淺談電線電纜在電磁兼容方面的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

張忠貴

摘 要：電磁兼容技術(shù)能夠有效地對(duì)抗電磁干擾，被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。文章重點(diǎn)討論了電線電纜在屏蔽技術(shù)、濾波技術(shù)、接線及搭橋技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以期能為相關(guān)人士提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；屏蔽技術(shù)；濾波技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM24 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）27-0095-02

前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生產(chǎn)力的不斷提高。電磁環(huán)境日益惡化，電子元器件對(duì)電磁兼容的要求進(jìn)一步提高，各企業(yè)把提高電線電纜的電磁兼容效果作為企業(yè)發(fā)展的重中之重。加強(qiáng)電磁兼容設(shè)計(jì)，能夠有效減少電磁的干擾，促進(jìn)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，加強(qiáng)電線電纜在電磁兼容方面的設(shè)計(jì)，對(duì)電器企業(yè)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 屏蔽技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 屏蔽技術(shù)的原理和目的

屏蔽技術(shù)即利用導(dǎo)電材料將電磁場(chǎng)局限在一定范圍內(nèi)，從而抑制電磁擴(kuò)散，減少對(duì)電器設(shè)備的干擾。屏蔽的目的有兩個(gè)，首先是防止內(nèi)部輻射的電磁能泄露至系統(tǒng)內(nèi)部，其次是限制外來電磁干擾進(jìn)入系統(tǒng)。

1.2 屏蔽技術(shù)的類型

根據(jù)屏蔽的作用原理，可以將電磁屏蔽分為電場(chǎng)屏蔽技術(shù)、磁場(chǎng)屏蔽技術(shù)和電磁場(chǎng)屏蔽技術(shù)。

（1）電場(chǎng)屏蔽技術(shù)采用具有良好導(dǎo)電性能的導(dǎo)體充當(dāng)屏蔽體，并具有良好的接地功能，有效的把電場(chǎng)中止在導(dǎo)體表面，通過接地線與導(dǎo)體表面的電荷的感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電場(chǎng)的屏蔽。因此，要想有效的減少因靜電耦合產(chǎn)生的干擾，應(yīng)主要從以下兩方面著手，首先要應(yīng)用導(dǎo)電和接地性能良好的金屬屏蔽體，有效對(duì)抗靜電干擾，其次要分離相互耦合的電子元器件，減少相鄰導(dǎo)體間因靜電耦合產(chǎn)生的寄生電容。（2）磁場(chǎng)屏蔽技術(shù)通過采用高導(dǎo)磁率的材料制成導(dǎo)磁體，并對(duì)電磁形成阻礙作用，從而有效的防止電磁內(nèi)部的泄漏、擴(kuò)散和外部磁場(chǎng)的干擾。當(dāng)導(dǎo)磁體的工作頻率低于100KHz時(shí)，通常采用鐵、硅鋼片等高導(dǎo)磁率的材料對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行干擾。而在高頻磁場(chǎng)，通常應(yīng)用銀和銅等低電阻率的材料，利用電磁感應(yīng)原理，在屏蔽體表面形成渦流的反磁場(chǎng)與原磁場(chǎng)進(jìn)行對(duì)抗，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽效果。（3）電磁屏蔽技術(shù)是指對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)同時(shí)進(jìn)行屏蔽，電磁屏蔽技術(shù)主要用于高頻磁場(chǎng)，通過電磁通過金屬保護(hù)層的衰減過程，完成對(duì)磁場(chǎng)的屏蔽。電磁波在金屬保護(hù)層中產(chǎn)生的損耗可以用傳輸方程進(jìn)行計(jì)算和分析，應(yīng)用此種方法，不僅能夠方便快捷的計(jì)算金屬保護(hù)層的屏蔽效果，還能使屏蔽的原理更清晰明了。構(gòu)建的傳輸方程如下：

其中，S為屏蔽體吸收損耗，A為電磁波在金屬保護(hù)層表面產(chǎn)生的反射損耗，B為屏蔽體內(nèi)多次反射的損耗。方程中t表示屏蔽體的厚度，o表示屏蔽材料的導(dǎo)電率，？自為導(dǎo)電率，？姿為傳輸?shù)念l率。當(dāng)處于低頻磁場(chǎng)或者屏蔽層厚度較薄的情況下，B較為重要。

1.3 屏蔽技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

屏蔽體的導(dǎo)電率、導(dǎo)磁率、厚度以及工作頻率是影響電線電纜屏蔽性能的關(guān)鍵。因此，為了提升電線電纜的屏蔽性能，在設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。首先，應(yīng)選擇保護(hù)層較厚的屏蔽體，并增加屏蔽體的層數(shù)，以此不斷吸收電磁損耗，實(shí)現(xiàn)較好的屏蔽效果。其次，屏蔽材料的選擇也制約著屏蔽性能的發(fā)揮。在設(shè)計(jì)過程中加大對(duì)導(dǎo)電高分子吸波材料的利用程度，能夠有效減少電磁波的干擾。

例如，在低頻磁場(chǎng)中，通過設(shè)計(jì)合理的電纜結(jié)構(gòu)，能夠有效減少電磁對(duì)電纜的干擾。在電纜傳輸信號(hào)強(qiáng)度較大且對(duì)電磁干擾敏感度較低的情況下，可以設(shè)計(jì)雙絞線的電纜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)抗電纜干擾的目的。在電纜傳輸信號(hào)強(qiáng)度較弱且對(duì)電磁干擾敏感度較高的情況下，可以在選用雙絞線電纜結(jié)構(gòu)的同時(shí)，增加屏蔽體的厚度和層數(shù)，以達(dá)到對(duì)抗電磁干擾的目的。在低頻磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)的干擾是主要的屏蔽對(duì)象。因此，在設(shè)計(jì)電線電纜結(jié)構(gòu)的過程中，選用導(dǎo)磁率較高的材料，如鐵，硅鋼片等，對(duì)電磁干擾形成分路，對(duì)電磁的傳輸形成阻礙，從而起到屏蔽磁場(chǎng)的作用。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)增加導(dǎo)磁體的層數(shù)，形成多層鐵氧體材料的總屏蔽，使電線電纜能夠有效對(duì)抗電磁干擾。在高頻磁場(chǎng)中，可以利用屏蔽體因電磁感應(yīng)在表面形成的渦流反磁場(chǎng)，形成對(duì)原磁場(chǎng)電磁的屏蔽。因此，在電線電纜的材料選擇中，應(yīng)盡量選擇電阻率較低的材料制作保護(hù)層，如金、銀等，屏蔽層的電阻越小，渦流的反磁場(chǎng)效果越強(qiáng)烈。保護(hù)層可以采用薄帶材料繞包和圓線編織纏繞的方式，同時(shí)，為了對(duì)抗強(qiáng)度過大的干擾對(duì)象，還可以采用多層復(fù)合屏蔽的方式[1]。

2 濾波技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 濾波器的定義和原理

濾波器通過選擇合適頻率的信號(hào)和對(duì)有害電波的抑制作用，實(shí)現(xiàn)防止電磁干擾的目的。實(shí)踐證明，即便設(shè)計(jì)再嚴(yán)密的屏蔽體，都會(huì)有傳導(dǎo)干擾信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)。通過在屏蔽體的導(dǎo)體端口處安裝濾波器的方式，能夠?qū)⒂泻Φ母蓴_頻率降低到最小程度，從而減少其通過屏蔽體的幾率，維護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行。

濾波的主要特性參數(shù)有額定電壓、額定電流、輸入輸出抗組、插入損耗等。其中，插入損耗是計(jì)算濾波器工作頻率的重要依據(jù)，其公式如下。

其中，V1和V2是接入濾波器和不接入濾波器時(shí)信號(hào)源在負(fù)載抗組上產(chǎn)生的電壓。

2.2 濾波器的種類

插入損耗隨著濾波器的工作頻率而上下波動(dòng)，因此，一般用插入損耗的波動(dòng)曲線衡量濾波器的頻率特性。根據(jù)濾波器的頻率特性，可將其分為高通濾波器、低通濾波器、帶通濾波器和阻通濾波器。高通濾波器常用在電源線周圍，通過允許高頻信號(hào)通過，抑制有害低頻信號(hào)，完成對(duì)電源諧波干擾的濾除工作。帶通濾波器一般在信號(hào)頻率帶寬較窄的條件下使用，安裝位置通常在通信接收機(jī)的天線接口。帶組濾波器通常在信號(hào)頻率帶寬較寬且干擾信號(hào)帶寬較窄的情況下使用，一般安置在距離電視、廣播等發(fā)射臺(tái)較近的電纜端口處。

2.3 濾波器的結(jié)構(gòu)和安裝要點(diǎn)

將鐵氧體材料填充進(jìn)電纜，由此形成了電纜濾波器。電纜濾波器具有體積小的優(yōu)點(diǎn)，且能夠有效實(shí)現(xiàn)高頻電磁的衰減，例如，電纜濾波器僅通過1米長(zhǎng)的電纜，就可以實(shí)現(xiàn)低通濾波的效果[2]。濾波連接器也是通過將鐵氧體材料直接填充進(jìn)連通器里制成的，具有較寬的電磁衰減范圍，例如，在100MHz到10GHz的范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)60dB左右的衰減。磁環(huán)扼流圈從形式上看是一個(gè)圓形磁環(huán)，由鐵氧體材料制成，在信號(hào)線上套上這種磁環(huán)，導(dǎo)線在穿過磁環(huán)時(shí)，由于磁環(huán)附近導(dǎo)線單匝扼流圈的性能，其抗組與導(dǎo)線的屏蔽性能呈現(xiàn)正相關(guān)的發(fā)展趨勢(shì)，屏蔽功能越強(qiáng)，抗組越高，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻電磁的抑制和衰減。將此種方法應(yīng)用到電線電纜的濾波過程中，既簡(jiǎn)單方便，又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠[3]。穿心電容器由金屬播磨卷繞而成，是一種短引線電容。將電容器的一端焊接在中心導(dǎo)電桿上，另一端與電容器的外殼焊接在一起作為接地端，對(duì)干擾信號(hào)形成旁路作用。穿心電容器的安裝方式簡(jiǎn)單，且價(jià)格經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，經(jīng)常被應(yīng)用于電源中高頻電波的干擾。此外，在實(shí)際的應(yīng)用中，常采用磁環(huán)扼流圈和穿心電容器相結(jié)合的方式，形成高頻濾波電路，有效對(duì)抗電源中的高頻電波。endprint

在安裝濾波器的過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。首先，為了降低接觸抗組，應(yīng)將濾波器直接固定在機(jī)箱的金屬板上。其次，為了防止高頻電波耦合產(chǎn)生的寄生電流，濾波器的輸入端口和輸出端口應(yīng)分別固定在屏蔽機(jī)箱的兩端。最后，為了防止電磁泄露對(duì)設(shè)備造成的威脅，應(yīng)在機(jī)箱的金屬板和濾波器之間安裝密封襯墊，從而形成良好的過濾高頻電波的效果[4]。

3 接地及搭線技術(shù)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 接地方式

電磁接地的方式需要依據(jù)信號(hào)的工作頻率進(jìn)行選擇，由此產(chǎn)生了三種不同的接地方式。

單點(diǎn)接地通常應(yīng)用于信號(hào)工作頻率較低的環(huán)境中，將電路系統(tǒng)作為結(jié)構(gòu)點(diǎn)，所有的接地線通過接地安全螺栓連接到這個(gè)點(diǎn)上，有效對(duì)抗接地各點(diǎn)間產(chǎn)生的靜電耦合。同時(shí)，電路的接地方式又分為串聯(lián)接地和并聯(lián)接地兩種，因?yàn)榇?lián)電路接地方式會(huì)產(chǎn)生共地電阻的靜電耦合，因此，一般采用并聯(lián)的單點(diǎn)接地方式。為了防止閑散電流對(duì)信號(hào)工作頻率的干擾，信號(hào)的接地線應(yīng)具有良好的絕緣性能，且只與接地安全螺栓相連。多點(diǎn)接地通常應(yīng)用于信號(hào)工作頻率較高的環(huán)境中，通常是指將接地導(dǎo)體作為接地信號(hào)的回路，各子系統(tǒng)的接地線分別與其相連，實(shí)現(xiàn)提高電磁兼容性能的目的。由于接地線的抗組隨接地線的長(zhǎng)度變化而變化，因此，為了減弱接地線抗組產(chǎn)生的干擾，應(yīng)盡量縮短接地線的長(zhǎng)度，并盡量選擇電阻值較低的點(diǎn)進(jìn)行接地?；旌辖拥赝ǔ?yīng)用于低頻電路和高頻電路混合的電子系統(tǒng)中。工作頻率在1MHz以下時(shí)，采用單點(diǎn)接地方式；工作頻率在10MHz以上時(shí)，采用多點(diǎn)接地方式；工作頻率在1MHz和10MHz之間且接地線的長(zhǎng)度小于波長(zhǎng)的條件下，可以采用單點(diǎn)接地，反之，則采用多點(diǎn)接地方式。兩種接地方式的混合運(yùn)用，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的濾波效果。

3.2 接地電阻

由于電流經(jīng)過電阻時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共地阻抗，對(duì)電磁形成干擾，影響設(shè)備使用的同時(shí)，對(duì)人身安全也會(huì)造成極大的損害，因此，接電電阻越小越好，尤其是移動(dòng)設(shè)備，一般規(guī)定其電阻值小于10Ω。接地電阻由接觸電阻、地電阻和接地線電阻構(gòu)成，因此，為了降低接地電阻，也應(yīng)該將以上三方面作為著眼點(diǎn)，首先要采用截面大、長(zhǎng)度短的細(xì)導(dǎo)線降低接地線的電阻，其次，應(yīng)增加接地端和土壤的接地面積，用接線安全螺栓牢牢固定接電線和接地端，以此降低接地電阻。最后，要通過在土壤中注射鹽水的方式增加土壤的導(dǎo)電率，從而降低地電阻。

接地電阻R的計(jì)算公式為：R=0.336（P/L）lg（4L/d）Ω

其中，P代表土壤的電阻率，單位為Ω/m，L代表接地極在土壤中的深度，單位為m，d代表接地極的直徑，單位為m。

3.3 設(shè)備接地

一臺(tái)設(shè)備為了實(shí)現(xiàn)對(duì)抗電磁的要求，往往設(shè)計(jì)了包括高頻電路、數(shù)字電路、供電電路和繼電電路在內(nèi)的多種電路。同時(shí)，為了安裝電路板和元器件，需要電路設(shè)備具有機(jī)械強(qiáng)度較大的金屬外殼。因此，在進(jìn)行設(shè)備接地的過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)問題。首先，接地安全螺栓應(yīng)設(shè)置在設(shè)備的金屬外殼上，并具有良好的導(dǎo)電性能，電源零線的工作頻率應(yīng)為50Hz，并牢牢固定在接地安全螺栓上。其次，電源的零線不能作為機(jī)殼地線的替代品，避免因機(jī)殼帶電導(dǎo)致的人員傷亡。最后，應(yīng)將供電路和繼電器電路等電流和功率較大的電路作為功率地，將數(shù)字電路、高頻電路等功率較弱的電路作為信號(hào)地，實(shí)現(xiàn)信號(hào)地和功率地接地線的分離，使其與機(jī)殼的接地線徹底分離，降低其對(duì)設(shè)備安全和人身安全的威脅。

3.4 系統(tǒng)接地

在進(jìn)行系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。首先，要保證接地安全螺栓的接地安全性能良好，并牢牢固定在電路系統(tǒng)的金屬機(jī)殼。其次，設(shè)備外殼應(yīng)用設(shè)備外殼接地線與機(jī)柜外殼相連，機(jī)柜外殼應(yīng)用機(jī)柜外殼接地線與系統(tǒng)外殼相連。第三，考慮到系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)部因設(shè)備過多導(dǎo)致接地線過多的情況，應(yīng)在系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)部鋪設(shè)兩條與系統(tǒng)外殼絕緣的半環(huán)形接地母線，并使其相互平行，其中一條為信號(hào)地母線，另一條為機(jī)殼接地母線。將機(jī)柜內(nèi)各信號(hào)地通過信號(hào)地螺栓連接到信號(hào)地母線上，屏蔽地通過接地安全螺栓連接到機(jī)殼接地母線上，以此形成完善的接地系統(tǒng)，有效的提升電磁兼容的效果。例如，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)用三相電源進(jìn)行供電時(shí)，由于用電負(fù)載量的差異，導(dǎo)致三相電源間的不平衡，基于此，通過將電源的零線連接到接地安全螺栓上，能夠使三相電源的電位保持在零點(diǎn)位附近，有效的避免了因三相電源的電位偏移引起的干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，在完善電線電纜的電磁兼容設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)合理的電纜結(jié)構(gòu)，選擇合理的導(dǎo)電材料，能夠有效抑制電磁對(duì)電纜的干擾。在此基礎(chǔ)上，安裝合適的濾波器，采取正確的接地及搭線方式，能夠及時(shí)濾除有害電波，提高電磁兼容性能。因此，在完善電線電纜的電磁兼容設(shè)計(jì)過程中，可以采用上述幾種方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]田雨，唐生亮，于海英.電磁干擾的危害與電磁兼容技術(shù)[J].電子世界，2017，01：73-74.

[2]李麗.電工技術(shù)領(lǐng)域中的電磁兼容[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017，09：84.endprint