船舶电磁干扰抑制和电气接地

张 玮 唐文斌 钱 平 傅哲人 沈 梁

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

随着科学技术的发展，船舶自动化程度越来越高，越来越多的先进自动化设备和通信设备被应用到船上组成自动化网络，实现船舶的自动监控和自动运行。但是，随着船舶自动化程度的提高，电气设备间的电磁干扰问题也日益严重，电磁干扰给船舶的运营安全带来很大的隐患。如何在复杂的电磁环境中保证电气设备的可靠性能，从而将设备和系统的功能在电磁环境中能够如设计之初，不降低功能或失灵。进一步讲，就是降低其他的设备或系统内部对它产生电磁干扰［1］。因此，提高电气设备的电磁兼容性是设备制造商和船厂面临的共同问题。本文分析了电气设备电磁干扰产生的原因，并结合实际对船厂如何抑制电磁干扰提出了建议。

1 电磁干扰产生原因及危害

电磁干扰 （Electromagnetic Interference，简称EMI）是指任何可能引起设备、传输通道或系统性能的下降或者对有生命或无生命物质产生损害作用的电磁现象［1］。所有电气和电子设备工作时都会有间歇或连续性电压、电流变化，有时变化速率还相当快，就会导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量，而相应的电路则会将这种能量发射到周围的环境中。这就是产生电磁干扰的根本原因。

随着电力电子设备的大量应用，现在电磁干扰问题已经成为继水污染、空气污染、噪声污染、环境污染之后的第五公害，称之为电磁污染。受到电磁干扰，雷达显示器、传真、电视等显示系统，会变得模糊并出现差错；自动控制系统可能出现失控、误控或误动作，使控制系统的可靠性和有效性降低，并危及安全；金属之间因电磁感应电压而产生电火花或飞弧，引燃该处易燃气体导致易燃物燃烧或者爆炸；更为严重的是电磁干扰可导致人体中枢神经系统机能障碍和植物神经功能紊乱、眼睛损伤、诱发癌症或免疫缺陷性疾病等。

鉴于电磁干扰产生的种种危害，要求电子设备或网络系统必须具有一定的抵抗电磁干扰的能力，同时不能产生过量的电磁辐射。也就是说，要求该设备或网络系统能够在比较恶劣的电磁环境中正常工作，同时又不能辐射过量的电磁波干扰周围其他设备及网络的正常工作，即要求设备能电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，简称 EMC）。 要使设备达到电磁兼容要求，必须对电磁干扰采取有效的抑制和防护措施。

2 电磁干扰抑制技术及原理

根据传输路径的不同，电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰；辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个网络或电子设备。事实上，对于同一设备，这两种干扰是同时存在的，只是各有侧重而已，干扰形式不同，需要采取的抑制手段也不同。

屏蔽、滤波、接地三种，通常称之为抑制电磁干扰的三大技术。

2.1 屏蔽

对于辐射干扰多采用屏蔽技术进行抑制。屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或衰减干扰信号的电磁传输。人们之前有一个错误的概念，认为所谓电磁屏蔽，就是只要用金属做一个箱子，然后将箱子接地，就能够起到电磁屏蔽的作用。实际上，电磁屏蔽与屏蔽体接地与否并没有关系，要使屏蔽体起到好的屏蔽效能，需要做到两点：一个是整个屏蔽体表面必须是导电连续的，另一个是导体不能有直接穿透屏蔽体。电磁屏蔽体对电磁的衰减主要是基于电磁波的反射和电磁波的吸收。当电磁波到达屏蔽体表面时，由于空气与金属的交界面上阻抗的不连续，对入射波产生的反射。这种反射不要求屏蔽材料必须有一定的厚度，只要求交界面上的不连续；未被表面反射掉而进入屏蔽体的能量，在体内向前传播的过程中，被屏蔽材料所衰减，也就是所谓的吸收；在屏蔽体内尚未衰减掉的剩余能量，传到材料的另一表面时，遇到金属－空气阻抗不连续的交界面，会形成再次反射，并重新返回屏蔽体内。这种反射在两个金属的交界面上可能有多次的反射。当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率的金属材料中产生的涡流，形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽的效果。当干扰电磁波的频率较低时，要采用高磁导率的材料，从而使磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去。

船舶实际使用中，对于干扰较大的动力电气设备源，电子保护线路的屏蔽电缆应与电力电缆尽量的分开敷设，防止电缆间的交联电气干扰。另外，信号发信装置的电缆一定要单独使用双芯对绞屏蔽电缆，才能很好抑制外界对控制信号的电磁干扰。

2.2 滤波

对于传导干扰多采用滤波技术进行抑制。滤波是阻止干扰频率信号通过而允许有用频率信号通过的一种技术。

船舶电气设备使用电源频率为50 Hz，因此，消除工频干扰的方法是提高设备的信号传递频率，从而避开传播上的工频干扰，保证电子设备的正常工作。要减少电子设备受电磁干扰的影响，应采取适当的措施使电磁干扰电平降低到允许的范围内。在国内船舶上一般把电磁干扰滤波器置于设备信号接口处，由电感和电容组成的低通滤波电路所构成。它允许有用信号的电流通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。传导型电磁干扰分为共模（CM）和差模（DM）两种。共模干扰存在于所有交流相线（R、S、T）和共模地（E）之间，其产生来源被认为是两电气回路之间绝缘泄漏电流以及电磁场耦合等；差模干扰存在于交流相线（R、S、T）之间，产生来源是脉动电流、开关器件的振铃电流以及二极管的反向恢复特性。滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用。其基本原理有三种：

1）利用电容通高频隔低频的特性，将交流相线高频干扰电流导入地线（共模），或将交流相线其中一相高频干扰电流导入另外一相（差模）；

2）利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源；

3）利用干扰抑制铁氧体可将一定频段的干扰信号吸收转化为热量的特性，针对某干扰信号的频段选择合适的抑制干扰铁氧体磁环、磁珠直接套在需要滤波的电缆上即可。

2.3 接地

接地是指在系统的某个选定点与某个接地面之间建立导电的通路。它是提高电力电子设备电磁兼容性的重要手段之一。根据接地目的的不同，电力电子设备接地分为两类：

1）工作接地。通过接地使整个电路系统中的所有单元电路都有一个公共的参考零电位，保证电路系统能稳定地工作。同时，也能通过将屏蔽层、屏蔽体良好的接地达到抑制电磁干扰作用。

2）保护接地。将机壳接地，当机壳带电时，使保护电源的装置动作，切断电源，以保护工作人员的安全。同时，这种接地的另一个好处是防止外界电磁场的干扰，机壳接地可以使得由于静电感应而积累在机壳上的大量电荷通过大地泄放，否则这些电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。

3 船厂对电磁干扰的解决方法

目前，大多数船舶电气设备厂家在设计产品时都已经考虑到了电磁兼容性问题，大量采用了屏蔽和滤波技术，其提供的设备本身都满足电磁兼容性要求。但是，当这些设备装船后形成一个综合性网络时，还是会暴露出电磁兼容性问题，严重时还会导致系统瘫痪。因此，问题可能出在船厂施工阶段，应更多地考虑如何在船厂施工阶段避免电磁干扰的产生。

对于船厂来说，要抑制电磁干扰现象，现场施工应该从以下几个方面进行考虑：电缆的接地、电缆的选择和敷设、设备的安装位置。

3.1 电缆的接地

现在的电缆生产技术已经可以做到屏蔽电缆本身能较好地满足EMC要求，但是电缆在接入电气设备时必须将屏蔽层剥掉。这部分裸露导体的屏蔽就被破坏掉了，如果电缆导体接触设备箱体就有可能会造成箱体带电，对人身安全造成威胁，而且带电裸露导体同时还会产生电磁干扰，所以，对于接入设备的电缆屏蔽层必须接地。

1）在船舶电气系统中，工作电压超过50 V的电气设备、电缆均应予以保护接地，电气设备及电缆的接地系统见图1。

2）专用接地导体的标称截面积不应小于表1的规定。

表1 电气设备保护接地的专用接地导体的截面积选择 mm2

3）接地导体的截面积（Q）与电缆导体的截面积（S）间的关系应符合表2规定。成束电缆如采用公共接地导体接地，其截面积应按该束电缆中最大载流导体的截面积来选择。

表2 电缆接地导体截面积的选择 mm2

3.2 接地的分类

一般钢质船舶电气设备和电缆的接地工艺按功能分为保护接地、工作接地、屏蔽接地。

1）保护接地。除了工作电压不超过50 V或具有双重绝缘的船舶电气设备外，所有船舶电气设备均应保护接地，除了保护人身安全外，还可以将由于静电感应而积累在机壳和电缆屏蔽层上的大量电荷通过大地泄放，防止电荷形成的高压可能引起设备内部的火花放电而造成干扰。将电气设备的金属外壳与船体连接，消除由于漏电或感应造成外壳带电，保护人体安全。

具体接地方式如图2。

2）工作接地和屏蔽接地。前面已经澄清电磁屏蔽与屏蔽体接地与否是没有关系的。要使屏蔽达到好的效果，必须做到两点：一是整个屏蔽体表面必须是导电连续的，二是导体不能直接穿透屏蔽体。但是，这种状态基本上只存在于实验室条件下，实际生产中很难做到。因此，在现实条件下，屏蔽体与接地应当配合使用，才能达到理想的屏蔽效果。对于屏蔽电缆而言，由于通过电缆的电流除了产生电磁干扰还会在电缆屏蔽体表面形成静电感应，在屏蔽体外侧形成电场，产生电磁干扰。这时就必须将电缆的屏蔽层接地，使外侧的电荷将流入大地，屏蔽体外侧电场消失。同时，屏蔽体内侧电缆导体的电场也被有效地屏蔽起来，不会对外界造成电磁干扰。对于船舶环境而言，为了电路或设备达到运行要求，利用船体作导电回路的接地可分以下几种：

对于单层屏蔽电缆，应单端接地，通常倾向于在靠近电源的一端接地。这样做是为了不形成电位差，从而抑制干扰电流的产生。该方法适用于低频电路。正确的接地方法见图3。

例如：连接至模拟DPU模块的电缆和总线电缆必须使用独立屏蔽电缆，厂家要求的接地方式见图4。

当电缆有两层以上绝缘隔离的屏蔽层时，最外层两端接地，内层一端接地。内层一端接地是为了防止电容性干扰源，即强电产生的电磁干扰。外层两端接地是为了防止电感性干扰源。该方法适用于高频电路，接地方式见图5。

对于留出的电缆多余芯线，如果处理不当也会造成电磁干扰。正确的做法是将多余芯线两端接地，使外界杂乱电磁场感应在多余芯线上的信号处于短路状态（低阻抗回路）。短路形成的电流消耗了其能量，在同一电缆屏蔽层内正常使用的芯线中呈现的感应量就很弱小了。

如一些船舶在交付后船员反映阀门遥控系统的一个电磁阀有时遥控失灵，只能就地操作。经厂家售后工程师检查后，认为是电磁干扰所致，后来将该电磁阀的电缆接线根据图6修改后，故障消除。

3.3 电缆的选择

分析和明确了电磁干扰产生的原因和抑制原理后，船厂在安装工艺等方面需按特殊的工艺考虑，尤其对那些信号较弱系统中的设备和电缆，以尽量减少电磁干扰对系统稳定性的影响。

3.3.1 电缆的结构与选型

在系统设计阶段，电缆的选用除了应考虑电缆的用途、敷设的环境、系统的要求等因素外，对电缆抗电磁干扰能力的考虑也应一并解决。

在电缆的结构中，屏蔽层通常由裸铜导体等导电材料编制而成，可以减少交变电磁场向指定区域穿透。在信号电缆的选型中，一般选用具有屏蔽层的电缆（见图7）。

3.3.2 电缆的敷设

考虑到电磁干扰的因素，在电缆的敷设过程中，要注意以下几个方面（见图8）。

1）高压电缆和低压电缆分开敷设在不同的电缆托架路径上［2］。

2）本质安全电缆与非本质安全电缆分开敷设。在同一电缆托架内，需分开50 mm。

3）不带屏蔽的信号电缆要和电力、照明电缆分开50 mm以上敷设；如选用带屏蔽信号电缆，则信号电缆和电力、照明电缆可以同束敷设。

3.4 设备的安装位置

船舶电力设备安装时，应将收发高频信号的设备远离其他设备，以免对低频电路形成电磁干扰，或者与其他高频电路互相干扰。曾经有船将单边带电台的鞭状天线安装在驾驶台顶的正前方，即主机遥控装置的正上方。结果，航行中只要开启单边带电台通话，主机立即超速停车，后来将天线移位，故障消除。可见设备安装位置的选择对于抑制电磁干扰至关重要，如果位置选得好，可以从根本上解决问题。但是，船舶空间有限，如果还有电磁干扰现象就必须通过其他手段对电磁干扰进行抑制。

4 结语

船舶的电磁干扰问题是很多因素综合作用的结果，只有从多方面入手，采取多种手段进行抑制，才能确保设备的平稳运行。随着建造船舶的系统构成越来越复杂，电磁干扰问题也会日益突出，因此，必须在各个设计阶段考虑周全，才能未雨绸缪，免于被动。

［1］刘放歌.船舶电磁干扰与电磁兼容技术［J］.造船技术，1999（2）：16-17.

［2］中国船级社.散装运输危险化学品船舶构造与设备规范［S］.2006.