建筑环境电磁兼容技术的研究

岳云涛 / 汪 苏 / 李炳华 / 宋镇江

1.北京建筑大学， 北京 100044

2.悉地 (北京)国际建筑设计顾问有限公司， 北京 100013

1 引言

电磁污染已被世界公认为是继水质污染、大气污染、噪声污染之后的第四大污染，治理恢复非常困难。1975专家曾预言，随着大量的电子设备进入家庭，建筑环境空间人为电磁能量每年增长10%左右。50年后建筑环境电磁能量密度可增加700倍，如不采取检测及治理措施，21世纪建筑电磁环境恶化将会非常严重，建筑环境电磁兼容问题已经成为建筑行业人士需要思考和探讨的重要课题。

建筑环境电磁兼容是指电气设备受建筑电磁环境影响能够正常工作的能力，而且不应对该建筑环境中其他电气设备产生电磁干扰，近年来电磁兼容问题在建筑设计和施工中并没有引起足够的重视。

电磁扰动有自然界和人为产生的两种扰动，电磁扰动主要通过传导和辐射方式传播。在建筑环境中，电磁扰动主要来自高压电力线及设备、电力电子设备、电网电压波动、大容量负荷的启动和停止、弱电系统设备等。

近年来，在智能建筑物中增加了各种用电设备，在一幢大楼的有限空间范围内集中了变配电设备、通讯设备、办公自动化等设备，强和弱电系统之间产生了很强的电磁干扰。有时导致了开关的误动作、检测信号错误产生的误报等事故。

基于上述过程，对建筑环境电磁兼容状况进行测试是必要的，目前存在多种EMC测试场地，但他们基本上是针对某一类设备进行检测，存在很大局限性，无法对建筑环境复杂的电磁兼容状况进行检测和评估。因此，研究和建立既能对高低压电器设备和变频装置进行检测，又能对复杂的电磁环境进行测试和评估的综合电磁兼容暗室非常必要。

2 EMC测试场地

目前EMC测试场地有以下几种：

1)紧缩预测式电波暗室

该暗室主要用于测试电气设备的抗扰度，暗室占用空间比较小，一般尺寸约为4.6m×2.5m×2.75m。造价较低，比较便于拆卸和安装，也易于改造和升级到更大空间的暗室。经常为小规模企业采用。

2)小规模电波暗室

该暗室主要进行26MHz～1GHz频率的发射抗扰度测试，空间大小一般为8m×4m×4m。造价约为100万元，该暗室较紧缩预测式电波暗室空间尺寸大。

3)3m法电波暗室

该暗室主要用于测试2m以下电气设备的抗扰度，标准空间尺寸为9m×6m×6m，空间测试静区一般为1.5m，3m法暗室多采用直径为1～1.5m的转台，造价约为300万元，该暗室可以有效地替代开阔场。

4)5m法电波暗室

该暗室主要适用于较大体积的电气设备，一般空间尺寸约为11m×7m×7m。5m法暗室的转台多采用2m直径，空间测试静区一般为2m，造价约为500万元。相对于3m法电波暗室，该暗室能够测试较宽范围内电气设备的电磁兼容性能，如图1和图2所示。这种暗室推广和应用的较为广泛。

5)10m法电波暗室

该暗室适合于特大体积的建筑电气设备，可以进行干扰及抗扰度测试，标准空间尺寸约为19m×12m×9m。10m法暗室的转台多采用3m或4m直径，空间测试静区一般为3m，造价约为800万元。一般来说，在进行汽车等设备测试时才考虑采用10 m法暗室。

混响室的理论是从80年代初出现的，美国Dr.Mike教授的研究成果极大地推动了混响室的发展，混响室技术于90年代已成为电磁兼容测试中的重要组成部分。国际电工委员会(IEC)制定的CISPR16-1，IEC61000-4-3新增附录及IEC61000-4-21中对混响室都有相关描述。混响室与其他暗室相比具有造价低、测量时间短、能够模拟复合场等优点。

图1 5m法半电波暗室天线架及后墙

混响室的性能指标一般采用搅拌强比、场均匀度和场的统计特性来衡量。电磁混响室结构尺寸可以通过下面的计算获得：

式中 ：N 是模数，l、w、h 分别是混响室空间的长、宽、高，f 表示测试点频率，c表示光速。混响室空间均匀性与各向一致性随着模数N的增加而变得更好，一般情况只要N 值大于60 就能够满足电磁混响室指标的要求。

混响室的主要优势就是可以用相对较小的功率获得高的测量空间场强。由于混响室采用了高的空腔谐振，在模拟复合场方面更具有优势，比较适用于建筑环境多设备共同工作的情况。

3 电波暗室性能测试方法

1)归一化场地衰减(NSA)

归一化场地衰减是检验电波暗室测试性能的关键指标，是将水平和垂直放置的天线分别与发射源和接收机相连接，场地衰减值就是发射源电压与接收天线终端电压的差值。

在试验空间采用转台上方的3个不同高度，每个高度用转台的前、后、左、右、中五个不同位置来放置发射天线，测量距离可以为3m、5m 或10m。若测试垂直和水平极化NSA的结果小于4dB，则该场地的NSA指标符合要求。

2)场地电压驻波比(SVSWR)

将转台中心的左侧、中心、右侧和中心的前侧作为测试位置，每个测试位置在40cm直线上选取6个不均匀测试点，每个测试位置的电压驻波比即为经过测试得到的最大值和最小值之比，测试合格的标准是电压驻波比值均小于等于6dB。

3)场地均匀性(FU)

场地均匀性主要是依据IEC61000-4-3标准测量电磁辐射敏感度而制定的。选择转台上方0.8m、1.3m、1.8m、2.3m 处 各4个测试点(共16个测试点)进行场强测试，若测试场强在3V/m～10V/m之间，则认为在转台上方存在1.5m×1.5m假想垂直平面场强均匀区，满足磁辐射敏感度测试要求。

4 建筑环境电磁兼容暗室的设计与实施

建筑电气领域必须顺应建筑环境发展的实际需要，探索影响及治理建筑环境的关键技术，为建筑环境健康发展提供技术保障。本文设计了一个5m法半电波暗室，效果如图2所示，主要完成以下任务：

图2 建筑环境电磁兼容5m法半电波暗室效果图

1)高低压开关、变频器及电机启动等设备的电磁兼容测试，通过检测确定产品与IEC61000及GB标准的符合度；

2)建筑电气强、弱电系统的综合电磁兼容状况检测，确定实验数据报告，指导建筑照明谐波等标准的制定和修改；

3)检测不同建筑材料的电传参数，建筑材料的特性包括传输损耗、反射损耗、相对导电性、相对渗透性、衍射损耗、最小衍射入射损耗和最大衍射入射损耗。

4)进行电磁环境测量记录与回放，利用采集到的各种设备频谱信息通过不同的天线在暗室中模拟，以达到分析建筑环境电磁兼容综合能量效应的影响。

5)在暗室中进行建筑环境多设备状况下的检测，达到对建筑环境电磁兼容的综合效能评估，特别提到的是高压10kV传输线采用高压脉冲电源系统替代，实测替代后效果的程度，该结果用以指导建筑电气相关标准(如建筑照明谐波)的制定和实施。

6)在暗室中进行多天线系统的设计与实施，以达到系统的实用性，进行建筑电磁综合效能的分析。

5 建筑环境电磁兼容技术的研究

1)理论方面

(1)系统地建立建筑环境电磁兼容的建模、分析、仿真和控制的完整理论体系，确立5m法半电波暗室的设计方法，为建筑环境的科学发展和广泛应用提供理论依据。

(2)建立建筑环境电磁兼容改善和治理的经济性、电能质量和可靠性评估的理论体系和评价指标体系，以促进“绿色建筑环境”的发展，用以指导建筑电气领域标准的制定和完善。

2)建筑环境电磁兼容技术方面

(1)研究建筑环境电磁兼容仿真技术，利用有限元分析方法建立建筑环境电磁兼容的状态，实现系统的全过程仿真；与实际检测对比分析，优化仿真的效果。

(2)建立5m法半电波暗室的设计方法，明确暗室技术指标的要求和检测方法，确实增强设计半电波暗室方案确定及暗室应用的科学性、经济性及效率。

(3)发展建筑环境电磁兼容的设计与检测方法，提出建筑环境电磁兼容施综合治理措施，研制高性能的建筑环境电磁兼容系统。

(4)提出多天线系统的设计的原理和方法，开发和研制部分建筑环境电磁兼容检测装置。

3)建筑环境电磁兼容领域的电力电子技术方面。

研究接地、滤波、屏蔽及PCB制板等方面优化电磁兼容设备和环境的现状，提出改善的方法及措施，对比改善后的效果，使建筑环境电磁兼容现状有改善的趋势。

6 结论

本文详细探讨了建筑环境电磁兼容技术检测和研究的重要性，提出了5m法半电波暗室的设计方法和检测标准，完成转台及天线设计的创新，为更好地满足建筑领域电磁兼容的测试提供必要的手段和实验数据，为建筑环境的改善及相关标准的制定提供依据。

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