电气火灾监控系统产品的电磁兼容性能设计

摘 要 本文介绍了电气火灾监控系统的系统组成和主要功能，以及产品标准中各项电磁兼容试验及其技术要求。本文从产品硬件开发的角度给出了应对不同类型电磁干扰的设计思路，同时对产品的软件设计提出了合理化建议，以有效应对不同类型的电磁兼容试验。

【关键词】电气火灾 型式试验 电磁兼容EMC 硬件设计

1 电气火灾监控系统产品的EMC性能要求

电气火灾监控系统主要由电气火灾监控设备和各类电气火灾监控探测器组成，其作为火灾自动报警系统的重要组成部分，对于预防电气火灾事故的发生起到重要的作用。其中，监控设备主要用于接收探测器工作状态和采样信号，显示系统报警信息。各类探测器根据其测量物理参数的不同，分为剩余电流式、测温式、故障电弧式和热解粒子式等探测器，主要用于测量配电线路中与电气火灾成因相关的各类物理量，并实时向监控设备发送工作状态和测量数据。

2014年国家颁布实施了新版的GB 14287-2014《电气火灾监控系统》系列标准，其中每部分标准分别对应于监控系统中的一种类型产品。GB 14287-2014系列标准对产品的电磁兼容性能提出了较高的技术要求，针对产品实际应用制定了多项电磁兼容性能试验，用于测试产品对各类电磁干扰信号的抑制能力。产品标准中规定，在电磁兼容试验期间，试验样品应保持正常工作状态，不得出现误报警、系统重启、显示或通讯失灵等情况发生。因此，制造商在产品设计开发的最初阶段，就需要针对不同类型的电磁干扰建立合理的设计方案，以保证顺利通过型式试验。

2 EMC试验项目及其应对策略

表1给出了型式试验中的电磁兼容及电源波动试验项目，其主要参考依据为GB/T 17626系列标准。

2.1 静电放电抗扰度试验（ESD）

静电放电抗扰度试验（ESD）主要考察产品对来自使用者的静电放电，或者当邻近物体发生静电放电现象时，产品工作的可靠性。产品标准中规定的严酷等级为：接触放电电压6KV，空气放电电压8KV。静电放电不仅能够将干扰电流从金属部件注入产品电路内部，其产生的高频干扰信号也会耦合进入电路并影响其工作状态。一般的设计方案是在产品的电源、I/O口和接地端之间连接一对快速、低容量的二极管，或直接并联更为高效的瞬态抑制二极管（TVS）。建议在使用TVS管的同时再增加1个或多个高频旁路电容器，放置在易损元件的电源和地之间。其次，电路的电源端应避免产生较大的电感，从而影响滤波电路对脉冲电流的防护。产品金属外壳的有效接地至关重要，其电源地、信号地和金属外壳应连接在一起形成系统接地。當外壳由多块金属结构件组成时，应保证金属壳体的连续接地。

2.2 电快速瞬变脉冲群抗扰度试验（EFT）

电快速瞬变脉冲群抗扰度试验（EFT）是模拟供电网络中感性负载在断开时，由于开关触点间隙的绝缘击穿或触点弹跳等原因在断开处产生的瞬态骚扰。产品标准中规定，对电源端口的骚扰脉冲幅值电压为2KV，对I/O口的骚扰脉冲幅值电压为1KV。由于EFT骚扰信号能量小，信号频率固定。因此，该试验对于产品一般不会造成永久性损坏。但当脉冲信号群进入电路内部对其结电容持续充电，能量积累到一定程度后，还是会引起电路中控制单元的误动作或触发错误的IC片选信号导致故障发生。对于电源端的脉冲骚扰，一般选择在电源入口处加入铁氧体磁环或共模电感。对于通讯或采样功能的I/O信号端口，建议再加入信号滤波器，以防止骚扰信号进入电路内部的信号处理单元。

2.3 浪涌（冲击）抗扰度试验

浪涌（冲击）抗扰度试验主要模拟供电网络中大电容器件的开关，以及雷电瞬态过电压引起的单极性浪涌电压冲击。试验采用注入方式、通过耦合/去耦网络对产品的交流电源线和其他外部连接线进行浪涌冲击干扰。浪涌试验的冲击能量大，很容易造成电路内部器件的击穿损坏。一般的应对策略是，使用压敏电阻、TVS管、气体放电管等专门的浪涌抑制器件，或者多种器件配合使用以达到更好的浪涌抑制效果。

压敏电阻所能承受的峰值电流较大，但由于钳位电压较高一般只适用于直流电源线和低频信号线。TVS管的钳位电压性能良好，但其承受电流能力较弱，一般不用于高频通讯线路上，建议与其他大功率浪涌器件配合使用，作为后一级防护器件。气体放电管的承受电流很高，钳位电压很低，但响应时间较长。如果线路的工作电压较高，会导致放电管工作时间延长，从而影响使用寿命。对于交流电源线路，一般将压敏电阻串联气体放电管组成浪涌抑制网络，同时在后端加入低通滤波器来消除残余脉冲。此外，还应保证产品本身良好的接地。

2.4 射频电磁场辐射抗扰度、射频场感应的传导骚扰抗扰度和工频磁场抗扰度试验

射频电磁场和射频场感应的传导骚扰抗扰度试验主要模拟产品处于空间电磁场辐射下，以及电源线或其他外部线路与电磁场耦合所产生的电磁干扰。前一项试验在微波暗室中、通过发射天线对产品进行频率范围为80M～1000MHz的空间电磁波干扰；后一项试验则通过耦合/去耦装置将频率范围为150k～80MHz的骚扰信号注入到产品线路中。工频磁场抗扰度试验主要模拟供电线路中工频电流产生的稳定、低幅值磁场，以及供电线路或设备故障时产生的短时、高幅值磁场，磁场波形均为工频正弦波。

在电气火灾监控系统中，探测器内部一般具有模拟信号电路和高精度的A/D转换电路，且各类产品内部都具有独立的时钟和微处理器芯片。因此，制造商在产品设计之初就需要考虑以下几个方面以提高产品在电磁干扰环境下的可靠性：

（1）在满足设计要求的前提下，尽量降低时钟频率、减少高频噪声，且时钟线尽可能短；

（2）I/O信号线路远离时钟和数字信号总线；

（3）对PCB的各功能部分合理分区、合理布线。模拟信号、数字信号和继电器、大电流开关等部件之间要分开，元器件之间的引线要尽量短。信号线路不形成环路，减少电磁干扰信号的耦合；

（4）电路板具备良好的接地，如PCB上有多个返回地线，最终应汇聚到同一点处；

（5）对干扰信号特别敏感的电路考虑加装金属屏蔽罩。

2.5 电压暂降、短时中断和电源波动试验

电压暂降、短时中断试验，和电源波动试验主要模拟供电网络由于短时故障或负荷突然增大所引起的供电电压暂降或中断，以及供电系统负荷变化或供电线路过长而导致的电压波动或持续压降，试验主要针对AC220V供电产品。试验条件分别为：供电电压为40%额定电压、持续时间为10个正弦波周期的电压暂降试验；供电电压为0V、持续时间为1个正弦波周期的短时中断试验；以及供电电压为85%～110%额定电压的电压波动试验。对于配有备用电源的产品，电压暂降和短时中断虽然可能会对其供电造成影响，但由于试验时间短，因此可以通过软件滤波等手段使产品状态保持稳定。对于探测器等无备用电源的产品，为了避免产品在试验条件下出现重启、显示器件失灵等现象，一般会在其电源处加入稳压滤波电容。此外，大功率产品一般建议采用开关电源或隔离变压器作为稳压装置，而对于小型的探测器类产品，建议采用性能较好的电源管理芯片，并在前端配以滤波电路。

2.6 提高产品电磁兼容性能的軟件设计

设计合理的内部芯片程序，同样能够提高产品的抗干扰能力。标准中对于各类系统事件的响应时间，如探测器报警、系统故障等事件，都提出了明确要求。最短时限要求为探测器报警的响应时间不得大于30秒。相对于系统稳定性的要求，对系统响应速度的要求显然较为宽松，这给了产品开发者在两者间权衡的余地。因此，对于程序中的I/O口处理指令，如测量信号采集和组件通讯指令，建议其中加入适当的抗干扰处理。可在采样计算指令中加入软件滤波算法来降低误报警触发几率。对于产品的显示器件，如LCD显示器和指示灯，应在程序中加入定时刷新指令，防止产品在受到干扰时发生显示错误。为避免骚扰信号进入电路内部造成单片机死机或程序跑飞，还应在主程序中加入看门狗指令，定时复位单片机防止发生内部故障或系统假死，减少试验期间发生系统组件故障的可能。

3 结语

GB 14287-2014系列标准的实施，为保证电气火灾监控系统产品的整体质量发挥了重要作用。产品设计者需要依照标准中的各项电磁兼容试验的具体要求，从硬件和软件两个方面综合提高其电磁兼容性能，使产品能够为建筑用电安全提供长期、可靠的技术保障，充分发挥电气火灾监控系统的火灾预防作用。

作者简介

赵宇（1983-），男，辽宁省沈阳市人。公安部沈阳消防研究所、助理研究员、天津大学学士学位，主要从事消防电子产品标准化、产品检测技术研究和标准检测设备开发等工作。

作者单位

公安部沈阳消防研究所 辽宁省沈阳市 110034