船舶电气设备电磁兼容性探析

船舶电气设备电磁兼容性探析余运江，何宇林，臧 曙（镇江船艇学院工程系，镇江 212003）摘 要：在船舶电气设备的智能化、模块化和集成化发展过程中，提高其电磁兼容性已成为不可忽视的重要问题。从电磁兼容性的含义及电磁干扰的构成要素、危害等方面入手，结合船舶电气设备电磁兼容的设计目的,对实现电磁干扰抑制的措施进行了重点探析。关键词：电气设备；电磁兼容性；电磁干扰Discussion on the Electromagnetic Compatibility of Marine Electrical

Equipment

YU Yunjiang, HE Yulin, ZANG Shu

( Zhenjiang Watercraft College, Zhenjiang 212003 )Abstract: How to improve the Electromagnetic Compatibility (EMC) performance for the smart and integrated marine electrical equipments is becoming a very important issue. In this paper, based on the EMC concept, the fundamental elements and the danger of Electromagnetic Interference (EMI), some EMI are discussed and analyzed for the optimization of marine electrical equipment. Key words: Electrical equipments; EMC; EMI随着科学技术的迅猛发展，新的科研成果和电子装备在船舶上的使用日益增多，尤其是电子计算机的广泛应用，使得船舶电气设备越来越向着智能化、模块化和集成化的方向发展。然而就船舶电气设备自身而言，由于其所处空间相对狭小，相互之间的电磁干扰（Electromagnetic Interference－EMI）在所难免。因此，加强船舶电气设备电磁干扰的抑制，提高其电磁兼容性已成为不可忽视的重要问题。1 电磁兼容性的含义及电磁干扰构成的要素电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility－EMC）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（Electromagnetic Noise－EMN）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（被干扰设备），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（噪声频普大约从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，这种形式的干扰频普为10kHz到3MHz。除了以作者简介：余运江（1972-），男，硕士，讲师。收稿日期：2010年5月6日24

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。干扰源把噪声能量耦合到被干扰对象有传导和辐射两种方式。传导耦合是指电磁噪声的能量以电压或电流的形式，通过金属导线或其它元件（如电容器、电压器、变压器等）耦合到被干扰设备（电路）。根据电磁噪声耦合特点，传导耦合又可分为直接传导耦合、公共阻抗耦合和转移阻抗耦合。辐射耦合是指电磁噪声能量，以电磁场能量的形式，通过空间辐射传播，耦合到被干扰设备（电路）。综上所述，电磁噪声耦合途径可归纳图1所示。 图1 电磁噪声传播途径示意图2 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（设备）性能指标在电磁干扰作用下，船舶语音系统中的话音和正弦波信号系统会发生畸变失真；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（设备），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)导致装置（设备）误动作、误爆和误燃Design & Development

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。3 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、接地技术和滤波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。3.1 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，如图2(a)所示；另一种是屏蔽被干扰设备如图2(b)所示。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，25

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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。 3.2 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（架）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。26

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（通常大于10MHz）数据信号采集、处理电路。在这种接地系统中，必须使用在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。对于具有双屏蔽层的多芯电缆,配合带有滤波功能的连接器能达到很好的效果，在电磁兼容性要求较高的场合，可考虑选用特殊的双层屏蔽同轴电缆，外层屏蔽体连接机壳地，内层屏蔽体连接信号地，可提高屏蔽效能约10dB。3.3 滤波技术众所周知，对于辐射干扰，除了进行加强屏蔽以外，别无它法，而对于传导干扰，滤波是十分有效的方法。按照滤波器在电路中所处的位置和作用划分，可分为信号滤波、电源滤波、EMI滤波、电源去耦滤波和谐波滤波等。在EMC（Electromagnetic Compatibility）兼容设计中所涉及的滤波器与通信及信号处理中的信号滤波器相比，虽然基本原理相同，但具有以下不同特点：一是滤波器中用的L、C元件，通常需要处理和承受相当大的无功电流和无功电压，也就是说它们必须要有足够大的无功功率；二是信号处理中用的滤波器，通常总是按阻抗完全匹配设计的，可以保证得到预想的滤波特性，但在EMC设计中，就很难做到这一点；三是在EMC设计中，滤波器主要是用来抑制瞬态噪声或高频噪声引起的EMI，所以对滤波器所用的L、C元件寄生参数的控制，要求比较苛刻；四是EMI滤波器虽然是抗电磁干扰的重要元件，但使用时必须仔细了解其特性，并正确使用，否则，不但收不到应有的效果，而且有时还会导致新噪声。标准的EMI滤波器通常是由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波电路，它可有效削弱通过传导耦合产生的噪声电平。在设计EMI滤波器时，关键是决定最经济的电路结构，特别是要考虑输入、输出阻抗不匹配给滤波特性带来的影响；在电源线中应用EMI滤波器的场合，还得考虑对滤波器串联阻抗及并联阻抗的限制能承受相当高的低频工作电压和额定电流。（下转第23页）Design & Development

进行比对，第一种是根据七十多个液体舱传感器的数据进行计算；第二种是根据船舶吃水传感器的数据进行计算；第三种是针对个别传感器数据误差较大而采取人工修正数据的办法来计算；第四种是针对水尺传感器误差较大而采取人工修正数据的办法来计算。经过实践操作，以上比对方法能很好地为操作人员提供参考数据。3 结论经过多年来的货载实践及跟国际专业软件的比较， 图5 装载界面 本软件的可靠性比较高，而且更贴近实际操作，为半潜船装载超大型货载的设计和操作提供必要的参考数据。 参考文献[1]赵晓非,林焰.关于解船舶浮态问题的矩阵方法[J].中国造船， 1985(3).[2]赵成壁,邹早建.船舶稳性计算程序ESTAB[J].武汉造船，2001 (1).[3]史国友,洪碧光,贾传荧.散货船装载计算软件的开发与应用[J]. 大连海事大学学报,2001,5[4]张文斌,姚雪球,蒋志勇.船舶稳性理论研究的方法及进展[J]. 华东船舶工业学院学报,2002(l).[5]马坤,张明霞,纪卓尚.基于非线性规划法的船舶浮态计算[J]. 大连理工大学学报，2003(3).[6]孙承猛,刘寅东.船舶浮态计算的一种优化方法[J].大连海事大 学学报,2006,5 [7]肖维维,李俊华,何刚,陶伟,冯佰威.船舶破舱稳性计算方法研 究[J],中国水运,2006,11 的快慢将直接影响到工作效率的高低。因此本配载仪对其整个计算模型进行了全面的数值计算优化，使其运算速度与常规船用配载仪相似。除此以外，为了便于船员及设计人员的操作，本配载仪具有友好的图形界面。图5表示的是船舶装载界面。2.3 实时跟踪计算模块尽管设计人员设计好排压载计划，但由于货物的实际参数往往与申报的参数有误差，而且半潜船在装卸货过程中会经常出现稳性较危险的情况。在实际操作中，往往需要根据实际情况进行调整排压载计划。为此本配载仪增加了实时跟踪计算模块。本模块的原理是从船舶的综合控制系统里自动读取液体舱传感器里的数据及船首部、中部和尾部传感器的吃水数据，然后根据各个传感器数据及时预报船舶重量的实际值，船长和大副调整船舶重量和做出相应的应对措施，从而准确地掌握船舶浮态和稳性状况。液体舱传感器的误差常常也是造成船舶重量不准确的误差源，本配载仪采取了四套计算模式（上接第26页）另外，从噪声抑制的概念出发，必须严格区分电源EMI滤波器与电源滤波器。电源EMI滤波器的输入端通常与噪声源相连接，而输出端则通常与电网相连接，主要是防止由电力电子装置产生的传导型噪声进入电网。而电源滤波器的情况则恰恰相反，其输入端接电网，输出端接电子装置，其主要是防止电网输电线中的各种高频、超高频及瞬态噪声，通过传导耦合进入电子装置，对其造成干扰。对于有较强脉冲信号幅度的控制线（如开关信号线、传感器信号线等），可通过加装滤波元件，以防电磁脉冲被导入面板上而辐射出去，选用的滤波元件，应让有用信号正常通过（一般为直流或低频），而电磁干扰脉冲信号（一般为高频或高次谐波）被有效抑制。由于开关电源工作在高频开关状态下，具有功耗小、效率高、体积小、输出功率大、输出电流、电压稳定度高、纹波系数好的优点，在船舶设备中开始逐渐开始使用，日后也必将得到广泛使用。然而由于开关电源采用的是高频开关电路，工作时会产生大量的高次谐波，对外发出大量的传导干扰和辐射干扰，而开关电源自身的屏蔽和滤波往往达不到很好的电磁兼容性能要求，因此，它将成为船舶电气设备的主要电磁干扰源之一。对此，必须加强附加的滤波措施，如采用专门的有源和无源滤波装置。4 结束语随着计算机技术的迅猛发展和电力电子技术的日益成熟，其在船舶电气设备中的应用必将得到进一步的推广，因此加强对船舶电气设备电磁兼容性的研究，提高船舶电气设备抗电磁干扰能力，可为船舶安全航行提供可靠的技术保证。参考文献[1] 陈武燕.浅谈现代舰船电磁干扰及干扰抑制[J],船舶(1001-9855 (2003)04-0032-03).2003,40-41[2] 陆林生.舰船电磁兼容设计制造探讨[J],船舶(1001-9855(2003) 05-0048-03).2003,48-50[3] 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(1005-8354(2005)03-0042-04). 2005,42-45 [4] 陈巨龙,王军玲.舰艇设备的电磁屏蔽技术[J],船电技术2004, (3)27-29.23