船舶電纜系統的電磁兼容*

葉 瑩 袁雍晗 徐義亨

(浙江中控研究院有限公司 杭州 310053)

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船舶電纜系統的電磁兼容*

葉 瑩 袁雍晗 徐義亨

(浙江中控研究院有限公司 杭州 310053)

論文綜述船舶電纜系統的電磁兼容。內容包括：相關國際標準對船舶電纜系統有關電磁兼容的一些條文規定；電磁干擾的耦合模型和電纜的屏蔽機理；在船舶電纜工程中實施的幾個值得注意的問題，包括電纜的選型及其屏蔽層的接地方式，在電纜集中的地方應按“分類匯總”的原則進行捆綁敷設，捆綁后彼此平行敷設的最小間隔應不小于610mm。

船舶; 電纜系統; 電磁兼容; 電磁干擾

Class Number U665.13

1 引言

用電磁兼容(EMC)的概念將船舶上的電纜可分為產生電磁干擾的導體(簡稱“干擾體”)和受電磁干擾感應的導體(簡稱“感受體”)。

衡量電磁干擾的嚴酷度可以用干擾量(如電磁場、電壓、電流)的頻率、峰值以及干擾體與感受體之間相對于波長的距離。

為抑制電磁干擾對電氣、電子設備的影響，不可能完全依賴于提高電氣、電子設備的抗擾度(Immunity)，盡管它們必須具備一定要求的抗擾度。

影響船舶電氣、電子設備正常工作的電磁干擾除靜電放電(ESD)外，絕大多數系通過設備外部電纜間的電磁耦合并從設備的端口(包括電源、輸入/輸出、通信、接地等端口)進入設備的。其耦合途徑主要是電容性耦合、電感性耦合和輻射耦合。就電纜本身而言，為抑制這三種耦合其對應的基本方法系電纜的靜電屏蔽、電磁屏蔽和輻射屏蔽。

有關船舶電氣裝置的國際標準[1～4]以及在眾多的船舶電氣裝置的參考文獻中,凡涉及船舶的電纜系統，對其電磁兼容有相應的規定,但十分籠統。沒有將電纜的屏蔽方式按電磁耦合的途徑進行分類；沒有將電纜的靜電屏蔽、電磁屏蔽和輻射屏蔽的接地方式加以闡明；也沒有對電纜的敷設提出原則性的規定。隨著船舶控制和通信技術的不斷發展，為抑制電磁干擾，本文就船舶電纜系統有關電磁兼容的諸多問題進行論述。

2 文獻概述

相關的國際標準[1～4]對船舶電纜系統電磁兼容的一些條文規定簡述如下。

2.1 《IEEE 45TM-2002》[1]

美國電氣與電子工程師學會標準《IEEE 45TM-2002 Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard》中的第23、24、25章涉及船舶的電纜系統,其中有關電磁兼容的內容概括為

1) 在磁羅經鄰近不應安裝可能會產生雜散磁場的線路或設備以及不能完全補償的磁性結構材料。在羅經柜內，應只有一對雙絞線作羅經柜的照明燈用,其他線路與設備與磁羅經應保持一定距離。

2) 電纜的敷設應避免靠近單芯交流電纜，同一電路不同相線的電纜間，不允許設有磁性材料。單芯交流電纜與平行的磁性材料間的距離應大于76mm。

3) 交流三相三線系統一般采用一根三芯電纜(三根導體呈等邊三角形排列)，避免采用三根單芯電纜。應設法減少成組單芯電纜間的電磁效應。但可以通過將三根單相電纜錯位排列以達到一根三芯電纜的效應，每隔不超過15m錯位排列一次，電纜長度小于30m則無需錯位排列。

4) 連接發電機、總配電柜、主變壓器、靜態功率轉換器和電動機等推進系統的電力電纜應與船舶服務、控制和信號電纜分開敷設，至少要相隔610mm的距離。

5) 如需要抑制諧波干擾，推進電纜應采用鎧裝或屏蔽電纜。

2.2 《IEEE 45.2TM-2011》[2]

《IEEE 45.2-2011 Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard-Controls and Automation》涉及船舶的控制與自動化，為抑制電磁干擾，該標準建議采用下列措施：

1) 發送和接受天線之間的距離應盡可能地遠。

2) 每對導線應采用雙層屏蔽。

3) 電力電纜、射頻電纜、控制電纜應盡量分開(這些電纜在交叉時應成直角)。

4) 對電磁干擾敏感的電路應使用屏蔽電纜。

5) 應減小接地連線的長度。

6) 所有金屬拉線、屏蔽層以及金屬索具應進行電氣搭接或隔離。

7) 應采取合適的保護措施以防止電源在設備內發生瞬變。

8) 應將鎧裝同軸電纜的鎧裝層接地。

2.3 《TP 127E：2008》[4]的一些規定

加拿大運輸標準《TP 127 E：2008 Transport Canada— Ships Electrical Standars》中的第12、13、30、56章涉及船舶電纜系統的電磁兼容內容有：

1) 用于船舶設備的照明、動力、推進和通信電路的電纜和電線應使用銅絞線。

2) 電梯的主動力電纜應敷設在井道外；只有直接與電梯相連接的軟管和電纜，包括信號線、與轎倉的通信線、照明線、轎倉的通風線以及豎井火災探測系統的電纜線可以敷設在井道內。

3) 距接收天線系統、無線電室或無線電導航設備等9m范圍內的所有電纜、除非有金屬甲板或金屬艙壁隔離，為防止受電磁干擾的影響，應穿金屬管，采用金屬編織鎧裝電纜或采取其他的屏蔽方法。

4) 無線電室內除了供電電纜外，其他所有電纜不應敷設在室內，但在電纜必須穿過屏蔽的無線電室時，應在電纜進出無線電室的整個長度范圍內采用連續的金屬導管或金屬走線槽進行屏蔽。

5) 載有高幅值脈沖的電纜以及帶有尖峰脈沖的動力電纜，應與其他電纜隔離。

6) 除了在電源終端已接地的分支電路外，電纜的所有的金屬保護層應保證其在整個長度范圍里的電氣連續性，且在電纜的兩端應與作為“地”的金屬船體進行有效地連接；金屬編織物或護套應在電纜進入設備外殼的密封蓋或接頭處截止，并應與外殼有良好的電氣連接。

7) 單芯金屬護套、鎧裝或非鎧裝電纜在沿長度方向平行敷設時，應盡量減少彼此間的電感性耦合以及電流大小的差異。連接到接線端或接線盒的多根電纜應清楚地標志各電纜的電壓，按電壓大小分類匯總，并進行有效的隔離。不同電壓的回路不得包含在同一根多芯電纜里。

3 電磁干擾的耦合模型和電纜的屏蔽機理[5～10]

為能解釋、完善并彌補上述相關標準的規定，有必要討論電磁干擾的耦合模型和電纜的屏蔽機理。

3.1 電容性耦合和靜電屏蔽

電容性耦合源自于電纜間電場的相互作用，故也被稱為電場耦合或靜電耦合。

兩導體間電容性耦合的一個簡化模型如圖1所示。假定用一個集中參數CS代表干擾體和感受體間的等效分布電容，CL為感受體對金屬船體(以下簡稱“地”)的電容，RL為感受體對地的等效電阻，Z為CL和RL的并聯阻抗。設US為干擾電壓，Un為干擾電壓US通過分布電容CS在并聯阻抗Z上產生的感應干擾電壓。如忽略干擾體的對地阻抗對電容性耦合的影響，暫不考慮感受體回路內的信號源的大小(它一般是電流源，內阻無窮大)，圖1的模型可用圖2的等效電路圖近似，從而可求出感應的干擾電壓Un為

(1)

圖2 電容性耦合的等效電路

當干擾電壓的頻率較低時，阻抗RL遠小于CL的容抗，并聯阻抗可近似為Z=RL，則式(1)可簡化為

Un=2πfRLCSUS

(2)

當干擾電壓的頻率較高時，CL的容抗遠小于RL時，則式(1)可簡化為

(3)

一般而言，作為一個電容器的兩個極板，感受體的對地電容CL的一個極板是金屬船體，故它的電容值要要遠大于干擾體和感受體間的等效分布電容CS，故式(3)可簡化為

(4)

由式(4)可知，高頻時，感應的干擾電壓和干擾電壓的頻率無關。

由式(2)可知，在低頻時，電容性耦合的大小正比于干擾電壓、干擾頻率、兩導體間的分布電容以及感受體對地的等效電阻。上述的諸因素中，只有兩導體間的分布電容是可控的。所以抑制電容性耦合的基本方法是減小干擾體與感受體間的分布電容值。

兩根直徑分別為d1和d2，間距為D的平行導線間，當D遠大于d1和d2時，其分布電容CS(F/m)為

(5)

式中：ε為自由空間的介電常數，ε=8.85×10-12F/m。

由式(5)可知，減少兩導體間的分布電容的最簡單的方法是加大兩導體間的距離D和減小線徑d1和d2?？梢?，電纜線徑的選擇在滿足通流能力和阻抗要求的前提下，應盡量減小。在船舶上，受空間的限制，不可能用加大電纜間的距離來減少導體間的分布電容，此時就必須進行所謂的“靜電屏蔽”。

當感受體的外層包了金屬屏蔽層后(圖3)，設屏蔽層的對地電容為CL，如屏蔽層不接地，作用在屏蔽層上的感應干擾電壓Un為

圖3 感受體屏蔽時的電容性耦合

因屏蔽層不接地，感受體和屏蔽層之間的分布電容Ces上沒有電流，此時，由于靜電感應，則感受體上感應的干擾電壓就是屏蔽體上所感應的干擾電壓，即屏蔽層不接地不能抑制電容性耦合。如果屏蔽體接地，因為屏蔽層上的電位為零(即等于地電位)，所以感受體上的干擾電壓也為零。

為了獲得良好的靜電屏蔽，必須為屏蔽層提供一個良好的接地，同時應最大限度地減小感受體的芯線延伸到屏蔽層之外的長度。電纜的屏蔽層一般在機柜側接地。

上述討論的屏蔽系針對感受體進行的屏蔽，故被稱為“被動屏蔽”。如果將干擾體進行屏蔽和接地,封閉由干擾體產生的電力線，這種對干擾體進行的屏蔽，被稱為“主動屏蔽”。顯然，主動屏蔽比被動屏蔽更重要。船舶的電纜屏蔽以往只注意感受體(如控制電纜)的被動屏蔽，卻忽視了諸如電力電纜、射頻電纜的主動屏蔽，這是一個誤區。

常見的電纜屏蔽材料其靜電屏蔽效果見表1。由表1可知，鋁-聚酯復合膜的靜電屏蔽效果最好。也可以利用金屬鎧裝層及金屬穿管在作機械保護的同時兼作屏蔽層，此時,必須將它們接地并在整個長度范圍內保持它們的電氣連續性。

表1 不同屏蔽材料的靜電屏蔽效果

3.2 電感性耦合和電磁屏蔽

通過磁力線形成的耦合，稱為電感性耦合或磁場耦合。其耦合程度的大小可以用干擾回路與感應回路間的互感M來表示。減小電感性耦合的有效方法是設法減小兩回路間的互感M，包括：

1) 拉開兩回路間的耦合距離，包括兩回路間的相對位置；

2) 減小干擾回路和感應回路的環路面積。

此外，應采用電磁屏蔽，包括同軸電纜、雙絞電纜的使用以及電纜屏蔽層的兩端或多端接地。有關同軸電纜、雙絞電纜的電磁屏蔽機理可詳見文獻[5]。本文就電纜屏蔽層的兩端或多端接地以抑制電感性耦合的模型和機理進行描述。

如圖4所示，在干擾體1和感受體A之間設置兩端接地的金屬屏蔽層P，并假定屏蔽層兩接地端的地電位差為零。

當干擾電流I1流過干擾體1時，會在屏蔽層P和感受體A上同時產生感應電壓。由于屏蔽層P的兩端是接地的，所以在屏蔽層上就會產生感應電流IP、IP和I1的相位差接近180°，降低了干擾體對感受體的影響，即產生了屏蔽作用。

圖4 屏蔽層兩端接地的電磁屏蔽原理

此類屏蔽效果的大小，其中一個決定因素是屏蔽層的電阻，屏蔽層電阻愈小，IP愈大，屏蔽效果就愈好。有數據表明：設屏蔽層單位長度的電阻為Rs(Ω/km)，Rs≤1 (Ω/km)的屏蔽效果是1≤Rs≤5(Ω/km)的2倍。為此，將屏蔽層多端接地，就相當于增加并聯點，從而減小了屏蔽層的電阻，增強了電磁屏蔽效果。

上述的屏蔽原理，可以用電路的自阻抗和互阻抗的概念去分析。

設屏蔽層的屏蔽效果用屏蔽系數K0表示：

式中：EA為有屏蔽層時，感受體A上產生的感應電勢；EA0為無屏蔽層時，感受體A上產生的感應電勢。

設：Z1A為干擾體1和感受體A之間的互阻抗；ZAP為感受體A和屏蔽層P之間的互阻抗；Z1P為干擾體1和屏蔽層P之間的互阻抗；ZP為屏蔽層P的阻抗。

則可得

ZPIP-Z1PI1=0

Z1AI1-ZAPIP=EA

整理后可得有屏蔽層時，感受體A上的感應電勢為

而無屏蔽層時，感受體A上的感應電勢為

EA0=Z1AI1

所以屏蔽系數為

(6)

由式(6)可知：

1) 為提高電磁屏蔽效果(即減小屏蔽系數K0值)，要求屏蔽層靠近干擾體1和感受體A，使互阻抗Z1P和ZAP增大。

2) 盡量減小金屬屏蔽層的阻抗ZP。

3) 盡量減小干擾體1和感受體A之間的互阻抗Z1A，即拉開干擾體1和感受體A之間的距離。

3.3 輻射耦合與輻射屏蔽

當電磁場源的電流或電荷隨時間變化時，就有一部分能量進入周圍空間，這種現象稱為電磁能量輻射。輻射耦合是指電磁能量以電磁波的形式在空間傳播，然后通過感受體耦合到電路，形成干擾的一個能量傳遞過程。把通過電磁輻射造成的干擾耦合稱為輻射耦合。輻射耦合以電磁波的形式將能量從一個設備或電路傳輸到另一個設備或電路，這種傳輸路徑小至系統內可想像的極小距離，大至相隔較遠的系統間乃至星際間的距離，這取決于電磁波的波長。

一般用金屬屏蔽層抑制輻射耦合。當電磁波入射到金屬屏蔽層時，一部分能量由其表面被反射，被稱為反射損耗；另一部分進入金屬體內，由于感應渦流而產生能量消耗，被稱為吸收損耗；最后還剩下一部分能量透過屏蔽層。在低頻段，以反射損耗為主，在高頻段，以吸收損耗為主。反射損耗和屏蔽層的厚度無關，而吸收損耗正比于屏蔽層的厚度。

4 結語

4.1 結論

為分別抑制電容性耦合、電感性耦合以及輻射耦合，電纜屏蔽層的接地方式是不同的：

1) 靜電屏蔽，屏蔽層單端接地；

2) 電磁屏蔽，屏蔽層兩端或多端接地；

3) 輻射屏蔽，屏蔽層無須接地。

輻射屏蔽與靜電屏蔽以及電磁屏蔽相比，屏蔽層的接地與否不影響反射損耗與吸收損耗，故作為輻射屏蔽的金屬屏蔽層是無須接地的。但在實際應用中，一般將輻射屏蔽層按靜電屏蔽或電磁屏蔽的要求接地，使得一個屏蔽層同時起到兩種屏蔽效果，即一根電纜的屏蔽層單端接地，該屏蔽層可以同時起到靜電屏蔽和輻射屏蔽的效果，同樣，將一根電纜的屏蔽層兩端或多端接地，該屏蔽層同時起到了電磁屏蔽和輻射屏蔽的效果。

在工程實施中，可以作為金屬屏蔽層的，除了電纜本身的屏蔽層外，還可以采用下列材料：

1) 電纜的金屬保護套管；

2) 電纜的金屬走線槽(但必須在整個長度范圍內保證它的電氣連續性，故在走線槽間必須用銅編織線跨接)；

3) 鎧裝電纜的鋼帶等。

如電纜僅有一個屏蔽層時,是單端接地還是兩端或多端接地應視周圍的電磁環境而定，如以電容性耦合為主,采用單端接地，如以電感性耦合為主，采用兩端或多端接地。一般，高電壓回路產生的干擾以電容性耦合為主；大電流回路產生的干擾以電感性耦合為主。串模干擾為電感性耦合；共模干擾為電容性耦合。

4.2 應用

4.2.1 艙內電纜的選型和敷設

一般情況下，所有電纜宜選帶屏蔽層的金屬鎧裝電纜，兼顧主動屏蔽和被動屏蔽。內屏蔽層一端接地，抑制電容性耦合；鎧裝層作外屏蔽層，兩端或多端接地，抑制電感性耦合；內屏蔽層和金屬鎧裝層均可抑制輻射耦合。重要的控制和通信電纜宜選帶屏蔽層和金屬鎧裝層的雙絞電纜，即增強對電感性耦合的抑制，雙絞電纜的絞距宜小于50mm。

控制電纜也可以采用屏蔽雙絞線作直流信號電纜。屏蔽層一端接地(一般在控制柜端)以抑制電容性耦合和輻射耦合；用雙絞線抑制電感性耦合。

必須引起注意的是：由于金屬艙壁和甲板的作用，會產生射頻電磁波的反射現象，同樣大小的電磁輻射場，其場強在金屬船艙里要比自由空間里大得多。

在電纜集中的地方應按電纜的種類以“分類匯總”的原則進行捆綁敷設，捆綁后彼此平行敷設的最小間距可參考文獻[1]提供的數據，不小于610mm。

4.2.2 艙外電纜的選型和敷設

艙外電纜的選型必須考慮雷擊的影響。雷擊時，空間的脈沖磁場強度大于1000A/m以上，雙絞線不足以抑制強磁場的耦合。實踐證明，電纜應設置兩個屏蔽層，內屏蔽層一端接地，外屏蔽層應采用金屬保護管兩端或多端接地，兩屏蔽層間應絕緣，這樣，可以同時起到抑制在雷擊時發生的三種電磁干擾的耦合作用。

[1] IEEE 45TM-2002. Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard[S].

[2] IEEE 45.2TM-2011. Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard-Controls and Automation[S].

[3] IEC 60092-504:2001. Electrical installations in ships-Part 504:Special features-control and instrumentation[S].

[4] TP 127E: 2008. Transport Canada—Ships Electrical Standards[S].

[5] 徐義亨. 工業控制工程中的抗干擾技術[M].上海:上?？茖W技術出版社,2010:21-42.

[6] 徐義亨.工程中電磁干擾的分類和其抑制途徑[J].石油化工自動化，2007(6):1-4.

[7] GB/T 17626.1-2006，電磁兼容.試驗和測量技術.抗擾度試驗總論(IEC 61000-4-1:2000,IDT)[S].

[8] GB/T 17626.3-2006，電磁兼容.試驗和測量技術.射頻電磁場輻射抗擾度試驗(IEC 61000-4-3:2002,IDT)[S].

[9] GB/T 17626.4-2008，電磁兼容.試驗和測量技術.電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(IEC 61000-4-4:2004,IDT)[S].

[10] GB/T 17626.5-2008，電磁兼容.試驗和測量技術.浪涌(沖擊)抗擾度試驗(IEC 61000-4-5:2005,IDT)[S].

EMC of Cable Systems on Shipboard

YE Ying YUAN Yonghan XU Yiheng

(Zhejiang Supcon Research Co., Ltd., Hangzhou 310053)

The electromagnetic compatibility of cable system on ships is summarized in this paper. The content includes some of the provisions of electromagnetic compatible for cable system on ships in relevant international standards, coupling model of electromagnetic interference and shielding mechanism of cables, several noteworthy problems in cable engineering implementation including selection of cables andgrounding mode of shielding layer, concentrated in cable should be bundled laying according to the principle of “subtotals”, the bundled parallel to each other laying the minimum distance should not less than 610 mm.

ship, cable system, electromagnetic compatibility, electromagnetic interference

2016年5月17日,

2016年6月26日

葉瑩，男，高級工程師，研究方向：現場工業控制及系統應用。

U665.13

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.038