摘要：文章結(jié)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(duì)瞬態(tài)干擾防護(hù)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(guān)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(hù)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(hào)，其特點(diǎn)是作用時(shí)間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大。瞬態(tài)干擾會(huì)造成控制系統(tǒng)的電源電壓的波動(dòng)；當(dāng)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(nèi)部器件的電壓時(shí)，便會(huì)損壞智能家居系統(tǒng)內(nèi)部的設(shè)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(duì)智能家居系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生不同程度的危害。靜電放電在5～200MHz的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的射頻輻射。此輻射能量的峰值經(jīng)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(gè)頻率范圍內(nèi)，結(jié)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(chǎn)生相當(dāng)強(qiáng)的輻射發(fā)射，從而耦合到電纜和機(jī)殼線路。當(dāng)電纜暴露在4～8kV靜電放電環(huán)境中時(shí)，信息傳輸電纜終端負(fù)載上可以測(cè)量到的感應(yīng)電壓可達(dá)到600V，這個(gè)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了典型數(shù)字電子設(shè)備的限電壓值0.4V，典型的感應(yīng)脈沖持續(xù)時(shí)間大約為400納秒。

　　家居電子設(shè)備在使用中經(jīng)常會(huì)遇到意外的電壓瞬變和浪涌，從而導(dǎo)致電子設(shè)備的損壞，損壞的原因是電子設(shè)備中的半導(dǎo)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(jì)，電子設(shè)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(huì)產(chǎn)生上萬伏的靜電感應(yīng)電壓，這些都是電子設(shè)備的隱形殺手。因此，為了提高電子設(shè)備的可靠性和人體自身的安全性，必須對(duì)電壓瞬變和浪涌采取防護(hù)措施。

　　1.1家居電子設(shè)備防電壓瞬變浪涌要求

　　1.1.1耐壓要求

　　當(dāng)瞬間電壓超過電子設(shè)備的絕緣耐壓值時(shí)，其安全性能會(huì)降低，甚至被毀。因而電子設(shè)備的瞬間過電壓應(yīng)該小于其絕緣耐壓值，正常的工作電壓應(yīng)小于保護(hù)電壓。

　　1.1.2過流保護(hù)要求

　　電子設(shè)備的過流能力一般設(shè)計(jì)為額定電流的1.5～2倍，以此為標(biāo)準(zhǔn)選擇電子元器件。如額定電流為0.22A的計(jì)算機(jī)其最大過流能力約為0.45A，當(dāng)電流大于該值時(shí)，電子設(shè)備所選用的電子元器件將會(huì)燒壞而無法正常工作，因而應(yīng)該保證到達(dá)電子設(shè)備的瞬間過電流小于其額定電流的1.5～2倍。

　　1.1.3動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的要求

　　電子設(shè)備在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)采用了許多保護(hù)器件，如快熔器、壓敏電阻、空氣開關(guān)、繼電保護(hù)器件等，每種保護(hù)器件都有特有的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間（如空氣開關(guān)、繼電保護(hù)器件其動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約在200ms左右），而每種電子設(shè)備也有其保護(hù)響應(yīng)時(shí)間，因而流過電子設(shè)備的浪涌瞬態(tài)時(shí)間應(yīng)該大于電子設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，避免保護(hù)器件來不及響應(yīng)而使浪涌通過電子設(shè)備。

　　1.1.4接地保護(hù)要求

　　電子設(shè)備在安裝時(shí)，應(yīng)做到良好接地，否則雷電所產(chǎn)生的浪涌能量將不能有效地對(duì)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(duì)于1.5m長(zhǎng)的接地線L≈1.5μH，雷電在瞬間（如100μs）產(chǎn)生的幾百安培（500A）浪涌脈沖，其di／dt＝5×106A／s，此時(shí)接地線上的壓降U1＝L×di／dt＝1.5×10－6×5×106＝7.5V，設(shè)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(shè)備。因此，對(duì)電子設(shè)備作可靠的接地保護(hù)，能使到達(dá)電子設(shè)備外殼的電壓較小，起到安全保護(hù)的作用。但僅作接地保護(hù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還必須加裝浪涌保護(hù)裝置。因?yàn)?，外界侵入的浪涌能量將首先通過電子設(shè)備再對(duì)地泄放，這樣流經(jīng)電子設(shè)備的浪涌電流基本不變，其能量有可能很大，電子設(shè)備仍有可能被損壞，因此接地保護(hù)對(duì)于電子設(shè)備而言只能是一種輔助性保護(hù)。

　　2、智能家居系統(tǒng)中的主要干擾途徑

　　產(chǎn)生干擾必須具備三個(gè)條件：干擾源、干擾通道、易受干擾設(shè)備。

　　干擾源分為內(nèi)部和外部。內(nèi)部主要是裝置原理和產(chǎn)品質(zhì)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(guān)操作和天氣影響等而引起的浪涌電壓，強(qiáng)電場(chǎng)或強(qiáng)磁場(chǎng)以及電磁波輻射等。

　　干擾通道有傳導(dǎo)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(nèi)部；內(nèi)部則三種均有。

　　由于設(shè)備采用的敏感元件的選用和結(jié)構(gòu)布局等不盡合理，造成本身抗干擾能力差，對(duì)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(yīng)雷可由靜電感應(yīng)產(chǎn)生，也可由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，形成感應(yīng)雷電壓的機(jī)率很高，對(duì)建筑物內(nèi)的電子設(shè)備威脅巨大，家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的防雷工作重點(diǎn)是防止感應(yīng)雷入侵。入侵家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的雷電過電壓過電流主要有以下三個(gè)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(nèi)，電力線路可能遭受直擊雷和感應(yīng)雷。直擊雷擊中高壓電力線路，經(jīng)過變壓器耦合到220V低壓，入侵家居智能系統(tǒng)供電設(shè)備，另外，低壓線路也可能被直擊雷擊中或被感應(yīng)雷過電壓。在220V電源線上出現(xiàn)的雷電過電壓平均可達(dá)10000V，對(duì)家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可造成毀滅性打擊。電源干擾復(fù)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?；虿钅７绞酱嬖?。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(duì)三相電源來講，還存在于相線與相線之間。電源干擾復(fù)雜性中的第二個(gè)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(jìn)入設(shè)備的途徑包括電磁耦合、電容耦合及直接進(jìn)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(dāng)?shù)孛嫱怀鑫镌庵睋衾状驌魰r(shí)，強(qiáng)雷電壓將鄰近土壤擊穿，雷電流直接入侵到電纜外皮，進(jìn)而擊穿外皮，使高壓入侵線路；

　?。?）雷云對(duì)地面放電時(shí)，在線路上感應(yīng)出上千伏的過電壓，擊壞與線路相連的電器設(shè)備，通過設(shè)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；

　?。?）若通過一條多芯電纜連接不同來源的導(dǎo)線或者多條電纜平行鋪設(shè)，當(dāng)某一導(dǎo)線被雷電擊中時(shí)，會(huì)在相鄰的導(dǎo)線感應(yīng)出過電壓，擊壞低壓電子設(shè)備。

　　2.1.3地電位反擊電壓通過接地體入侵

　　雷擊時(shí)強(qiáng)大的雷電流經(jīng)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(shè)備的其他接地體靠近，即產(chǎn)生高壓地電位反擊，入侵電壓可高達(dá)數(shù)萬伏。建筑物防直擊雷的避雷引入了強(qiáng)大的雷電流通過引下線入地，在附近空間產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁場(chǎng)變化，會(huì)在相鄰的導(dǎo)線?包括電源線和信號(hào)線　上感應(yīng)出雷電過電壓，因此建筑物避雷系統(tǒng)不但不能保護(hù)計(jì)算機(jī)，反而可能引入了雷電。家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等設(shè)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(jì)算機(jī)防雷系統(tǒng)，層層防護(hù)，確保計(jì)算機(jī)特別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全。

　　2.2耦合機(jī)制

　　雷電沖擊影響家居電子設(shè)備構(gòu)成系統(tǒng)的耦合機(jī)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(duì)于遠(yuǎn)端地的電位上升高達(dá)幾百千伏，地電位升高形成的電流將分布到設(shè)備的金屬部分，如連接到系統(tǒng)參考點(diǎn)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(dǎo)體上流通的或處在雷電通道的雷電流會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，在幾百米范圍內(nèi)，可以認(rèn)為磁場(chǎng)的時(shí)間變化率與雷電電流時(shí)間變化率相同。然而，磁場(chǎng)經(jīng)常被建筑材料和周圍的物體所衰減和改變。磁場(chǎng)的變化會(huì)在室內(nèi)外電纜設(shè)備上產(chǎn)生感應(yīng)電流和電壓。

　　2.2.3電耦合

　　雷電通道下端的電荷會(huì)在附近產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)，它對(duì)鞭狀天線設(shè)備有影響，而對(duì)于建筑物內(nèi)部電場(chǎng)干擾一般可以忽略。

　　2.2.4電磁耦合

　　遠(yuǎn)距離雷電放電產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)在大范圍的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)上感應(yīng)出過電壓，這種干擾會(huì)傳導(dǎo)到接口上，但這種情況下，直接輻射的電磁場(chǎng)很難對(duì)建筑物內(nèi)的家居電子設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，家居電子設(shè)備應(yīng)設(shè)置多級(jí)防雷保護(hù)措施，一般為三級(jí)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(hù)必須同時(shí)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(jí)保護(hù)措施的同時(shí)，還必須考慮各級(jí)之間的能量配合和解耦措施。家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的防雷可采用兩種措施，即外部防雷和內(nèi)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(nèi)部防雷可阻塞沿電源或信號(hào)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(hù)范圍，可將智能家居系統(tǒng)電子設(shè)備的防雷措施分為兩類，外部防護(hù)和內(nèi)部防護(hù)。外部防護(hù)是指對(duì)安裝電子設(shè)備的建筑物本體的安全防護(hù)，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(hù)措施人們比較重視、比較常見，相對(duì)完善。內(nèi)部防護(hù)是指在建筑物內(nèi)部電子設(shè)備對(duì)過電壓（雷電或電源系統(tǒng)內(nèi)部過電壓）的防護(hù)，其措施有：等電位聯(lián)結(jié)、屏蔽、保護(hù)隔離、合理布線和設(shè)置過電壓保護(hù)器等措施，這種措施相對(duì)來說是比較新的辦法，也不夠完善，下邊對(duì)弱電設(shè)備防雷進(jìn)行探討，主要對(duì)雷電浪涌及地電位差的防護(hù)提出一些看法。

　　3.1智能家居系統(tǒng)電子設(shè)備的外部防護(hù)

　　外部防雷主要指建筑物的防雷，一般是防護(hù)直擊雷，它是防雷技術(shù)革新的主要組成部分，其技術(shù)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(shè)備的外部防護(hù)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(shí)盡量將雷電流分流，避免造成過電壓危害設(shè)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(shè)備是低壓電子邏輯系統(tǒng)、遙控、小功率信號(hào)電路的電器，則需要加裝專門的屏蔽網(wǎng)，在整個(gè)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(diǎn)的電位均衡，避免由于電位差危害設(shè)備；第五是保障建筑物有良好的接地，降低雷擊建筑物時(shí)接點(diǎn)電位，避免損壞設(shè)備。

　　接地電阻應(yīng)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，一般為4Ω。對(duì)某些設(shè)備制造廠商有特殊接地要求，將直流地與其它6個(gè)接地類型分開以避免電磁干擾和零地電位升高。但當(dāng)有雷電對(duì)地泄放時(shí)，高電壓將通過直流地反擊設(shè)備。因此，對(duì)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(shè)備的內(nèi)部保護(hù)

　　內(nèi)部防雷系統(tǒng)主要是對(duì)建筑物內(nèi)易受過電壓破壞的設(shè)備加裝過壓保護(hù)裝置，在設(shè)備受到過電壓侵襲時(shí)，保護(hù)裝置能快速動(dòng)作泄放能量，從而保護(hù)設(shè)備免受損壞。內(nèi)部防雷分為電源防雷和信號(hào)防雷。

　　從EMC（電磁兼容）的觀點(diǎn)來看，防雷保護(hù)由外到內(nèi)應(yīng)劃分為多級(jí)保護(hù)區(qū)。最外層為0級(jí)，是直接雷擊區(qū)域，危險(xiǎn)性最高，主要是由外部（建筑）防雷系統(tǒng)保護(hù)，越往里則危險(xiǎn)程度越低。保護(hù)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(gòu)成的屏蔽層形成，從0級(jí)保護(hù)區(qū)到最內(nèi)層保護(hù)區(qū)，必須實(shí)行分層多級(jí)保護(hù)，從而將過電壓降到設(shè)備能承受的水平。一般而言，雷電流經(jīng)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(hào)線和金屬管道等）。

　　隨著家居電子設(shè)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(yán)重。以往的防護(hù)體系已不能滿足智能家居網(wǎng)絡(luò)安全的要求。應(yīng)從單純一維防護(hù)轉(zhuǎn)為三維防護(hù)，包括：防直擊雷、防感應(yīng)雷電波侵入、防雷電電磁感應(yīng)、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(jí)分級(jí)（類）保護(hù)原則：即根據(jù)電氣、電子設(shè)備的不同功能及不同受保護(hù)程序和所屬保護(hù)層確定保護(hù)要點(diǎn)作分類保護(hù)；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(yīng)做多級(jí)層保護(hù)。

　　3.2.1電源部分防護(hù)

　　家居電子設(shè)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(duì)地的電壓限制到小于6000V（IEEEEC62.41），而線對(duì)線則無法控制。所以，對(duì)380V低壓線路應(yīng)進(jìn)行過電壓保護(hù)，按國家規(guī)范應(yīng)有三部分：建議在高壓變壓器后端到二次低壓設(shè)備的總配電盤間的電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對(duì)地加避雷器或保護(hù)器，作一級(jí)保護(hù)；在二次低壓設(shè)備的總配電盤至二次低壓設(shè)備的配電箱間電纜內(nèi)芯線兩端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器保護(hù)器，作二級(jí)保護(hù)；在所有重要的、精密的設(shè)備以及UPS的前端應(yīng)對(duì)地加裝避雷器或保護(hù)器，作為三級(jí)保護(hù)。目的是用分流（限幅）技術(shù)即采用高吸收能量的分流設(shè)備（避雷器）將雷電過電壓（脈沖）能量分流泄入大地，達(dá)到保護(hù)目的。所以，分流（限幅）技術(shù)中采用防護(hù)器的品質(zhì)、性能的好壞是直接關(guān)系網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的關(guān)鍵，因此，選擇合格優(yōu)良的避雷器或保護(hù)器至關(guān)重要。

　　電源防雷系統(tǒng)主要是防止雷電波通過電源線路對(duì)計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備造成危害。為避免高電壓經(jīng)過防雷器對(duì)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(shè)備，以及防止線纜遭受二次感應(yīng)，依照有關(guān)防雷工程試行草案，應(yīng)采取分級(jí)保護(hù)、逐級(jí)泄流的原則。一是在大樓電源的總進(jìn)線處安裝放電電流較大的一級(jí)電源防雷器，二是在重要樓層或重要設(shè)備電源的進(jìn)線處加裝二級(jí)或三級(jí)電源防雷器。為了確保遭受雷擊時(shí)，高電壓首先經(jīng)過一級(jí)電源防雷器，然后再經(jīng)過二級(jí)電源防雷器，一級(jí)電源防雷器和二級(jí)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(jí)電源防雷器首先遭受雷擊而損壞。

　　3.2.2信號(hào)部分保護(hù)

　　對(duì)于智能家居系統(tǒng)，應(yīng)分為粗保護(hù)和精細(xì)保護(hù)。粗保護(hù)量級(jí)根據(jù)所屬保護(hù)區(qū)的級(jí)別確定，精細(xì)保護(hù)要根據(jù)電子設(shè)備的敏感度來進(jìn)行確定。

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

　　對(duì)智能家居系統(tǒng)進(jìn)行防雷保護(hù)，選取適當(dāng)保護(hù)裝置非常重要，應(yīng)充分考慮防雷產(chǎn)品與通信系統(tǒng)的匹配。對(duì)于信息系統(tǒng)，應(yīng)分為粗保護(hù)和精細(xì)保護(hù)。粗保護(hù)量級(jí)根據(jù)所屬保護(hù)區(qū)的級(jí)別確定，精細(xì)保護(hù)要根據(jù)電子設(shè)備的敏感度來進(jìn)行確定。

　　3.2.3　接地處理

　　一定要求有一個(gè)良好的接地系統(tǒng)，因?yàn)樗蟹览紫到y(tǒng)都需要通過接地系統(tǒng)把雷電流泄入大地，從而保護(hù)設(shè)備和人身安全。如果機(jī)房接地系統(tǒng)做得不好，不但會(huì)引起設(shè)備故障，燒壞元器件，嚴(yán)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。