浅析船舶电磁干扰抑制和电气接地杨春

浅析船舶电磁干扰抑制和电气接地杨春

杨春

舟山中远船务工程有限公司浙江舟山316131

摘要：在船舶技术飞速发展的推动下，船舱中的现代电子设备越来越多，这些电子设备功率大、频谱宽，会产生大量的电磁干扰。保证不同电子设备间的电磁兼容成为设备正常运转的关键问题。在船舶航行过程中，行程传感器传输信号的信噪比较低，使得有用信号淹没在电磁干扰中而造成用户不能得到可靠数据，因此在航行过程中需要采取相关措施来抑制电磁干扰,减少电磁干扰所带来的消极影响。

关键词：船舶；电磁干扰；抑制；电气接地

引言

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，使得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的电磁干扰。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。

一、电磁干扰产生原因

电磁兼容性是指在有限的空间、时间和频谱范围内各种电气设备能一起实现各自功能而不引起性能下降的共存状态。它包括两方面的含义：一是各电气设备或设备内部的各个部件，无论是在它们各自所产生的电磁环境中，还是处于外界电磁环境中，都能按原设计要求正常工作，即具有一定的抗电磁干扰能力；二是各电气设备自身产生的电磁噪声必须限制在一定的电平，使其所产生的电磁干扰，不致对周围电磁环境造成严重的污染和影响其他设备（系统）的正常工作。

构成电磁干扰的要素有三个，即干扰源（噪声）、噪声的耦合途径及噪声接收器。因此，提高电气设备的电磁兼容性就是削弱干扰源，隔离或减弱噪声耦合途径以及提高其对电磁干扰的抵抗能力。电磁干扰源，又称电磁噪声，按其来源可分为自然干扰源和人为干扰。对于船舶设备而言，自然干扰源主要是指雷电干扰，而人为电磁干扰源来自于各种船舶电气设备，涉及范围相当广泛。如电动机和发电机在产生严重电磁干扰的同时还产生一定的宽带噪声；各种断路器、开关和继电器的触头在其突然断开和闭合过程中，会出现电压脉冲瞬变，在触头之间产生电弧，从而导致宽带电磁干扰（噪声频谱大约从10kHz到400MHz）。舱室内的照明设备几乎都采用荧光灯照明装置，在其点亮的瞬间将产生电磁干扰，并通过电源电路系统传递给其它设备，这种形式的干扰频谱为10kHz到3MHz。除了以上列举的关键电磁干扰因素之外，船舶上还存在着许多其它人为电磁干扰源，如加热器、供电电源、直流整流器、螺线管线圈、变阻器、变压器、蜂鸣器、功率放大器系统、无线电装置、计算机和微波炉等等，这些电气设备从外表上看来似乎是无害的，实际上它们都是导致船舶电磁噪声的潜在因素。

二、电磁干扰的危害

电磁干扰是指任何能中断、阻碍、降低或限制电气设备有效性能的电磁能量，它可使电信号模糊、畸变和差错，导致信息错误、丢失和虚假，从而导致电气设备和系统的有效性发生不允许的降低。电磁干扰的危害相当深广，主要有如下几点：

1、降低系统性能指标

在电磁干扰的作用下船舶上所安装的一系列系统都会受到严重干扰，船舶语音系统中的话音会发生畸变失真；雷达显示器、电视、传真、图示和字母数字读出器等图像显示系统，会出现模糊差错，严重时使人无法观看和不能做出准确判断；在计算机控制系统的数据信息的采样、传输、处理过程中，会出现误码率或误信率的增大，导致系统工作可靠性降低，甚至无法正常工作。

2、导致设备误动作、误爆和误燃

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。电磁干扰的场强若被雷达、遥测等定向天线接收后，定向天线可能会出现错误动作、误跟踪、误指向或乱摆动；在船舶存放有易燃物品的区域，强电磁场在金属体上感应电压可能引起金属之间产生电弧火花，从而使其周围的易燃物品误燃、误爆，引发船舶火灾。

3、产生电磁辐射、电磁暴露与电磁泄密

船舶人员受到大功率发射天线近距离辐射时，强电磁场辐射会伤害眼睛等器官组织，虽然目前对此已有良好的防范措施，一般不会发生，但辐射的隐患依然存在；特别是对于执行隐蔽任务的军用舰艇，电磁干扰辐射会使其易被远处敌舰侦测到，从而暴露船舶的行动目标；另外，有些设备，如计算机、数字设备等的电磁辐射中常含有机密信息，从而造成电磁泄密。

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。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。

三、电磁干扰抑制措施

船舶电气设备的电磁兼容设计必须达到两个目的，一是通过优化电路和结构方案的设计，将干扰源本身产生的电磁噪声强度降低到能接受的水平；二是通过各种干扰抑制技术将干扰源与被干扰电路之间的耦合减弱到能接受的程度。屏蔽技术、滤波技术和接地技术是达到以上目的，实现电磁干扰抑制的最基本、最重要的措施。

1、屏蔽技术

屏蔽的目的就是对两空间区域之间进行金属隔离，以控制电磁场由一个区域向另一个区域的感应和辐射，隔离或减弱干扰源的噪声耦合途径。由于屏蔽体对来自外部的干扰源和内部的电磁波起着吸收能量、反射能量和抵消能量的作用，所以屏蔽体具有减弱电磁干扰的功能，对电磁场起到屏蔽作用，但是屏蔽体必须具有良好的接地，否则它起不到任何屏蔽作用，如使用屏蔽电缆时，在舱壁及甲板的贯穿处其屏蔽层必须接地。电磁屏蔽有两种方法，一种是屏蔽干扰源；另一种是屏蔽被干扰设备。采用电磁屏蔽方法，切断了干扰传输途径，尤其对于空间干扰，可以起到较好的效果。对于船舶设备，由于信号输入环节到接受电路往往距离较长，如船舶主机遥控系统，输入环节在驾驶室，而接收电路在机舱，它们之间的传输线很长，因而接受的电磁场耦合干扰也较大，对此可采用屏蔽电缆，防止信号传输过程中，干扰信号通过馈线耦合到控制设备。屏蔽体的设置应尽量严密，减小孔、缝的数量与大小，如开关电源，由于其外壳设置了散热孔，进、出导线孔等因素，屏蔽不够，有高频辐射干扰发出，对此，可采用双重屏蔽的方式使其高频泄漏降至最低，即再制作一个金属罩壳，将开关电源连同其外壳一起罩起来，制作时应注意散热孔及进、出线孔要与原来的开关电源上的孔位交错。另外，由于在机箱面板的制造安装中不可避免地存在缝隙，可在门框中使用导电橡胶，但导电橡胶安装后容易脱落且成本较高，因而也可使用金属丝网衬垫（内包橡胶芯），其成本相对低廉且效果较好。

2、滤波技术

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50Hz，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和差模两种。共模干扰存在于所有交流相线和共模地之间，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：一是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）；二是利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源；三是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。

3、电气接地技术

一个良好的接地系统在保证人身和设备安全的同时，能够有效地削弱或消除电磁干扰的产生，它可实现如下功能：使系统中各路电流通过其公共阻抗产生的直接传导噪声电压最小；在有高频电流的场合，保证“信号地”对“大地”有较低的共模电压，使通过“信号地”产生的辐射噪声最低；保证地线与信号线构成的电流回路具有最小的面积，避免由地线构成“地回路”，使外界干扰磁场穿过该回路产生的差模干扰电压最小，同时也避免由电位差通过地回路引起过大的地电流，造成传导干扰。按照接地的主要功能来分，接地系统主要由安全地、信号地、机壳地和屏蔽地四个子接地系统组成。在绝大数设备或系统中，这四个子接地系统的地线均是汇总在一点与大地相连，但它们并不是随意接大地的。接地是指用低电阻或低阻抗的导体把经选择的两金属面同地(必须是与地)连接起来，保持同电位为目的的整个操作方法，它主要用于沟通射频干扰电流的对地通路去耦等来隔断干扰的传输。所谓“地”是指金属船体或与之可靠电气连接的上层建筑、接地导体等组成的地系统。对设备、分系统和系统作防电磁干扰接地时应弄清是否有特殊的工作接地要求，注意避免出现混乱的多点接地。对有浮地要求的设备、分系统和系统应按设备所提出的特殊要求进行。在设备、分系统和系统进行工作接地、防干扰接地的同时也应兼顾设备的安全接地要求。独立信号地线并联一点接地方式，是指各设备电路单元分别用各自的地线，最后并联于一个公共接地点。这种接地方式对于防止各设备、电路单元之间的直接传导耦合是十分有效的，它适用于各单元地线较短，而且工作频率比较低的场合。多点信号接地系统可以得到最低的地阻抗，它主要用于高频数据信号采集、处理电路。在这种接地系统中，必须使用高频电路和高速数字脉冲电路中广泛采用的“地栅”或“地平面”的信号接地结构，这也是未来船舶电气设备信息化建设中必须考虑的关键环节之一。机壳（架）接地就是一个系统中所包含的所有设备的机壳、机箱、机架及至可移动、可接插的部件、抽屉等机械部分，一般应当采用就近与船体搭接接“地”。对整个系统来讲，它起到一个大的“静电屏蔽罩”的作用，同时它也起到保护人身与设备安全的作用。屏蔽地就是指电磁场的良导体屏蔽层必须接地，以增强屏蔽层的屏蔽效能，在设计这些屏蔽层接地方式时必须要注意，既要保证原屏蔽设计的要求，不降低屏蔽效能，又要保证原接地系统设计的要求，从而杜绝由此构成不合理的地回路。

四、船厂对电磁干扰的解决方式

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，问题可能出现在船厂施工阶段，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。

4.1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满足EMC要求，但是电缆在接入设备时必须将屏蔽层剥掉。这部分导体的屏蔽就被破坏掉了，这时如果电缆导体接触设备箱体就有可能造成箱体带电，对人生安全造成威胁，且会产生电磁干扰，所以接入设备的电缆屏蔽层必须接地。

4.2接地的分类

一般钢质船舶电气设备和电缆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50V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累积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英气设备内部的火花放电二造成干扰。将电气设备的金属外壳与船体接地，保护人体安全。

2）工作接地和屏蔽接地。对于单层屏蔽电缆，应单端接地，通常倾向与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。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。

4.3电缆的选择

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，对电缆的抗电磁干扰能力的考虑也应一并解决。在电缆的结构中，屏蔽层通常是有裸铜导体等异电材料编制而成，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，一边选用具有屏蔽层的电缆。另外在电缆的敷设过程中要注意以下几个方面：（1）高压电缆与低压电缆分开敷设在不同的电缆托架上。（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50mm。（3）不带屏蔽的信号电缆要和电力、照明电缆分开50mm以上敷设。

4.4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。

结束语

随着电子科学技术的不断发展，船舶电气设备的应用也在不断的更新和推进。

电磁兼容性设计是否科学不仅影响到电气设备本身的运行，而且会对船舶的效能发挥起到十分重要的影响。研究如何抑制船舶的电磁干扰对船舶电气设备的使用和船舶的安全航行等都具有十分积极的意义，文章对屏蔽技术、滤波技术和接地技术进行了简单的分析，在实际设计和应用过程中，要根据船舶电气设备的安装和使用实际选择合适的技术，优化船舶电气设备的电磁兼容，为船舶的安全航行提供可靠的保障。

参考文献：

[1]叶萍,许明华.提高船舶电气设备电磁兼容性的探讨[J].南通航运职业技术学院学报,2012,11(03):30-34.

[2]刘胜,张玉廷,李冰.船舶电力推进系统传导电磁干扰预测分析[J].自动化技术与应用,2012,31(02):37-42.

[3]易明枢,齐爱兰.船舶自动化设备怎样预防电磁干扰[J].船电技术,2006,(S1):63-65.

[4]谢跃敏,徐玉汉.提高船舶设备电磁兼容性能方法探讨[J].机电设备,2005,(03):42-45.

[5]吴志良,潘渝伯.船舶电气设备电磁兼容设计及应用[J].世界海运,2001,(05):40-41.