淺談電線電纜在電磁兼容方面的設計要點

張忠貴

摘 要：電磁兼容技術(shù)能夠有效地對抗電磁干擾，被廣泛應用到各個領域。文章重點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)的設計要點，以期能為相關人士提供借鑒和參考。

關鍵詞：電磁兼容；屏蔽技術(shù)；濾波技術(shù)

中圖分類號：TM24 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）27-0095-02

前言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和生產(chǎn)力的不斷提高。電磁環(huán)境日益惡化，電子元器件對電磁兼容的要求進一步提高，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。加強電磁兼容設計，能夠有效減少電磁的干擾，促進設備的正常運轉(zhuǎn)。因此，加強電線電纜在電磁兼容方面的設計，對電器企業(yè)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 屏蔽技術(shù)的設計要點

1.1 屏蔽技術(shù)的原理和目的

屏蔽技術(shù)即利用導電材料將電磁場局限在一定范圍內(nèi)，從而抑制電磁擴散，減少對電器設備的干擾。屏蔽的目的有兩個，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屏蔽技術(shù)、磁場屏蔽技術(shù)和電磁場屏蔽技術(shù)。

（1）電場屏蔽技術(shù)采用具有良好導電性能的導體充當屏蔽體，并具有良好的接地功能，有效的把電場中止在導體表面，通過接地線與導體表面的電荷的感應，實現(xiàn)了對電場的屏蔽。因此，要想有效的減少因靜電耦合產(chǎn)生的干擾，應主要從以下兩方面著手，首先要應用導電和接地性能良好的金屬屏蔽體，有效對抗靜電干擾，其次要分離相互耦合的電子元器件，減少相鄰導體間因靜電耦合產(chǎn)生的寄生電容。（2）磁場屏蔽技術(shù)通過采用高導磁率的材料制成導磁體，并對電磁形成阻礙作用，從而有效的防止電磁內(nèi)部的泄漏、擴散和外部磁場的干擾。當導磁體的工作頻率低于100KHz時，通常采用鐵、硅鋼片等高導磁率的材料對磁場進行干擾。而在高頻磁場，通常應用銀和銅等低電阻率的材料，利用電磁感應原理，在屏蔽體表面形成渦流的反磁場與原磁場進行對抗，實現(xiàn)對磁場的屏蔽效果。（3）電磁屏蔽技術(shù)是指對電場和磁場同時進行屏蔽，電磁屏蔽技術(shù)主要用于高頻磁場，通過電磁通過金屬保護層的衰減過程，完成對磁場的屏蔽。電磁波在金屬保護層中產(chǎn)生的損耗可以用傳輸方程進行計算和分析，應用此種方法，不僅能夠方便快捷的計算金屬保護層的屏蔽效果，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表示屏蔽材料的導電率，？自為導電率，？姿為傳輸?shù)念l率。當處于低頻磁場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)的設計要點

屏蔽體的導電率、導磁率、厚度以及工作頻率是影響電線電纜屏蔽性能的關鍵。因此，為了提升電線電纜的屏蔽性能，在設計的過程中，應注意以下幾點。首先，應選擇保護層較厚的屏蔽體，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。在設計過程中加大對導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，在低頻磁場中，通過設計合理的電纜結(jié)構(gòu)，能夠有效減少電磁對電纜的干擾。在電纜傳輸信號強度較大且對電磁干擾敏感度較低的情況下，可以設計雙絞線的電纜結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對抗電纜干擾的目的。在電纜傳輸信號強度較弱且對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，增加屏蔽體的厚度和層數(shù)，以達到對抗電磁干擾的目的。在低頻磁場中，磁場的干擾是主要的屏蔽對象。因此，在設計電線電纜結(jié)構(gòu)的過程中，選用導磁率較高的材料，如鐵，硅鋼片等，對電磁干擾形成分路，對電磁的傳輸形成阻礙，從而起到屏蔽磁場的作用。在此基礎上，還應增加導磁體的層數(shù)，形成多層鐵氧體材料的總屏蔽，使電線電纜能夠有效對抗電磁干擾。在高頻磁場中，可以利用屏蔽體因電磁感應在表面形成的渦流反磁場，形成對原磁場電磁的屏蔽。因此，在電線電纜的材料選擇中，應盡量選擇電阻率較低的材料制作保護層，如金、銀等，屏蔽層的電阻越小，渦流的反磁場效果越強烈。保護層可以采用薄帶材料繞包和圓線編織纏繞的方式，同時，為了對抗強度過大的干擾對象，還可以采用多層復合屏蔽的方式[1]。

2 濾波技術(shù)的設計要點

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和對有害電波的抑制作用，實現(xiàn)防止電磁干擾的目的。實踐證明，即便設計再嚴密的屏蔽體，都會有傳導干擾信號進入系統(tǒng)。通過在屏蔽體的導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，維護設備的正常運行。

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信號源在負載抗組上產(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，因此，一般用插入損耗的波動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，通過允許高頻信號通過，抑制有害低頻信號，完成對電源諧波干擾的濾除工作。帶通濾波器一般在信號頻率帶寬較窄的條件下使用，安裝位置通常在通信接收機的天線接口。帶組濾波器通常在信號頻率帶寬較寬且干擾信號帶寬較窄的情況下使用，一般安置在距離電視、廣播等發(fā)射臺較近的電纜端口處。

2.3 濾波器的結(jié)構(gòu)和安裝要點

將鐵氧體材料填充進電纜，由此形成了電纜濾波器。電纜濾波器具有體積小的優(yōu)點，且能夠有效實現(xiàn)高頻電磁的衰減，例如，電纜濾波器僅通過1米長的電纜，就可以實現(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)，可以實現(xiàn)60dB左右的衰減。磁環(huán)扼流圈從形式上看是一個圓形磁環(huán)，由鐵氧體材料制成，在信號線上套上這種磁環(huán)，導線在穿過磁環(huán)時，由于磁環(huán)附近導線單匝扼流圈的性能，其抗組與導線的屏蔽性能呈現(xiàn)正相關的發(fā)展趨勢，屏蔽功能越強，抗組越高，由此實現(xiàn)對高頻電磁的抑制和衰減。將此種方法應用到電線電纜的濾波過程中，既簡單方便，又經(jīng)濟實惠[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電桿上，另一端與電容器的外殼焊接在一起作為接地端，對干擾信號形成旁路作用。穿心電容器的安裝方式簡單，且價格經(jīng)濟實惠，經(jīng)常被應用于電源中高頻電波的干擾。此外，在實際的應用中，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，有效對抗電源中的高頻電波。endprint

在安裝濾波器的過程中，應注意以下幾點。首先，為了降低接觸抗組，應將濾波器直接固定在機箱的金屬板上。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分別固定在屏蔽機箱的兩端。最后，為了防止電磁泄露對設備造成的威脅，應在機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)的設計要點

3.1 接地方式

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

單點接地通常應用于信號工作頻率較低的環(huán)境中，將電路系統(tǒng)作為結(jié)構(gòu)點，所有的接地線通過接地安全螺栓連接到這個點上，有效對抗接地各點間產(chǎn)生的靜電耦合。同時，電路的接地方式又分為串聯(lián)接地和并聯(lián)接地兩種，因為串聯(lián)電路接地方式會產(chǎn)生共地電阻的靜電耦合，因此，一般采用并聯(lián)的單點接地方式。為了防止閑散電流對信號工作頻率的干擾，信號的接地線應具有良好的絕緣性能，且只與接地安全螺栓相連。多點接地通常應用于信號工作頻率較高的環(huán)境中，通常是指將接地導體作為接地信號的回路，各子系統(tǒng)的接地線分別與其相連，實現(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度變化而變化，因此，為了減弱接地線抗組產(chǎn)生的干擾，應盡量縮短接地線的長度，并盡量選擇電阻值較低的點進行接地。混合接地通常應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，采用單點接地方式；工作頻率在10MHz以上時，采用多點接地方式；工作頻率在1MHz和10MHz之間且接地線的長度小于波長的條件下，可以采用單點接地，反之，則采用多點接地方式。兩種接地方式的混合運用，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，會產(chǎn)生共地阻抗，對電磁形成干擾，影響設備使用的同時，對人身安全也會造成極大的損害，因此，接電電阻越小越好，尤其是移動設備，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，也應該將以上三方面作為著眼點，首先要采用截面大、長度短的細導線降低接地線的電阻，其次，應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電率，從而降低地電阻。

接地電阻R的計算公式為：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 設備接地

一臺設備為了實現(xiàn)對抗電磁的要求，往往設計了包括高頻電路、數(shù)字電路、供電電路和繼電電路在內(nèi)的多種電路。同時，為了安裝電路板和元器件，需要電路設備具有機械強度較大的金屬外殼。因此，在進行設備接地的過程中，應注意以下幾點問題。首先，接地安全螺栓應設置在設備的金屬外殼上，并具有良好的導電性能，電源零線的工作頻率應為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殼地線的替代品，避免因機殼帶電導致的人員傷亡。最后，應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地，實現(xiàn)信號地和功率地接地線的分離，使其與機殼的接地線徹底分離，降低其對設備安全和人身安全的威脅。

3.4 系統(tǒng)接地

在進行系統(tǒng)接地設計的過程中，應注意以下幾點。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)的金屬機殼。其次，設備外殼應用設備外殼接地線與機柜外殼相連，機柜外殼應用機柜外殼接地線與系統(tǒng)外殼相連。第三，考慮到系統(tǒng)機柜內(nèi)部因設備過多導致接地線過多的情況，應在系統(tǒng)機柜內(nèi)部鋪設兩條與系統(tǒng)外殼絕緣的半環(huán)形接地母線，并使其相互平行，其中一條為信號地母線，另一條為機殼接地母線。將機柜內(nèi)各信號地通過信號地螺栓連接到信號地母線上，屏蔽地通過接地安全螺栓連接到機殼接地母線上，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，當系統(tǒng)運用三相電源進行供電時，由于用電負載量的差異，導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

通過以上研究發(fā)現(xiàn)，在完善電線電纜的電磁兼容設計過程中，設計合理的電纜結(jié)構(gòu)，選擇合理的導電材料，能夠有效抑制電磁對電纜的干擾。在此基礎上，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計過程中，可以采用上述幾種方法。

參考文獻：

[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)領域中的電磁兼容[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017，09：84.endprint