張 瑋 唐文斌 錢 平 傅哲人 沈 梁

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前言

隨著科學技術的發(fā)展，船舶自動化程度越來越高，越來越多的先進自動化設備和通信設備被應用到船上組成自動化網絡，實現(xiàn)船舶的自動監(jiān)控和自動運行。但是，隨著船舶自動化程度的提高，電氣設備間的電磁干擾問題也日益嚴重，電磁干擾給船舶的運營安全帶來很大的隱患。如何在復雜的電磁環(huán)境中保證電氣設備的可靠性能，從而將設備和系統(tǒng)的功能在電磁環(huán)境中能夠如設計之初，不降低功能或失靈。進一步講，就是降低其他的設備或系統(tǒng)內部對它產生電磁干擾［1］。因此，提高電氣設備的電磁兼容性是設備制造商和船廠面臨的共同問題。本文分析了電氣設備電磁干擾產生的原因，并結合實際對船廠如何抑制電磁干擾提出了建議。

1 電磁干擾產生原因及危害

電磁干擾 （Electromagnetic Interference，簡稱EMI）是指任何可能引起設備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降或者對有生命或無生命物質產生損害作用的電磁現(xiàn)象［1］。所有電氣和電子設備工作時都會有間歇或連續(xù)性電壓、電流變化，有時變化速率還相當快，就會導致在不同頻率內或一個頻帶間產生電磁能量，而相應的電路則會將這種能量發(fā)射到周圍的環(huán)境中。這就是產生電磁干擾的根本原因。

隨著電力電子設備的大量應用，現(xiàn)在電磁干擾問題已經成為繼水污染、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，雷達顯示器、傳真、電視等顯示系統(tǒng)，會變得模糊并出現(xiàn)差錯；自動控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)失控、誤控或誤動作，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電壓而產生電火花或飛弧，引燃該處易燃氣體導致易燃物燃燒或者爆炸；更為嚴重的是電磁干擾可導致人體中樞神經系統(tǒng)機能障礙和植物神經功能紊亂、眼睛損傷、誘發(fā)癌癥或免疫缺陷性疾病等。

鑒于電磁干擾產生的種種危害，要求電子設備或網絡系統(tǒng)必須具有一定的抵抗電磁干擾的能力，同時不能產生過量的電磁輻射。也就是說，要求該設備或網絡系統(tǒng)能夠在比較惡劣的電磁環(huán)境中正常工作，同時又不能輻射過量的電磁波干擾周圍其他設備及網絡的正常工作，即要求設備能電磁兼容（Electromagnetic Compatibility，簡稱 EMC）。 要使設備達到電磁兼容要求，必須對電磁干擾采取有效的抑制和防護措施。

2 電磁干擾抑制技術及原理

根據(jù)傳輸路徑的不同，電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾兩種。傳導干擾主要是電子設備產生的干擾信號通過導電介質或公共電源線互相產生干擾；輻射干擾是指電子設備產生的干擾信號通過空間耦合把干擾信號傳給另一個網絡或電子設備。事實上，對于同一設備，這兩種干擾是同時存在的，只是各有側重而已，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。

2.1 屏蔽

對于輻射干擾多采用屏蔽技術進行抑制。屏蔽是利用屏蔽體來阻擋或衰減干擾信號的電磁傳輸。人們之前有一個錯誤的概念，認為所謂電磁屏蔽，就是只要用金屬做一個箱子，然后將箱子接地，就能夠起到電磁屏蔽的作用。實際上，電磁屏蔽與屏蔽體接地與否并沒有關系，要使屏蔽體起到好的屏蔽效能，需要做到兩點：一個是整個屏蔽體表面必須是導電連續(xù)的，另一個是導體不能有直接穿透屏蔽體。電磁屏蔽體對電磁的衰減主要是基于電磁波的反射和電磁波的吸收。當電磁波到達屏蔽體表面時，由于空氣與金屬的交界面上阻抗的不連續(xù)，對入射波產生的反射。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入屏蔽體的能量，在體內向前傳播的過程中，被屏蔽材料所衰減，也就是所謂的吸收；在屏蔽體內尚未衰減掉的剩余能量，傳到材料的另一表面時，遇到金屬－空氣阻抗不連續(xù)的交界面，會形成再次反射，并重新返回屏蔽體內。這種反射在兩個金屬的交界面上可能有多次的反射。當干擾電磁場的頻率較高時，利用低電阻率的金屬材料中產生的渦流，形成對外來電磁波的抵消作用，從而達到屏蔽的效果。當干擾電磁波的頻率較低時，要采用高磁導率的材料，從而使磁力線限制在屏蔽體內部，防止擴散到屏蔽的空間去。

船舶實際使用中，對于干擾較大的動力電氣設備源，電子保護線路的屏蔽電纜應與電力電纜盡量的分開敷設，防止電纜間的交聯(lián)電氣干擾。另外，信號發(fā)信裝置的電纜一定要單獨使用雙芯對絞屏蔽電纜，才能很好抑制外界對控制信號的電磁干擾。

2.2 濾波

對于傳導干擾多采用濾波技術進行抑制。濾波是阻止干擾頻率信號通過而允許有用頻率信號通過的一種技術。

船舶電氣設備使用電源頻率為50 Hz，因此，消除工頻干擾的方法是提高設備的信號傳遞頻率，從而避開傳播上的工頻干擾，保證電子設備的正常工作。要減少電子設備受電磁干擾的影響，應采取適當?shù)拇胧┦闺姶鸥蓴_電平降低到允許的范圍內。在國內船舶上一般把電磁干擾濾波器置于設備信號接口處，由電感和電容組成的低通濾波電路所構成。它允許有用信號的電流通過，對頻率較高的干擾信號則有較大的衰減。傳導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，其產生來源被認為是兩電氣回路之間絕緣泄漏電流以及電磁場耦合等；差模干擾存在于交流相線（R、S、T）之間，產生來源是脈動電流、開關器件的振鈴電流以及二極管的反向恢復特性。濾波器要對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入地線（共模），或將交流相線其中一相高頻干擾電流導入另外一相（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吸收轉化為熱量的特性，針對某干擾信號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)的某個選定點與某個接地面之間建立導電的通路。它是提高電力電子設備電磁兼容性的重要手段之一。根據(jù)接地目的的不同，電力電子設備接地分為兩類：

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

2）保護接地。將機殼接地，當機殼帶電時，使保護電源的裝置動作，切斷電源，以保護工作人員的安全。同時，這種接地的另一個好處是防止外界電磁場的干擾，機殼接地可以使得由于靜電感應而積累在機殼上的大量電荷通過大地泄放，否則這些電荷形成的高壓可能引起設備內部的火花放電而造成干擾。

3 船廠對電磁干擾的解決方法

目前，大多數(shù)船舶電氣設備廠家在設計產品時都已經考慮到了電磁兼容性問題，大量采用了屏蔽和濾波技術，其提供的設備本身都滿足電磁兼容性要求。但是，當這些設備裝船后形成一個綜合性網絡時，還是會暴露出電磁兼容性問題，嚴重時還會導致系統(tǒng)癱瘓。因此，問題可能出在船廠施工階段，應更多地考慮如何在船廠施工階段避免電磁干擾的產生。

對于船廠來說，要抑制電磁干擾現(xiàn)象，現(xiàn)場施工應該從以下幾個方面進行考慮：電纜的接地、電纜的選擇和敷設、設備的安裝位置。

3.1 電纜的接地

現(xiàn)在的電纜生產技術已經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備時必須將屏蔽層剝掉。這部分裸露導體的屏蔽就被破壞掉了，如果電纜導體接觸設備箱體就有可能會造成箱體帶電，對人身安全造成威脅，而且?guī)щ娐懵秾w同時還會產生電磁干擾，所以，對于接入設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50 V的電氣設備、電纜均應予以保護接地，電氣設備及電纜的接地系統(tǒng)見圖1。

2）專用接地導體的標稱截面積不應小于表1的規(guī)定。

表1 電氣設備保護接地的專用接地導體的截面積選擇 mm2

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

表2 電纜接地導體截面積的選擇 mm2

3.2 接地的分類

一般鋼質船舶電氣設備和電纜的接地工藝按功能分為保護接地、工作接地、屏蔽接地。

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

具體接地方式如圖2。

2）工作接地和屏蔽接地。前面已經澄清電磁屏蔽與屏蔽體接地與否是沒有關系的。要使屏蔽達到好的效果，必須做到兩點：一是整個屏蔽體表面必須是導電連續(xù)的，二是導體不能直接穿透屏蔽體。但是，這種狀態(tài)基本上只存在于實驗室條件下，實際生產中很難做到。因此，在現(xiàn)實條件下，屏蔽體與接地應當配合使用，才能達到理想的屏蔽效果。對于屏蔽電纜而言，由于通過電纜的電流除了產生電磁干擾還會在電纜屏蔽體表面形成靜電感應，在屏蔽體外側形成電場，產生電磁干擾。這時就必須將電纜的屏蔽層接地，使外側的電荷將流入大地，屏蔽體外側電場消失。同時，屏蔽體內側電纜導體的電場也被有效地屏蔽起來，不會對外界造成電磁干擾。對于船舶環(huán)境而言，為了電路或設備達到運行要求，利用船體作導電回路的接地可分以下幾種：

對于單層屏蔽電纜，應單端接地，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立屏蔽電纜，廠家要求的接地方式見圖4。

當電纜有兩層以上絕緣隔離的屏蔽層時，最外層兩端接地，內層一端接地。內層一端接地是為了防止電容性干擾源，即強電產生的電磁干擾。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。

對于留出的電纜多余芯線，如果處理不當也會造成電磁干擾。正確的做法是將多余芯線兩端接地，使外界雜亂電磁場感應在多余芯線上的信號處于短路狀態(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正常使用的芯線中呈現(xiàn)的感應量就很弱小了。

如一些船舶在交付后船員反映閥門遙控系統(tǒng)的一個電磁閥有時遙控失靈，只能就地操作。經廠家售后工程師檢查后，認為是電磁干擾所致，后來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，尤其對那些信號較弱系統(tǒng)中的設備和電纜，以盡量減少電磁干擾對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

3.3.1 電纜的結構與選型

在系統(tǒng)設計階段，電纜的選用除了應考慮電纜的用途、敷設的環(huán)境、系統(tǒng)的要求等因素外，對電纜抗電磁干擾能力的考慮也應一并解決。

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

3.3.2 電纜的敷設

考慮到電磁干擾的因素，在電纜的敷設過程中，要注意以下幾個方面（見圖8）。

1）高壓電纜和低壓電纜分開敷設在不同的電纜托架路徑上［2］。

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

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

3.4 設備的安裝位置

船舶電力設備安裝時，應將收發(fā)高頻信號的設備遠離其他設備，以免對低頻電路形成電磁干擾，或者與其他高頻電路互相干擾。曾經有船將單邊帶電臺的鞭狀天線安裝在駕駛臺頂?shù)恼胺剑粗鳈C遙控裝置的正上方。結果，航行中只要開啟單邊帶電臺通話，主機立即超速停車，后來將天線移位，故障消除?？梢娫O備安裝位置的選擇對于抑制電磁干擾至關重要，如果位置選得好，可以從根本上解決問題。但是，船舶空間有限，如果還有電磁干擾現(xiàn)象就必須通過其他手段對電磁干擾進行抑制。

4 結語

船舶的電磁干擾問題是很多因素綜合作用的結果，只有從多方面入手，采取多種手段進行抑制，才能確保設備的平穩(wěn)運行。隨著建造船舶的系統(tǒng)構成越來越復雜，電磁干擾問題也會日益突出，因此，必須在各個設計階段考慮周全，才能未雨綢繆，免于被動。

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

［2］中國船級社.散裝運輸危險化學品船舶構造與設備規(guī)范［S］.2006.