船舶機艙電氣設備的電磁兼容設計研究

摘要：惡劣的運行環境對船舶機艙機電設備的質量檢測標準、技術條件及工作性能提出了較高要求。為確保技術條件與工作性能可以有效滿足運行要求，使設備運行過程安全可靠，應根據船舶機艙空間配置外形尺寸合適的電氣設備，保證設備本身的自動化運行程度達到強制性標準。文章研究了船舶機艙的電氣設備EMC設計要點。

關鍵詞：船舶機艙；電氣設備；電磁兼容設計；濾波設計；屏蔽設計；布線設計 文獻標識碼：A

中圖分類號：U665 文章編號：1009-2374（2017）02-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.012

電磁兼容（EMC）指的是同一電磁環境下的電氣主系統、電氣分系統、電氣設備能夠獨立執行各自的功能，且工作性能可以達到規定安全裕度下的設計標準，電磁環境與電磁干擾不會嚴重損害電氣設備的工作性能或引起性能失效，工作性能的降級程度與惡化程度處于可接受的范圍內或正常工作的電氣系統及電氣設備不會產生嚴重的電磁效應、電磁影響及電磁干擾。EMC設計的實質是電磁防護與安全共存，減少電磁干擾、電磁騷擾，避免電磁環境對電氣設備產生破壞效應。船舶機艙中的電氣設備承擔著識別、導航、通信、抗干擾等功能，EMC設計問題異常復雜，需要考慮EMC的相互關聯性、設備功能性實現要求及電磁干擾的傳輸通道、干擾體、干擾源，以提升設備的抗擾度。

1 設計方法

1.1 濾波設計

濾波的作用包括干擾信號線與干擾電源，在船舶機艙中開展EMC設計時通常需要使用濾波器，可在傳輸線路中直接串聯濾波器，串聯后濾波器中的鐵氧體、電阻、電容器及電感器等可產生特定頻率，特定頻率具有選擇傳輸網絡及抑制干擾頻率的作用。設計濾波器時應注意降低電源頻率損耗量，對于電磁環境中的其他頻率，在設計時應盡量適配，以強化濾波器的損耗吸收、頻率抑制及頻率反射性能，從而有效抑制可產生干擾作用的電磁頻率。為了適應船舶機艙中的特殊運行環境，設計濾波器時可優先選擇低通形式。可將濾波器安裝在電氣設備的電源端，安裝方法為并聯與串聯的組合形式，為確保濾波器的工作過程能夠與電源輸入過程實現有效契合，可采用π型、T型或L型設計方案。由于接地電阻可對濾波器的工作性能產生影響，同側引線可產生輻射耦合效應，因此要避免在相同的屏蔽體中設計濾波器的輸出引線與輸入引線，確保輸出引線、輸入引線互不干擾，且不能互相交叉或在同一側。對于經過電源開關或保險絲的引線，可以設置線路隔離裝置，避免引線交叉。

1.2 屏蔽設計

屏蔽設計指的是利用屏蔽材料封閉干擾源或敏感電路，以降低設備外部或內部的電磁效應、電磁強度，設計原理為使用屏蔽體引導、吸收及反射電磁能流，屏蔽抑制屬于雙向電磁抑制設計形式，可形成干擾電磁傳播的空間場域，即屏蔽區域。外部空間電磁輻射進入屏蔽區域及屏蔽區域內的電磁輻射能量向外泄露的過程均受到限制，因此可以確保電氣設備實現EMC，如電磁場中存在高頻干擾信號，可采用電阻率較低的屏蔽體抵消外來電磁波，從而有效屏蔽能夠產生干擾作用的電磁。屏蔽體在吸收電磁波及反射電磁波時，特征阻抗與波阻抗存在一定的偏差，特征阻抗與波阻抗之差增大時，反射損耗也會隨之增加。電磁波穿透設備的屏蔽體后，可出現感生渦流，感生渦流可影響吸收損耗，如電磁波頻率不斷升高，則會造成渦流損耗逐漸增大。

1.3 布線設計

對于船舶機艙設備的電源線與地線，設計時應注意把握好以下要點：為降低電磁阻抗與電磁噪聲，進行EMC設計時應盡可能增加走線的跨度及縮短地線的長度。對于常規雙面板，可沿電路板兩面的垂直方向與水平方向連接地線，使集成電路形成網格地線系統，可采用金屬材料聯結網格系統中的交點，確保接地網能夠正常工作。如電氣設備中安裝的電路板達到兩層或兩層以上，應設計電源面或接地面，縮小地線與電源線之間的距離，注意使數字地線與模擬地線實現分開走線，同時防止不同的地線之間形成回路。

設計高速邏輯系統時，應處理好地線毛刺。可采用封裝法處理地線毛刺，封裝時可采用陶瓷、DIP或PLCC。如采用封裝法無法有效處理毛刺，還可以將增強型驅動器或電阻接入輸出端。此外，在設計配線方案時，不但要考慮便于維修、便于改線、美觀性及經濟性要求，還應注意抑制干擾源與靜電。設計原則為走直線，確保信號線路與電源線路之間隔開一定距離，不應在高壓線周圍設計信號線，注意分開布設容易產生電磁污染的線路（供電線路、開關電源線路、變壓器線路等）與無電磁污染的信號線（電阻線路、二極管線路、晶體管線路、邏輯運算電路等）。

2 案例分析

2.1 電磁干擾特點

某船舶機艙中安裝了自動化監控系統。監控系統的主要功能為監測船舶動力裝置的運行參數，監測點共為87個，電氣系統中安裝了大量輸入接口，傳感器向輸入接口傳輸信號時可形成電磁干擾，再加上機艙中安裝了大量調速器與電磁閥，調速器與電磁閥在工作時也會產生電磁干擾，因此監控系統中的電氣設備處于較強的電磁干擾環境中，干擾途徑包括傳導耦合與輻射耦合。傳導耦合分為電感耦合、電容耦合及電路耦合三種形式。輻射耦合包括近場耦合與遠場耦合兩種形式，近場耦合指的是電氣設備內部電路產生的耦合干擾，遠場耦合指的是船舶機艙中的自動化控制設備產生的耦合干擾，如繼電器、接觸器、空壓機、淡水泵、燃油泵及滑油泵等產生的電磁干擾。

2.2 設計方法

2.2.1 屏蔽設計。電氣設備機柜殼體材質為鋼材，磁導率為140，導電率為0.1，設計時需考慮屏蔽體實際厚度與屏蔽效能之間的關系，本例的電磁頻率為100MHz，屏蔽體的厚度為1.5mm。屏蔽效能由反射損耗、吸收損耗決定，計算公式為：

SE=Ra+Re

式中：SE為屏蔽效能；Ra為吸收損耗；Re為反射

損耗。

本例中Ra為4394.3dB，Re為59.6dB，SE為4453.9dB，可滿足EMC設計需要。對于設備機箱的縫隙，設計時依據以下公式計算屏蔽效能：

SE=Ba+Rc=27.3（t/g）+20lg

式中：Ba為傳輸損耗，單位為dB；Rc為縫隙反射損耗，單位為dB；N為波阻抗比值；g為縫隙長度，單位為cm；t為搭接深度，單位為cm。

船舶機艙中的入射場屬于平面波場，因此：

N=10-3fg×6.69×j

式中：f為頻率，單位為MHz；g為縫隙長度，單位為cm；j為場源與屏蔽體之間的距離，單位為cm。

通過分析上述公式可知，機箱縫隙的屏蔽效能與搭接深度、縫隙長度有關，增加搭接深度與縮短縫隙長度可增強屏蔽效能。由于設備的連接螺釘可產生較大阻抗，因此需要將機箱側面的結合部位設計成焊接形式，為避免焊接結合面時出現高溫變形問題，應使用斷續焊形式。本例中機箱折邊寬度為3cm，轉門的厚度為1.5cm，t為4.5cm，可根據公式g=t×27.3/SE，計算得出縫隙長度應<2cm，即焊接機箱側面時應確保焊點之間的距離<2cm，以保證SE>80dB。

2.2.2 濾波設計。在分析及實測電源干擾情況后發現，開關電源產生的干擾頻域與頻率均達到了200Hz左右，因此在設計時需要采用低通型濾波器。由于設備的電源線同時存在差模干擾與共模干擾，因此設計時要注意綜合差模濾波線路與共模濾波線路。選擇濾波器時需測量電磁干擾頻帶與電平，根據測量結果與EMC標準選擇濾波器，確保濾波器的頻帶能夠有效抑制超標信號。在本例中，根據CE102標準測試了電源電磁干擾情況，根據測試數據選擇EMC濾波器。在電源線路中安裝EMC濾波器后，有效抑制了電磁干擾。

2.2.3 布線設計。布線時注意保證線束內線組之間的電平差<30dB，如需將線束組設計成平行敷設形式，需保證線束間距>3cm。將屏蔽線作為敏感線或高電平線，屏蔽線屏蔽效能均≥30dB。為實現電氣隔離，在設計時分開了弱電系統與強電系統、數字電路與模擬電路，盡量避免將弱電設備布置在強干擾區域，分開捆扎信號電纜、動力電纜，將光纜及屏蔽電纜作為信號電纜，供電電纜均為屏蔽電纜。由于設備的PCB板中安裝了時鐘信號，時鐘信號屬于周期信號，頻域能量較為集中，是EMC設計的難點。對于PCB板中的時鐘電路EMC設計，采用了以下方案：時鐘電路電源處于輸出狀態時，可產生灌電流或瞬態電流，為減小灌電流與瞬態電流造成的電磁沖擊，在電源中設計了隔離裝置與濾波裝置。另外，振蕩器電路中的射頻電流也會產生輻射耦合，因此采用了振蕩器金屬外殼連接地平面的設計形式，使瞬態電流可以向地平面瀉放。在端接設計方面，本例的時鐘輸出管腳為空載開路形式，開路管腳發生全反射時會引起PCB板中出現高次諧波干擾。

3 結語

綜上所述，現代船舶機艙擁有高度集成的電路、較快的總線速度、時鐘頻率較快的數字設備及性能不斷強化的電子設備，電氣設備的工作頻率重疊或高度密集，這就可能迅速增加電磁功率的密度，加重電磁干擾。應通過EMC設計抑制電氣系統與電氣設備的干擾源，減弱及切斷干擾耦合，并增強抗干擾性能及減少部分電磁敏感器件及敏感電路，以保證設備工作性能的可靠性以及安全性。在開展EMC設計工作時應采用完整的屏蔽體，保證濾波的信號線設計、電源線設計與輸入輸出設計達到要求。還應做好接地設計工作，選擇最佳的接地點，根據等電位設計接地點的數量，以確保接地路徑可以有效消除或削弱電磁干擾。此外，開展EMC設計工作時，應兼顧設備安全設計，避免機艙中的電氣設備對操作人員的人身安全構成威脅。

參考文獻

[1] 周洪，蔣燕，胡文山，等.磁共振式無線電能傳輸系統應用的電磁環境安全性研究及綜述[J].電工技術學報，2016，31（2）.

[2] 鞠文靜，周忠元，蔣全興，等.基于有限積分法的電磁兼容吸波材料反射率的建模仿真[J].東南大學學報（自然科學版），2015，45（3）.

作者簡介：蘇碧宣，男，福建永定人，福建省海警第一支隊助理工程師。

（責任編輯：黃銀芳）