船舶電磁干擾抑制和電氣接地

張 瑋 唐文斌 錢 平 傅哲人 沈 梁

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，船舶自動(dòng)化程度越來(lái)越高，越來(lái)越多的先進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備和通信設(shè)備被應(yīng)用到船上組成自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)船舶的自動(dòng)監(jiān)控和自動(dòng)運(yùn)行。但是，隨著船舶自動(dòng)化程度的提高，電氣設(shè)備間的電磁干擾問(wèn)題也日益嚴(yán)重，電磁干擾給船舶的運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)很大的隱患。如何在復(fù)雜的電磁環(huán)境中保證電氣設(shè)備的可靠性能，從而將設(shè)備和系統(tǒng)的功能在電磁環(huán)境中能夠如設(shè)計(jì)之初，不降低功能或失靈。進(jìn)一步講，就是降低其他的設(shè)備或系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)它產(chǎn)生電磁干擾［1］。因此，提高電氣設(shè)備的電磁兼容性是設(shè)備制造商和船廠面臨的共同問(wèn)題。本文分析了電氣設(shè)備電磁干擾產(chǎn)生的原因，并結(jié)合實(shí)際對(duì)船廠如何抑制電磁干擾提出了建議。

1 電磁干擾產(chǎn)生原因及危害

電磁干擾 （Electromagnetic Interference，簡(jiǎn)稱EMI）是指任何可能引起設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降或者對(duì)有生命或無(wú)生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象［1］。所有電氣和電子設(shè)備工作時(shí)都會(huì)有間歇或連續(xù)性電壓、電流變化，有時(shí)變化速率還相當(dāng)快，就會(huì)導(dǎo)致在不同頻率內(nèi)或一個(gè)頻帶間產(chǎn)生電磁能量，而相應(yīng)的電路則會(huì)將這種能量發(fā)射到周圍的環(huán)境中。這就是產(chǎn)生電磁干擾的根本原因。

隨著電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用，現(xiàn)在電磁干擾問(wèn)題已經(jīng)成為繼水污染、空氣污染、噪聲污染、環(huán)境污染之后的第五公害，稱之為電磁污染。受到電磁干擾，雷達(dá)顯示器、傳真、電視等顯示系統(tǒng)，會(huì)變得模糊并出現(xiàn)差錯(cuò)；自動(dòng)控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)失控、誤控或誤動(dòng)作，使控制系統(tǒng)的可靠性和有效性降低，并危及安全；金屬之間因電磁感應(yīng)電壓而產(chǎn)生電火花或飛弧，引燃該處易燃?xì)怏w導(dǎo)致易燃物燃燒或者爆炸；更為嚴(yán)重的是電磁干擾可導(dǎo)致人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)能障礙和植物神經(jīng)功能紊亂、眼睛損傷、誘發(fā)癌癥或免疫缺陷性疾病等。

鑒于電磁干擾產(chǎn)生的種種危害，要求電子設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須具有一定的抵抗電磁干擾的能力，同時(shí)不能產(chǎn)生過(guò)量的電磁輻射。也就是說(shuō)，要求該設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠在比較惡劣的電磁環(huán)境中正常工作，同時(shí)又不能輻射過(guò)量的電磁波干擾周圍其他設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的正常工作，即要求設(shè)備能電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡(jiǎn)稱 EMC）。 要使設(shè)備達(dá)到電磁兼容要求，必須對(duì)電磁干擾采取有效的抑制和防護(hù)措施。

2 電磁干擾抑制技術(shù)及原理

根據(jù)傳輸路徑的不同，電磁干擾分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾主要是電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)導(dǎo)電介質(zhì)或公共電源線互相產(chǎn)生干擾；輻射干擾是指電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)通過(guò)空間耦合把干擾信號(hào)傳給另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)或電子設(shè)備。事實(shí)上，對(duì)于同一設(shè)備，這兩種干擾是同時(shí)存在的，只是各有側(cè)重而已，干擾形式不同，需要采取的抑制手段也不同。

屏蔽、濾波、接地三種，通常稱之為抑制電磁干擾的三大技術(shù)。

2.1 屏蔽

對(duì)于輻射干擾多采用屏蔽技術(shù)進(jìn)行抑制。屏蔽是利用屏蔽體來(lái)阻擋或衰減干擾信號(hào)的電磁傳輸。人們之前有一個(gè)錯(cuò)誤的概念，認(rèn)為所謂電磁屏蔽，就是只要用金屬做一個(gè)箱子，然后將箱子接地，就能夠起到電磁屏蔽的作用。實(shí)際上，電磁屏蔽與屏蔽體接地與否并沒有關(guān)系，要使屏蔽體起到好的屏蔽效能，需要做到兩點(diǎn)：一個(gè)是整個(gè)屏蔽體表面必須是導(dǎo)電連續(xù)的，另一個(gè)是導(dǎo)體不能有直接穿透屏蔽體。電磁屏蔽體對(duì)電磁的衰減主要是基于電磁波的反射和電磁波的吸收。當(dāng)電磁波到達(dá)屏蔽體表面時(shí)，由于空氣與金屬的交界面上阻抗的不連續(xù)，對(duì)入射波產(chǎn)生的反射。這種反射不要求屏蔽材料必須有一定的厚度，只要求交界面上的不連續(xù)；未被表面反射掉而進(jìn)入屏蔽體的能量，在體內(nèi)向前傳播的過(guò)程中，被屏蔽材料所衰減，也就是所謂的吸收；在屏蔽體內(nèi)尚未衰減掉的剩余能量，傳到材料的另一表面時(shí)，遇到金屬－空氣阻抗不連續(xù)的交界面，會(huì)形成再次反射，并重新返回屏蔽體內(nèi)。這種反射在兩個(gè)金屬的交界面上可能有多次的反射。當(dāng)干擾電磁場(chǎng)的頻率較高時(shí)，利用低電阻率的金屬材料中產(chǎn)生的渦流，形成對(duì)外來(lái)電磁波的抵消作用，從而達(dá)到屏蔽的效果。當(dāng)干擾電磁波的頻率較低時(shí)，要采用高磁導(dǎo)率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內(nèi)部，防止擴(kuò)散到屏蔽的空間去。

船舶實(shí)際使用中，對(duì)于干擾較大的動(dòng)力電氣設(shè)備源，電子保護(hù)線路的屏蔽電纜應(yīng)與電力電纜盡量的分開敷設(shè)，防止電纜間的交聯(lián)電氣干擾。另外，信號(hào)發(fā)信裝置的電纜一定要單獨(dú)使用雙芯對(duì)絞屏蔽電纜，才能很好抑制外界對(duì)控制信號(hào)的電磁干擾。

2.2 濾波

對(duì)于傳導(dǎo)干擾多采用濾波技術(shù)進(jìn)行抑制。濾波是阻止干擾頻率信號(hào)通過(guò)而允許有用頻率信號(hào)通過(guò)的一種技術(shù)。

船舶電氣設(shè)備使用電源頻率為50 Hz，因此，消除工頻干擾的方法是提高設(shè)備的信號(hào)傳遞頻率，從而避開傳播上的工頻干擾，保證電子設(shè)備的正常工作。要減少電子設(shè)備受電磁干擾的影響，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧┦闺姶鸥蓴_電平降低到允許的范圍內(nèi)。在國(guó)內(nèi)船舶上一般把電磁干擾濾波器置于設(shè)備信號(hào)接口處，由電感和電容組成的低通濾波電路所構(gòu)成。它允許有用信號(hào)的電流通過(guò)，對(duì)頻率較高的干擾信號(hào)則有較大的衰減。傳導(dǎo)型電磁干擾分為共模（CM）和差模（DM）兩種。共模干擾存在于所有交流相線（R、S、T）和共模地（E）之間，其產(chǎn)生來(lái)源被認(rèn)為是兩電氣回路之間絕緣泄漏電流以及電磁場(chǎng)耦合等；差模干擾存在于交流相線（R、S、T）之間，產(chǎn)生來(lái)源是脈動(dòng)電流、開關(guān)器件的振鈴電流以及二極管的反向恢復(fù)特性。濾波器要對(duì)這兩種干擾都具有衰減作用。其基本原理有三種：

1）利用電容通高頻隔低頻的特性，將交流相線高頻干擾電流導(dǎo)入地線（共模），或?qū)⒔涣飨嗑€其中一相高頻干擾電流導(dǎo)入另外一相（差模）；

2）利用電感線圈的阻抗特性，將高頻干擾電流反射回干擾源；

3）利用干擾抑制鐵氧體可將一定頻段的干擾信號(hào)吸收轉(zhuǎn)化為熱量的特性，針對(duì)某干擾信號(hào)的頻段選擇合適的抑制干擾鐵氧體磁環(huán)、磁珠直接套在需要濾波的電纜上即可。

2.3 接地

接地是指在系統(tǒng)的某個(gè)選定點(diǎn)與某個(gè)接地面之間建立導(dǎo)電的通路。它是提高電力電子設(shè)備電磁兼容性的重要手段之一。根據(jù)接地目的的不同，電力電子設(shè)備接地分為兩類：

1）工作接地。通過(guò)接地使整個(gè)電路系統(tǒng)中的所有單元電路都有一個(gè)公共的參考零電位，保證電路系統(tǒng)能穩(wěn)定地工作。同時(shí)，也能通過(guò)將屏蔽層、屏蔽體良好的接地達(dá)到抑制電磁干擾作用。

2）保護(hù)接地。將機(jī)殼接地，當(dāng)機(jī)殼帶電時(shí)，使保護(hù)電源的裝置動(dòng)作，切斷電源，以保護(hù)工作人員的安全。同時(shí)，這種接地的另一個(gè)好處是防止外界電磁場(chǎng)的干擾，機(jī)殼接地可以使得由于靜電感應(yīng)而積累在機(jī)殼上的大量電荷通過(guò)大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設(shè)備內(nèi)部的火花放電而造成干擾。

3 船廠對(duì)電磁干擾的解決方法

目前，大多數(shù)船舶電氣設(shè)備廠家在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)都已經(jīng)考慮到了電磁兼容性問(wèn)題，大量采用了屏蔽和濾波技術(shù)，其提供的設(shè)備本身都滿足電磁兼容性要求。但是，當(dāng)這些設(shè)備裝船后形成一個(gè)綜合性網(wǎng)絡(luò)時(shí)，還是會(huì)暴露出電磁兼容性問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。因此，問(wèn)題可能出在船廠施工階段，應(yīng)更多地考慮如何在船廠施工階段避免電磁干擾的產(chǎn)生。

對(duì)于船廠來(lái)說(shuō)，要抑制電磁干擾現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：電纜的接地、電纜的選擇和敷設(shè)、設(shè)備的安裝位置。

3.1 電纜的接地

現(xiàn)在的電纜生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)可以做到屏蔽電纜本身能較好地滿足EMC要求，但是電纜在接入電氣設(shè)備時(shí)必須將屏蔽層剝掉。這部分裸露導(dǎo)體的屏蔽就被破壞掉了，如果電纜導(dǎo)體接觸設(shè)備箱體就有可能會(huì)造成箱體帶電，對(duì)人身安全造成威脅，而且?guī)щ娐懵秾?dǎo)體同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，所以，對(duì)于接入設(shè)備的電纜屏蔽層必須接地。

1）在船舶電氣系統(tǒng)中，工作電壓超過(guò)50 V的電氣設(shè)備、電纜均應(yīng)予以保護(hù)接地，電氣設(shè)備及電纜的接地系統(tǒng)見圖1。

2）專用接地導(dǎo)體的標(biāo)稱截面積不應(yīng)小于表1的規(guī)定。

表1 電氣設(shè)備保護(hù)接地的專用接地導(dǎo)體的截面積選擇 mm2

3）接地導(dǎo)體的截面積（Q）與電纜導(dǎo)體的截面積（S）間的關(guān)系應(yīng)符合表2規(guī)定。成束電纜如采用公共接地導(dǎo)體接地，其截面積應(yīng)按該束電纜中最大載流導(dǎo)體的截面積來(lái)選擇。

表2 電纜接地導(dǎo)體截面積的選擇 mm2

3.2 接地的分類

一般鋼質(zhì)船舶電氣設(shè)備和電纜的接地工藝按功能分為保護(hù)接地、工作接地、屏蔽接地。

1）保護(hù)接地。除了工作電壓不超過(guò)50 V或具有雙重絕緣的船舶電氣設(shè)備外，所有船舶電氣設(shè)備均應(yīng)保護(hù)接地，除了保護(hù)人身安全外，還可以將由于靜電感應(yīng)而積累在機(jī)殼和電纜屏蔽層上的大量電荷通過(guò)大地泄放，防止電荷形成的高壓可能引起設(shè)備內(nèi)部的火花放電而造成干擾。將電氣設(shè)備的金屬外殼與船體連接，消除由于漏電或感應(yīng)造成外殼帶電，保護(hù)人體安全。

具體接地方式如圖2。

2）工作接地和屏蔽接地。前面已經(jīng)澄清電磁屏蔽與屏蔽體接地與否是沒有關(guān)系的。要使屏蔽達(dá)到好的效果，必須做到兩點(diǎn)：一是整個(gè)屏蔽體表面必須是導(dǎo)電連續(xù)的，二是導(dǎo)體不能直接穿透屏蔽體。但是，這種狀態(tài)基本上只存在于實(shí)驗(yàn)室條件下，實(shí)際生產(chǎn)中很難做到。因此，在現(xiàn)實(shí)條件下，屏蔽體與接地應(yīng)當(dāng)配合使用，才能達(dá)到理想的屏蔽效果。對(duì)于屏蔽電纜而言，由于通過(guò)電纜的電流除了產(chǎn)生電磁干擾還會(huì)在電纜屏蔽體表面形成靜電感應(yīng)，在屏蔽體外側(cè)形成電場(chǎng)，產(chǎn)生電磁干擾。這時(shí)就必須將電纜的屏蔽層接地，使外側(cè)的電荷將流入大地，屏蔽體外側(cè)電場(chǎng)消失。同時(shí)，屏蔽體內(nèi)側(cè)電纜導(dǎo)體的電場(chǎng)也被有效地屏蔽起來(lái)，不會(huì)對(duì)外界造成電磁干擾。對(duì)于船舶環(huán)境而言，為了電路或設(shè)備達(dá)到運(yùn)行要求，利用船體作導(dǎo)電回路的接地可分以下幾種：

對(duì)于單層屏蔽電纜，應(yīng)單端接地，通常傾向于在靠近電源的一端接地。這樣做是為了不形成電位差，從而抑制干擾電流的產(chǎn)生。該方法適用于低頻電路。正確的接地方法見圖3。

例如：連接至模擬DPU模塊的電纜和總線電纜必須使用獨(dú)立屏蔽電纜，廠家要求的接地方式見圖4。

當(dāng)電纜有兩層以上絕緣隔離的屏蔽層時(shí)，最外層兩端接地，內(nèi)層一端接地。內(nèi)層一端接地是為了防止電容性干擾源，即強(qiáng)電產(chǎn)生的電磁干擾。外層兩端接地是為了防止電感性干擾源。該方法適用于高頻電路，接地方式見圖5。

對(duì)于留出的電纜多余芯線，如果處理不當(dāng)也會(huì)造成電磁干擾。正確的做法是將多余芯線兩端接地，使外界雜亂電磁場(chǎng)感應(yīng)在多余芯線上的信號(hào)處于短路狀態(tài)（低阻抗回路）。短路形成的電流消耗了其能量，在同一電纜屏蔽層內(nèi)正常使用的芯線中呈現(xiàn)的感應(yīng)量就很弱小了。

如一些船舶在交付后船員反映閥門遙控系統(tǒng)的一個(gè)電磁閥有時(shí)遙控失靈，只能就地操作。經(jīng)廠家售后工程師檢查后，認(rèn)為是電磁干擾所致，后來(lái)將該電磁閥的電纜接線根據(jù)圖6修改后，故障消除。

3.3 電纜的選擇

分析和明確了電磁干擾產(chǎn)生的原因和抑制原理后，船廠在安裝工藝等方面需按特殊的工藝考慮，尤其對(duì)那些信號(hào)較弱系統(tǒng)中的設(shè)備和電纜，以盡量減少電磁干擾對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

3.3.1 電纜的結(jié)構(gòu)與選型

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，電纜的選用除了應(yīng)考慮電纜的用途、敷設(shè)的環(huán)境、系統(tǒng)的要求等因素外，對(duì)電纜抗電磁干擾能力的考慮也應(yīng)一并解決。

在電纜的結(jié)構(gòu)中，屏蔽層通常由裸銅導(dǎo)體等導(dǎo)電材料編制而成，可以減少交變電磁場(chǎng)向指定區(qū)域穿透。在信號(hào)電纜的選型中，一般選用具有屏蔽層的電纜（見圖7）。

3.3.2 電纜的敷設(shè)

考慮到電磁干擾的因素，在電纜的敷設(shè)過(guò)程中，要注意以下幾個(gè)方面（見圖8）。

1）高壓電纜和低壓電纜分開敷設(shè)在不同的電纜托架路徑上［2］。

2）本質(zhì)安全電纜與非本質(zhì)安全電纜分開敷設(shè)。在同一電纜托架內(nèi)，需分開50 mm。

3）不帶屏蔽的信號(hào)電纜要和電力、照明電纜分開50 mm以上敷設(shè)；如選用帶屏蔽信號(hào)電纜，則信號(hào)電纜和電力、照明電纜可以同束敷設(shè)。

3.4 設(shè)備的安裝位置

船舶電力設(shè)備安裝時(shí)，應(yīng)將收發(fā)高頻信號(hào)的設(shè)備遠(yuǎn)離其他設(shè)備，以免對(duì)低頻電路形成電磁干擾，或者與其他高頻電路互相干擾。曾經(jīng)有船將單邊帶電臺(tái)的鞭狀天線安裝在駕駛臺(tái)頂?shù)恼胺剑粗鳈C(jī)遙控裝置的正上方。結(jié)果，航行中只要開啟單邊帶電臺(tái)通話，主機(jī)立即超速停車，后來(lái)將天線移位，故障消除?？梢娫O(shè)備安裝位置的選擇對(duì)于抑制電磁干擾至關(guān)重要，如果位置選得好，可以從根本上解決問(wèn)題。但是，船舶空間有限，如果還有電磁干擾現(xiàn)象就必須通過(guò)其他手段對(duì)電磁干擾進(jìn)行抑制。

4 結(jié)語(yǔ)

船舶的電磁干擾問(wèn)題是很多因素綜合作用的結(jié)果，只有從多方面入手，采取多種手段進(jìn)行抑制，才能確保設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。隨著建造船舶的系統(tǒng)構(gòu)成越來(lái)越復(fù)雜，電磁干擾問(wèn)題也會(huì)日益突出，因此，必須在各個(gè)設(shè)計(jì)階段考慮周全，才能未雨綢繆，免于被動(dòng)。

［1］劉放歌.船舶電磁干擾與電磁兼容技術(shù)［J］.造船技術(shù)，1999（2）：16-17.

［2］中國(guó)船級(jí)社.散裝運(yùn)輸危險(xiǎn)化學(xué)品船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范［S］.2006.