船舶机舱电气设备的电磁兼容设计研究

摘要：恶劣的运行环境对船舶机舱机电设备的质量检测标准、技术条件及工作性能提出了较高要求。为确保技术条件与工作性能可以有效满足运行要求，使设备运行过程安全可靠，应根据船舶机舱空间配置外形尺寸合适的电气设备，保证设备本身的自动化运行程度达到强制性标准。文章研究了船舶机舱的电气设备EMC设计要点。

关键词：船舶机舱；电气设备；电磁兼容设计；滤波设计；屏蔽设计；布线设计 文献标识码：A

中图分类号：U665 文章编号：1009-2374（2017）02-0027-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.02.012

电磁兼容（EMC）指的是同一电磁环境下的电气主系统、电气分系统、电气设备能够独立执行各自的功能，且工作性能可以达到规定安全裕度下的设计标准，电磁环境与电磁干扰不会严重损害电气设备的工作性能或引起性能失效，工作性能的降级程度与恶化程度处于可接受的范围内或正常工作的电气系统及电气设备不会产生严重的电磁效应、电磁影响及电磁干扰。EMC设计的实质是电磁防护与安全共存，减少电磁干扰、电磁骚扰，避免电磁环境对电气设备产生破坏效应。船舶机舱中的电气设备承担着识别、导航、通信、抗干扰等功能，EMC设计问题异常复杂，需要考虑EMC的相互关联性、设备功能性实现要求及电磁干扰的传输通道、干扰体、干扰源，以提升设备的抗扰度。

1 设计方法

1.1 滤波设计

滤波的作用包括干扰信号线与干扰电源，在船舶机舱中开展EMC设计时通常需要使用滤波器，可在传输线路中直接串联滤波器，串联后滤波器中的铁氧体、电阻、电容器及电感器等可产生特定频率，特定频率具有选择传输网络及抑制干扰频率的作用。设计滤波器时应注意降低电源频率损耗量，对于电磁环境中的其他频率，在设计时应尽量适配，以强化滤波器的损耗吸收、频率抑制及频率反射性能，从而有效抑制可产生干扰作用的电磁频率。为了适应船舶机舱中的特殊运行环境，设计滤波器时可优先选择低通形式。可将滤波器安装在电气设备的电源端，安装方法为并联与串联的组合形式，为确保滤波器的工作过程能够与电源输入过程实现有效契合，可采用π型、T型或L型设计方案。由于接地电阻可对滤波器的工作性能产生影响，同侧引线可产生辐射耦合效应，因此要避免在相同的屏蔽体中设计滤波器的输出引线与输入引线，确保输出引线、输入引线互不干扰，且不能互相交叉或在同一侧。对于经过电源开关或保险丝的引线，可以设置线路隔离装置，避免引线交叉。

1.2 屏蔽设计

屏蔽设计指的是利用屏蔽材料封闭干扰源或敏感电路，以降低设备外部或内部的电磁效应、电磁强度，设计原理为使用屏蔽体引导、吸收及反射电磁能流，屏蔽抑制属于双向电磁抑制设计形式，可形成干扰电磁传播的空间场域，即屏蔽区域。外部空间电磁辐射进入屏蔽区域及屏蔽区域内的电磁辐射能量向外泄露的过程均受到限制，因此可以确保电气设备实现EMC，如电磁场中存在高频干扰信号，可采用电阻率较低的屏蔽体抵消外来电磁波，从而有效屏蔽能够产生干扰作用的电磁。屏蔽体在吸收电磁波及反射电磁波时，特征阻抗與波阻抗存在一定的偏差，特征阻抗与波阻抗之差增大时，反射损耗也会随之增加。电磁波穿透设备的屏蔽体后，可出现感生涡流，感生涡流可影响吸收损耗，如电磁波频率不断升高，则会造成涡流损耗逐渐增大。

1.3 布线设计

对于船舶机舱设备的电源线与地线，设计时应注意把握好以下要点：为降低电磁阻抗与电磁噪声，进行EMC设计时应尽可能增加走线的跨度及缩短地线的长度。对于常规双面板，可沿电路板两面的垂直方向与水平方向连接地线，使集成电路形成网格地线系统，可采用金属材料联结网格系统中的交点，确保接地网能够正常工作。如电气设备中安装的电路板达到两层或两层以上，应设计电源面或接地面，缩小地线与电源线之间的距离，注意使数字地线与模拟地线实现分开走线，同时防止不同的地线之间形成回路。

设计高速逻辑系统时，应处理好地线毛刺。可采用封装法处理地线毛刺，封装时可采用陶瓷、DIP或PLCC。如采用封装法无法有效处理毛刺，还可以将增强型驱动器或电阻接入输出端。此外，在设计配线方案时，不但要考虑便于维修、便于改线、美观性及经济性要求，还应注意抑制干扰源与静电。设计原则为走直线，确保信号线路与电源线路之间隔开一定距离，不应在高压线周围设计信号线，注意分开布设容易产生电磁污染的线路（供电线路、开关电源线路、变压器线路等）与无电磁污染的信号线（电阻线路、二极管线路、晶体管线路、逻辑运算电路等）。

2 案例分析

2.1 电磁干扰特点

某船舶机舱中安装了自动化监控系统。监控系统的主要功能为监测船舶动力装置的运行参数，监测点共为87个，电气系统中安装了大量输入接口，传感器向输入接口传输信号时可形成电磁干扰，再加上机舱中安装了大量调速器与电磁阀，调速器与电磁阀在工作时也会产生电磁干扰，因此监控系统中的电气设备处于较强的电磁干扰环境中，干扰途径包括传导耦合与辐射耦合。传导耦合分为电感耦合、电容耦合及电路耦合三种形式。辐射耦合包括近场耦合与远场耦合两种形式，近场耦合指的是电气设备内部电路产生的耦合干扰，远场耦合指的是船舶机舱中的自动化控制设备产生的耦合干扰，如继电器、接触器、空压机、淡水泵、燃油泵及滑油泵等产生的电磁干扰。

2.2 设计方法

2.2.1 屏蔽设计。电气设备机柜壳体材质为钢材，磁导率为140，导电率为0.1，设计时需考虑屏蔽体实际厚度与屏蔽效能之间的关系，本例的电磁频率为100MHz，屏蔽体的厚度为1.5mm。屏蔽效能由反射损耗、吸收损耗决定，计算公式为：

SE=Ra+Re

式中：SE为屏蔽效能；Ra为吸收损耗；Re为反射

损耗。

本例中Ra为4394.3dB，Re为59.6dB，SE为4453.9dB，可满足EMC设计需要。对于设备机箱的缝隙，设计时依据以下公式计算屏蔽效能：

SE=Ba+Rc=27.3（t/g）+20lg

式中：Ba为传输损耗，单位为dB；Rc为缝隙反射损耗，单位为dB；N为波阻抗比值；g为缝隙长度，单位为cm；t为搭接深度，单位为cm。

船舶机舱中的入射场属于平面波场，因此：

N=10-3fg×6.69×j

式中：f为频率，单位为MHz；g为缝隙长度，单位为cm；j为场源与屏蔽体之间的距离，单位为cm。

通过分析上述公式可知，机箱缝隙的屏蔽效能与搭接深度、缝隙长度有关，增加搭接深度与缩短缝隙长度可增强屏蔽效能。由于设备的连接螺钉可产生较大阻抗，因此需要将机箱侧面的结合部位设计成焊接形式，为避免焊接结合面时出现高温变形问题，应使用断续焊形式。本例中机箱折边宽度为3cm，转门的厚度为1.5cm，t为4.5cm，可根据公式g=t×27.3/SE，计算得出缝隙长度应<2cm，即焊接机箱侧面时应确保焊点之间的距离<2cm，以保证SE>80dB。

2.2.2 滤波设计。在分析及实测电源干扰情况后发现，开关电源产生的干扰频域与频率均达到了200Hz左右，因此在设计时需要采用低通型滤波器。由于设备的电源线同时存在差模干扰与共模干扰，因此设计时要注意综合差模滤波线路与共模滤波线路。选择滤波器时需测量电磁干扰频带与电平，根据测量结果与EMC标准选择滤波器，确保滤波器的频带能够有效抑制超标信号。在本例中，根据CE102标准测试了电源电磁干扰情况，根据测试数据选择EMC滤波器。在电源线路中安装EMC滤波器后，有效抑制了电磁干扰。

2.2.3 布线设计。布线时注意保证线束内线组之间的电平差<30dB，如需将线束组设计成平行敷设形式，需保证线束间距>3cm。将屏蔽线作为敏感线或高电平线，屏蔽线屏蔽效能均≥30dB。为实现电气隔离，在设计时分开了弱电系统与强电系统、数字电路与模拟电路，尽量避免将弱电设备布置在强干扰区域，分开捆扎信号电缆、动力电缆，将光缆及屏蔽电缆作为信号电缆，供电电缆均为屏蔽电缆。由于设备的PCB板中安装了时钟信号，时钟信号属于周期信号，频域能量较为集中，是EMC设计的难点。对于PCB板中的时钟电路EMC设计，采用了以下方案：时钟电路电源处于输出状态时，可产生灌电流或瞬态电流，为减小灌电流与瞬态电流造成的电磁冲击，在电源中设计了隔离装置与滤波装置。另外，振荡器电路中的射频电流也会产生辐射耦合，因此采用了振荡器金属外壳连接地平面的设计形式，使瞬态电流可以向地平面泻放。在端接设计方面，本例的时钟输出管脚为空载开路形式，开路管脚发生全反射时会引起PCB板中出现高次谐波干扰。

3 结语

综上所述，现代船舶机舱拥有高度集成的电路、较快的总线速度、时钟频率较快的数字设备及性能不断强化的电子设备，电气设备的工作频率重叠或高度密集，这就可能迅速增加电磁功率的密度，加重电磁干扰。应通过EMC设计抑制电气系统与电气设备的干扰源，减弱及切断干扰耦合，并增强抗干扰性能及减少部分电磁敏感器件及敏感电路，以保证设备工作性能的可靠性以及安全性。在开展EMC设计工作时应采用完整的屏蔽体，保证滤波的信号线设计、电源线设计与输入输出设计达到要求。还应做好接地设计工作，选择最佳的接地点，根据等电位设计接地点的数量，以确保接地路径可以有效消除或削弱电磁干扰。此外，开展EMC设计工作时，应兼顾设备安全设计，避免机舱中的电气设备对操作人员的人身安全構成威胁。

参考文献

[1] 周洪，蒋燕，胡文山，等.磁共振式无线电能传输系统应用的电磁环境安全性研究及综述[J].电工技术学报，2016，31（2）.

[2] 鞠文静，周忠元，蒋全兴，等.基于有限积分法的电磁兼容吸波材料反射率的建模仿真[J].东南大学学报（自然科学版），2015，45（3）.

作者简介：苏碧宣，男，福建永定人，福建省海警第一支队助理工程师。

（责任编辑：黄银芳）