒏蓴_電流從金屬部件注入產(chǎn)品電路內(nèi)部，其產(chǎn)生的高頻干擾信號也會耦合進入電路并影響其工作狀態(tài)。一般的設(shè)計方案是在產(chǎn)品的電源、I/O口和接地端之間連接一對快速、低容量的二極管，或直接并聯(lián)更為高效的瞬態(tài)抑制二極管（TVS）。建議在使用TVS管的同時再增加1個或多個高頻旁路電容器，放置在易損元件的電源和地之間。其次，電路的電源端應(yīng)避免產(chǎn)生較大的電感，從而影響濾波電路對脈沖電流的防護。產(chǎn)品金屬外殼的有效接地至關(guān)重要，其電源地、信號地和金屬外殼應(yīng)連接在一起形成系統(tǒng)接地。當(dāng)外殼由多塊金屬結(jié)構(gòu)件組成時，應(yīng)保證金屬殼體的連續(xù)接地。

2.2 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗（EFT）

電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗（EFT）是模擬供電網(wǎng)絡(luò)中感性負載在斷開時，由于開關(guān)觸點間隙的絕緣擊穿或觸點彈跳等原因在斷開處產(chǎn)生的瞬態(tài)騷擾。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，對電源端口的騷擾脈沖幅值電壓為2KV，對I/O口的騷擾脈沖幅值電壓為1KV。由于EFT騷擾信號能量小，信號頻率固定。因此，該試驗對于產(chǎn)品一般不會造成永久性損壞。但當(dāng)脈沖信號群進入電路內(nèi)部對其結(jié)電容持續(xù)充電，能量積累到一定程度后，還是會引起電路中控制單元的誤動作或觸發(fā)錯誤的IC片選信號導(dǎo)致故障發(fā)生。對于電源端的脈沖騷擾，一般選擇在電源入口處加入鐵氧體磁環(huán)或共模電感。對于通訊或采樣功能的I/O信號端口，建議再加入信號濾波器，以防止騷擾信號進入電路內(nèi)部的信號處理單元。

2.3 浪涌（沖擊）抗擾度試驗

浪涌（沖擊）抗擾度試驗主要模擬供電網(wǎng)絡(luò)中大電容器件的開關(guān)，以及雷電瞬態(tài)過電壓引起的單極性浪涌電壓沖擊。試驗采用注入方式、通過耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)對產(chǎn)品的交流電源線和其他外部連接線進行浪涌沖擊干擾。浪涌試驗的沖擊能量大，很容易造成電路內(nèi)部器件的擊穿損壞。一般的應(yīng)對策略是，使用壓敏電阻、TVS管、氣體放電管等專門的浪涌抑制器件，或者多種器件配合使用以達到更好的浪涌抑制效果。

壓敏電阻所能承受的峰值電流較大，但由于鉗位電壓較高一般只適用于直流電源線和低頻信號線。TVS管的鉗位電壓性能良好，但其承受電流能力較弱，一般不用于高頻通訊線路上，建議與其他大功率浪涌器件配合使用，作為后一級防護器件。氣體放電管的承受電流很高，鉗位電壓很低，但響應(yīng)時間較長。如果線路的工作電壓較高，會導(dǎo)致放電管工作時間延長，從而影響使用壽命。對于交流電源線路，一般將壓敏電阻串聯(lián)氣體放電管組成浪涌抑制網(wǎng)絡(luò)，同時在后端加入低通濾波器來消除殘余脈沖。此外，還應(yīng)保證產(chǎn)品本身良好的接地。

2.4 射頻電磁場輻射抗擾度、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度和工頻磁場抗擾度試驗

射頻電磁場和射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾抗擾度試驗主要模擬產(chǎn)品處于空間電磁場輻射下，以及電源線或其他外部線路與電磁場耦合所產(chǎn)生的電磁干擾。前一項試驗在微波暗室中、通過發(fā)射天線對產(chǎn)品進行頻率范圍為80M～1000MHz的空間電磁波干擾；后一項試驗則通過耦合/去耦裝置將頻率范圍為150k～80MHz的騷擾信號注入到產(chǎn)品線路中。工頻磁場抗擾度試驗主要模擬供電線路中工頻電流產(chǎn)生的穩(wěn)定、低幅值磁場，以及供電線路或設(shè)備故障時產(chǎn)生的短時、高幅值磁場，磁場波形均為工頻正弦波。

在電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)中，探測器內(nèi)部一般具有模擬信號電路和高精度的A/D轉(zhuǎn)換電路，且各類產(chǎn)品內(nèi)部都具有獨立的時鐘和微處理器芯片。因此，制造商在產(chǎn)品設(shè)計之初就需要考慮以下幾個方面以提高產(chǎn)品在電磁干擾環(huán)境下的可靠性：

（1）在滿足設(shè)計要求的前提下，盡量降低時鐘頻率、減少高頻噪聲，且時鐘線盡可能短；

（2）I/O信號線路遠離時鐘和數(shù)字信號總線；

（3）對PCB的各功能部分合理分區(qū)、合理布線。模擬信號、數(shù)字信號和繼電器、大電流開關(guān)等部件之間要分開，元器件之間的引線要盡量短。信號線路不形成環(huán)路，減少電磁干擾信號的耦合；

（4）電路板具備良好的接地，如PCB上有多個返回地線，最終應(yīng)匯聚到同一點處；

（5）對干擾信號特別敏感的電路考慮加裝金屬屏蔽罩。

2.5 電壓暫降、短時中斷和電源波動試驗

電壓暫降、短時中斷試驗，和電源波動試驗主要模擬供電網(wǎng)絡(luò)由于短時故障或負荷突然增大所引起的供電電壓暫降或中斷，以及供電系統(tǒng)負荷變化或供電線路過長而導(dǎo)致的電壓波動或持續(xù)壓降，試驗主要針對AC220V供電產(chǎn)品。試驗條件分別為：供電電壓為40%額定電壓、持續(xù)時間為10個正弦波周期的電壓暫降試驗；供電電壓為0V、持續(xù)時間為1個正弦波周期的短時中斷試驗；以及供電電壓為85%～110%額定電壓的電壓波動試驗。對于配有備用電源的產(chǎn)品，電壓暫降和短時中斷雖然可能會對其供電造成影響，但由于試驗時間短，因此可以通過軟件濾波等手段使產(chǎn)品狀態(tài)保持穩(wěn)定。對于探測器等無備用電源的產(chǎn)品，為了避免產(chǎn)品在試驗條件下出現(xiàn)重啟、顯示器件失靈等現(xiàn)象，一般會在其電源處加入穩(wěn)壓濾波電容。此外，大功率產(chǎn)品一般建議采用開關(guān)電源或隔離變壓器作為穩(wěn)壓裝置，而對于小型的探測器類產(chǎn)品，建議采用性能較好的電源管理芯片，并在前端配以濾波電路。

2.6 提高產(chǎn)品電磁兼容性能的軟件設(shè)計

設(shè)計合理的內(nèi)部芯片程序，同樣能夠提高產(chǎn)品的抗干擾能力。標(biāo)準(zhǔn)中對于各類系統(tǒng)事件的響應(yīng)時間，如探測器報警、系統(tǒng)故障等事件，都提出了明確要求。最短時限要求為探測器報警的響應(yīng)時間不得大于30秒。相對于系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，對系統(tǒng)響應(yīng)速度的要求顯然較為寬松，這給了產(chǎn)品開發(fā)者在兩者間權(quán)衡的余地。因此，對于程序中的I/O口處理指令，如測量信號采集和組件通訊指令，建議其中加入適當(dāng)?shù)目垢蓴_處理?？稍诓蓸佑嬎阒噶钪屑尤胲浖V波算法來降低誤報警觸發(fā)幾率。對于產(chǎn)品的顯示器件，如LCD顯示器和指示燈，應(yīng)在程序中加入定時刷新指令，防止產(chǎn)品在受到干擾時發(fā)生顯示錯誤。為避免騷擾信號進入電路內(nèi)部造成單片機死機或程序跑飛，還應(yīng)在主程序中加入看門狗指令，定時復(fù)位單片機防止發(fā)生內(nèi)部故障或系統(tǒng)假死，減少試驗期間發(fā)生系統(tǒng)組件故障的可能。

3 結(jié)語

GB 14287-2014系列標(biāo)準(zhǔn)的實施，為保證電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品的整體質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。產(chǎn)品設(shè)計者需要依照標(biāo)準(zhǔn)中的各項電磁兼容試驗的具體要求，從硬件和軟件兩個方面綜合提高其電磁兼容性能，使產(chǎn)品能夠為建筑用電安全提供長期、可靠的技術(shù)保障，充分發(fā)揮電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的火災(zāi)預(yù)防作用。

作者簡介

趙宇（1983-），男，遼寧省沈陽市人。公安部沈陽消防研究所、助理研究員、天津大學(xué)學(xué)士學(xué)位，主要從事消防電子產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)品檢測技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)檢測設(shè)備開發(fā)等工作。

作者單位

公安部沈陽消防研究所 遼寧省沈陽市 110034