降低機(jī)電設(shè)備電磁干擾的電纜隔離方法研究

周子星

（湖北機(jī)電研究設(shè)計院股份公司，湖北武漢 430200）

隨著科技水平的進(jìn)步和社會生產(chǎn)力的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)對加工精度、裝備精度的要求越來越高，對工藝精度的要求從微米級邁向了納米級。同時，機(jī)械電氣設(shè)備的精確度、靈敏度對產(chǎn)品質(zhì)量的影響也愈加明顯。除設(shè)備本身設(shè)計的性能指標(biāo)影響外，外部強電設(shè)備的電磁干擾和設(shè)備內(nèi)部系統(tǒng)電磁干擾是造成設(shè)備精度下降、性能指標(biāo)降低的最常見因素。嚴(yán)重的時候，電磁干擾會增加機(jī)電設(shè)備的附加損耗，甚至引起設(shè)備發(fā)熱，造成質(zhì)量事故、安全事故。因此，降低機(jī)電設(shè)備的電磁干擾成為企業(yè)提質(zhì)保優(yōu)工作的研究重心。

1 電磁干擾及其復(fù)雜多樣的耦合形式

電磁干擾（EMI，Electromagnetic Interference）是指由于不規(guī)則電磁擾動而造成的機(jī)械電氣設(shè)備系統(tǒng)性能劣化的電磁騷擾現(xiàn)象，是一種設(shè)備運轉(zhuǎn)時干擾電纜信號并降低信號完好性的電子噪音。

電磁干擾與電磁效應(yīng)是一對孿生兄弟。邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)電磁效應(yīng)不久，英國物理學(xué)家奧利弗·赫維賽德就開始了電磁干擾現(xiàn)象的研究工作，并迅速將人類對電磁干擾問題的研究推向了工程化和產(chǎn)業(yè)化。經(jīng)過長期的積累，人們對電磁干擾現(xiàn)象已經(jīng)研究出嚴(yán)密的科學(xué)體系。電磁干擾源的種類繁多，對機(jī)電設(shè)備而言，大致可分為自然干擾源和人為干擾源兩大類。自然干擾源包括大氣中的雷電噪聲、來自天外的宇宙噪聲。其中屬于脈沖寬帶干擾的雷電噪聲的影響相對頻繁，其雷電能量近90%分布在小于10 kHz 的低頻段，且其半峰值時間越大，能量越是集中于低頻段。因此，雷電干擾的防止主要在于控制此頻段以下的電波竄擾。而人為干擾源常見于機(jī)械電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾。常見于機(jī)電設(shè)備通斷電時因電流的急劇變化產(chǎn)生的電火花類干擾源、非線性負(fù)載、涌入諧波等。這是本文研究的重點?，F(xiàn)在，對電氣系統(tǒng)降噪技術(shù)也已經(jīng)有了嚴(yán)格的磁化系數(shù)和發(fā)射準(zhǔn)則規(guī)定，符合國際電工委員會（ IEC ， International Electrotechnical Commission）上述規(guī)定的產(chǎn)品稱為具有電磁兼容性（EMC，Electromagnetic Compatibility）[1]。

電磁干擾有傳導(dǎo)干擾和輻射干擾兩種。傳導(dǎo)干擾是指電氣設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號通過導(dǎo)電介質(zhì)或電纜傳輸線路相互耦合的一種信號干擾。輻射干擾是指電磁干擾源通過空間耦合傳遞到另一個電氣系統(tǒng)的信號干擾。即電磁干擾的傳導(dǎo)耦合方式和輻射耦合方式。電磁干擾必須具備電磁干擾源、對電磁干擾敏感的電氣設(shè)備和電磁干擾的耦合通道三個要素才會發(fā)生。幾乎所有的機(jī)械電氣設(shè)備都會產(chǎn)生這種我們不希望其存在的不同程度的電磁干擾信號。如前所述，這樣的電磁干擾極可能以電磁輻射的形式發(fā)出，也可能通過電源線、電纜等載流導(dǎo)體傳輸。不幸的是，幾乎所有的機(jī)電設(shè)備對相鄰設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾信號都很敏感?？梢?，在生產(chǎn)實際中，電氣設(shè)備之間發(fā)生的電磁干擾并不單一，其耦合通道多種多樣，幾乎無處不在。由于電磁干擾頻繁、交叉且方式多樣復(fù)雜的耦合形態(tài)，使其控制非常困難。

2 降低電磁干擾影響的措施

關(guān)于電磁兼容性，所有的發(fā)達(dá)國家和部分發(fā)展中國家都制定了電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，其中大部分國家的標(biāo)準(zhǔn)都基于IEC 所制定的標(biāo)準(zhǔn)[2]。IEC 有兩個平行的組織負(fù)責(zé)制定EMC 標(biāo)準(zhǔn)，分別是CISPR（國際無線電干擾特別委員會）和TC77（第77 技術(shù)委員會）。中國有關(guān)部門也十分重視電磁兼容性問題，成立了對應(yīng)于IEC TC77 技術(shù)委員會的全國電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，其秘書處設(shè)在中國電力科學(xué)研究院高壓所（武漢）[3]。

電磁兼容性是指機(jī)械電氣設(shè)備在其自身電磁環(huán)境中的運行能達(dá)到其額定的性能指標(biāo)，并且不會對鄰近的任何設(shè)備產(chǎn)生危害其性能的電磁干擾的能力。歐盟CE 認(rèn)證98/336/EEC 電磁兼容指令規(guī)定，機(jī)械電氣設(shè)備的電磁兼容性包括：①設(shè)備在正常工作過程中對其所處環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾始終控制在“無害”的限值內(nèi)；②設(shè)備對所處環(huán)境中其他干擾源產(chǎn)生的電磁干擾具有額定程度的抗擾能力，即電磁敏感性（EMS，Electromagnetic Susceptibility）。

在實際生產(chǎn)實踐活動中，“為改善有關(guān)傳導(dǎo)電磁現(xiàn)象的電磁兼容性，宜對電磁影響敏感的設(shè)備安裝浪涌保護(hù)裝置和（或）濾波器。”[4]主要以高分子PVC 為載體，添加導(dǎo)電炭黑、抗氧化劑、輔助加工材料混煉而成的電纜可導(dǎo)電護(hù)套，則應(yīng)連接至保護(hù)聯(lián)結(jié)電路。對共享布線通路的動力線、信號線、數(shù)據(jù)線應(yīng)采取電路隔離的方式避免形成感應(yīng)回路（Induction Loop），其中，動力線力求與信號線、數(shù)據(jù)線保持隔離，二者之間若不能避免交叉應(yīng)布設(shè)為十字交叉形式[5]?？墒褂猛S電纜以減少感應(yīng)電流進(jìn)入保護(hù)導(dǎo)體。使用具有單獨保護(hù)導(dǎo)體的對稱多芯屏蔽電纜實現(xiàn)電動機(jī)與變換器的電氣連接?！笆褂闷帘涡盘柣驍?shù)據(jù)電纜時，注意宜減少流過接地的屏蔽信號電纜或數(shù)據(jù)電纜電流?！盵4]此時，有可能需要安裝旁路導(dǎo)體。如果機(jī)械部件間具備良好的等電位聯(lián)結(jié)，則可減少旁路導(dǎo)體的需求。如圖1 所示。

圖1 旁路系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)

此外，布線應(yīng)盡可能短，以使等電位聯(lián)結(jié)的阻抗最低，并應(yīng)適當(dāng)采用銅質(zhì)編織線提高傳導(dǎo)頻率。若電氣設(shè)備需要接地參考電壓以保證其功能，可設(shè)置功能接地導(dǎo)體，對高頻工作的設(shè)備，其聯(lián)結(jié)也應(yīng)盡可能短[6]。若多個不同接地體共存于同一系統(tǒng)，則兩兩間接地電位差不得大于1 V。

3 電纜線降低電磁干擾的架設(shè)建議

為降低干擾電壓，可對電纜中的動力線與信號線、數(shù)據(jù)線用托盤架等材料設(shè)置金屬屏蔽層，以實現(xiàn)電磁屏蔽。對于高頻瞬態(tài)電磁場宜采用銅質(zhì)或鋁質(zhì)等高導(dǎo)電率金屬容器，去磁方式為導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)電流的電屏蔽，即利用它們產(chǎn)生的渦流反向磁場來抵消電磁干擾。而低頻時則宜采用磁導(dǎo)率較大的鐵磁材料容器構(gòu)成低磁阻通路，使周遭的磁力線集中在屏蔽材料中，其產(chǎn)生的附加磁場使部分磁通改變路徑，使被屏蔽區(qū)域避開電磁干擾[7]。金屬屏蔽層使用的隔離容器，其制造材質(zhì)宜選用導(dǎo)電性能優(yōu)良的金屬，構(gòu)造成法拉第籠（Faraday Cage）的形式。

對于同一線路中的動力電纜和數(shù)據(jù)電纜若設(shè)置金屬屏蔽層，其屏蔽性能（以100 MHz 為準(zhǔn)）根據(jù)采用的金屬隔離容器的不同種類，動力電纜和數(shù)據(jù)電纜之間的隔離距離要求也不一樣：①電纜容器采用實體密閉金屬橋架時，二者之間隔離距離可不設(shè)限。②電纜容器采用穿孔金屬橋架時，若該穿孔金屬容器的深度能高于電纜束位置10 mm，二者之間必須大于等于100 mm。其效果相當(dāng)于壁厚1 mm 的鋼質(zhì)托盤或穿孔面積小于等于20%的鋼格盤。③電纜容器采用網(wǎng)格金屬橋架時，二者之間必須大于等于150 mm。其效果相當(dāng)于壁厚不足1 mm 的鋼質(zhì)托盤或網(wǎng)孔面積大于20%的均勻焊接網(wǎng)格鋼籃。④未設(shè)置金屬容器進(jìn)行隔離的，二者之間必須大于等于200 mm，并使用純銅或者防腐不銹鋼鑄造的接地端子，以達(dá)到良好的接地條件[8]。

上述金屬隔離容器的屏蔽效果，首先由容器表層反射干擾源發(fā)出的電磁波來實現(xiàn)。此時，金屬容器的外表層反射一部分干擾電磁波，射入的電磁波又被容器內(nèi)層再反射掉一部分。此外，另外的射入電磁干擾在屏蔽層內(nèi)因傳播損耗又會被吸收掉一小部分。剩下的干擾電磁又因趨膚效應(yīng)（Skin Effect）沿屏蔽層的外層傳導(dǎo)[8-9]，從而降低了機(jī)電設(shè)備電纜的電磁干擾。綜上所述，無論是電纜通道系統(tǒng)的水平隔離或垂直隔離，還是相鄰的電纜托架之間的分離距離，都應(yīng)當(dāng)達(dá)到前述的最小隔離距離，且在其兩端均應(yīng)連接至等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)。

電纜施工時，并非只要布設(shè)有金屬屏蔽容器并接地就能實現(xiàn)電磁屏蔽，對施工工藝的這種簡單理解是很不科學(xué)也是不負(fù)責(zé)的行為。其技術(shù)重點應(yīng)該在于保證整個屏蔽體體表連續(xù)導(dǎo)電且不存在直接穿透屏蔽體的導(dǎo)體。屏蔽層金屬截面形狀應(yīng)滿足低阻抗互連的遍及電纜全程的連續(xù)性屏蔽要求，如圖2 所示。

圖2 電纜通道系統(tǒng)（金屬電纜托架）之間的連接

如上所述，對于機(jī)械電氣設(shè)備電纜，可使用導(dǎo)電率高、導(dǎo)磁率高的金屬導(dǎo)體做成半封閉的金屬屏蔽網(wǎng)或全封閉的金屬屏蔽籠進(jìn)行隔離，這樣的隔離設(shè)施因其高導(dǎo)電性在電磁波作用下生成較大的感應(yīng)電流。根據(jù)楞次定律，感應(yīng)電流的磁場總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化。金屬屏蔽網(wǎng)越密實效果越好，全封閉的金屬屏蔽籠效果更佳。此時，金屬導(dǎo)體吸收耗損干擾磁場的能量，使干擾磁場在侵入金屬屏蔽層外層后即行指數(shù)級別的衰減，從而阻止高頻電磁波侵?jǐn)_電纜，這也就是前述的趨膚效應(yīng)。因其趨膚電流屬于渦流的一種，故也稱為渦流屏蔽。一般而言，金屬材料的導(dǎo)電率越高，其趨膚深度就越小。當(dāng)金屬屏蔽層厚度接近于電磁場的趨膚深度時，電磁屏蔽效果最好。例如，當(dāng)電磁波頻率為500 kHz 時，趨膚深度約0.094 mm 的銅質(zhì)薄片或趨膚深度約0.12 mm 的鋁質(zhì)薄片就能較好地實現(xiàn)電磁屏蔽。

而高導(dǎo)磁性的材料能吸引大量的磁力線，使被屏蔽區(qū)域的磁力線大為減少。對于屏蔽要求較高的機(jī)電設(shè)備，由于鎳的電阻率為6.84 μΩ/cm，相對磁導(dǎo)率為600，故可使用高鎳含量的坡莫合金（Permalloy），甚至用鑄鐵、坡莫合金、電解銅制作多層屏蔽層。

必須注意，長距離鋪設(shè)時，附加連接也是需要連接至等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)的。此外，若屏蔽層容器系統(tǒng)由不同元素構(gòu)成，相鄰元素間的聯(lián)結(jié)導(dǎo)通性能應(yīng)連續(xù)、有效。若金屬電纜通道系統(tǒng)使用金屬蓋子，則優(yōu)先全程覆蓋[4]。

4 結(jié)論

機(jī)械電器設(shè)備工作所處的電磁環(huán)境相對復(fù)雜，經(jīng)常因電磁耦合產(chǎn)生電壓噪聲干擾，工程設(shè)計人員必須對此系統(tǒng)內(nèi)部的耦合噪聲直接負(fù)責(zé)。在機(jī)電設(shè)備設(shè)計安裝布線時，除了應(yīng)按照前述方法采用金屬屏蔽容器配合電纜布設(shè)隔離屏蔽層外，還應(yīng)注意屏蔽體厚度不需過大，其關(guān)鍵因素是趨膚深度和結(jié)構(gòu)強度。此外，更要特別注意電纜的金屬屏蔽層的良好接地[10]。電纜端部屏蔽層的接地宜采用EMC 電連接器以保證屏蔽層干擾直流電流的流暢。良好的地線系統(tǒng)是保證電纜隔離效果的關(guān)鍵?？傊?，電磁屏蔽是抑制電磁干擾重要方法，能大大增強機(jī)械電氣設(shè)備的可靠性，從而保證并提高企業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量。