船舶电缆系统的电磁兼容*

叶 莹 袁雍晗 徐义亨

(浙江中控研究院有限公司 杭州 310053)



船舶电缆系统的电磁兼容*

叶 莹 袁雍晗 徐义亨

(浙江中控研究院有限公司 杭州 310053)

论文综述船舶电缆系统的电磁兼容。内容包括：相关国际标准对船舶电缆系统有关电磁兼容的一些条文规定；电磁干扰的耦合模型和电缆的屏蔽机理；在船舶电缆工程中实施的几个值得注意的问题，包括电缆的选型及其屏蔽层的接地方式，在电缆集中的地方应按“分类汇总”的原则进行捆绑敷设，捆绑后彼此平行敷设的最小间隔应不小于610mm。

船舶; 电缆系统; 电磁兼容; 电磁干扰

Class Number U665.13

1 引言

用电磁兼容(EMC)的概念将船舶上的电缆可分为产生电磁干扰的导体(简称“干扰体”)和受电磁干扰感应的导体(简称“感受体”)。

衡量电磁干扰的严酷度可以用干扰量(如电磁场、电压、电流)的频率、峰值以及干扰体与感受体之间相对于波长的距离。

为抑制电磁干扰对电气、电子设备的影响，不可能完全依赖于提高电气、电子设备的抗扰度(Immunity)，尽管它们必须具备一定要求的抗扰度。

影响船舶电气、电子设备正常工作的电磁干扰除静电放电(ESD)外，绝大多数系通过设备外部电缆间的电磁耦合并从设备的端口(包括电源、输入/输出、通信、接地等端口)进入设备的。其耦合途径主要是电容性耦合、电感性耦合和辐射耦合。就电缆本身而言，为抑制这三种耦合其对应的基本方法系电缆的静电屏蔽、电磁屏蔽和辐射屏蔽。

有关船舶电气装置的国际标准[1～4]以及在众多的船舶电气装置的参考文献中,凡涉及船舶的电缆系统，对其电磁兼容有相应的规定,但十分笼统。没有将电缆的屏蔽方式按电磁耦合的途径进行分类；没有将电缆的静电屏蔽、电磁屏蔽和辐射屏蔽的接地方式加以阐明；也没有对电缆的敷设提出原则性的规定。随着船舶控制和通信技术的不断发展，为抑制电磁干扰，本文就船舶电缆系统有关电磁兼容的诸多问题进行论述。

2 文献概述

相关的国际标准[1～4]对船舶电缆系统电磁兼容的一些条文规定简述如下。

2.1 《IEEE 45TM-2002》[1]

美国电气与电子工程师学会标准《IEEE 45TM-2002 Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard》中的第23、24、25章涉及船舶的电缆系统,其中有关电磁兼容的内容概括为

1) 在磁罗经邻近不应安装可能会产生杂散磁场的线路或设备以及不能完全补偿的磁性结构材料。在罗经柜内，应只有一对双绞线作罗经柜的照明灯用,其他线路与设备与磁罗经应保持一定距离。

2) 电缆的敷设应避免靠近单芯交流电缆，同一电路不同相线的电缆间，不允许设有磁性材料。单芯交流电缆与平行的磁性材料间的距离应大于76mm。

3) 交流三相三线系统一般采用一根三芯电缆(三根导体呈等边三角形排列)，避免采用三根单芯电缆。应设法减少成组单芯电缆间的电磁效应。但可以通过将三根单相电缆错位排列以达到一根三芯电缆的效应，每隔不超过15m错位排列一次，电缆长度小于30m则无需错位排列。

4) 连接发电机、总配电柜、主变压器、静态功率转换器和电动机等推进系统的电力电缆应与船舶服务、控制和信号电缆分开敷设，至少要相隔610mm的距离。

5) 如需要抑制谐波干扰，推进电缆应采用铠装或屏蔽电缆。

2.2 《IEEE 45.2TM-2011》[2]

《IEEE 45.2-2011 Recommended Practice for Electrical Installations on Shipboard-Controls and Automation》涉及船舶的控制与自动化，为抑制电磁干扰，该标准建议采用下列措施：

1) 发送和接受天线之间的距离应尽可能地远。

2) 每对导线应采用双层屏蔽。

3) 电力电缆、射频电缆、控制电缆应尽量分开(这些电缆在交叉时应成直角)。

4) 对电磁干扰敏感的电路应使用屏蔽电缆。

5) 应减小接地连线的长度。

6) 所有金属拉线、屏蔽层以及金属索具应进行电气搭接或隔离。

7) 应采取合适的保护措施以防止电源在设备内发生瞬变。

8) 应将铠装同轴电缆的铠装层接地。

2.3 《TP 127E：2008》[4]的一些规定

加拿大运输标准《TP 127 E：2008 Transport Canada— Ships Electrical Standars》中的第12、13、30、56章涉及船舶电缆系统的电磁兼容内容有：

1) 用于船舶设备的照明、动力、推进和通信电路的电缆和电线应使用铜绞线。

2) 电梯的主动力电缆应敷设在井道外；只有直接与电梯相连接的软管和电缆，包括信号线、与轿仓的通信线、照明线、轿仓的通风线以及竖井火灾探测系统的电缆线可以敷设在井道内。

3) 距接收天线系统、无线电室或无线电导航设备等9m范围内的所有电缆、除非有金属甲板或金属舱壁隔离，为防止受电磁干扰的影响，应穿金属管，采用金属编织铠装电缆或采取其他的屏蔽方法。

4) 无线电室内除了供电电缆外，其他所有电缆不应敷设在室内，但在电缆必须穿过屏蔽的无线电室时，应在电缆进出无线电室的整个长度范围内采用连续的金属导管或金属走线槽进行屏蔽。

5) 载有高幅值脉冲的电缆以及带有尖峰脉冲的动力电缆，应与其他电缆隔离。

6) 除了在电源终端已接地的分支电路外，电缆的所有的金属保护层应保证其在整个长度范围里的电气连续性，且在电缆的两端应与作为“地”的金属船体进行有效地连接；金属编织物或护套应在电缆进入设备外壳的密封盖或接头处截止，并应与外壳有良好的电气连接。

7) 单芯金属护套、铠装或非铠装电缆在沿长度方向平行敷设时，应尽量减少彼此间的电感性耦合以及电流大小的差异。连接到接线端或接线盒的多根电缆应清楚地标志各电缆的电压，按电压大小分类汇总，并进行有效的隔离。不同电压的回路不得包含在同一根多芯电缆里。

3 电磁干扰的耦合模型和电缆的屏蔽机理[5～10]

为能解释、完善并弥补上述相关标准的规定，有必要讨论电磁干扰的耦合模型和电缆的屏蔽机理。

3.1 电容性耦合和静电屏蔽

电容性耦合源自于电缆间电场的相互作用，故也被称为电场耦合或静电耦合。

两导体间电容性耦合的一个简化模型如图1所示。假定用一个集中参数CS代表干扰体和感受体间的等效分布电容，CL为感受体对金属船体(以下简称“地”)的电容，RL为感受体对地的等效电阻，Z为CL和RL的并联阻抗。设US为干扰电压，Un为干扰电压US通过分布电容CS在并联阻抗Z上产生的感应干扰电压。如忽略干扰体的对地阻抗对电容性耦合的影响，暂不考虑感受体回路内的信号源的大小(它一般是电流源，内阻无穷大)，图1的模型可用图2的等效电路图近似，从而可求出感应的干扰电压Un为

(1)

图2 电容性耦合的等效电路

当干扰电压的频率较低时，阻抗RL远小于CL的容抗，并联阻抗可近似为Z=RL，则式(1)可简化为

Un=2πfRLCSUS

(2)

当干扰电压的频率较高时，CL的容抗远小于RL时，则式(1)可简化为

(3)

一般而言，作为一个电容器的两个极板，感受体的对地电容CL的一个极板是金属船体，故它的电容值要要远大于干扰体和感受体间的等效分布电容CS，故式(3)可简化为

(4)

由式(4)可知，高频时，感应的干扰电压和干扰电压的频率无关。

由式(2)可知，在低频时，电容性耦合的大小正比于干扰电压、干扰频率、两导体间的分布电容以及感受体对地的等效电阻。上述的诸因素中，只有两导体间的分布电容是可控的。所以抑制电容性耦合的基本方法是减小干扰体与感受体间的分布电容值。

两根直径分别为d1和d2，间距为D的平行导线间，当D远大于d1和d2时，其分布电容CS(F/m)为

(5)

式中：ε为自由空间的介电常数，ε=8.85×10-12F/m。

由式(5)可知，减少两导体间的分布电容的最简单的方法是加大两导体间的距离D和减小线径d1和d2。可见，电缆线径的选择在满足通流能力和阻抗要求的前提下，应尽量减小。在船舶上，受空间的限制，不可能用加大电缆间的距离来减少导体间的分布电容，此时就必须进行所谓的“静电屏蔽”。

当感受体的外层包了金属屏蔽层后(图3)，设屏蔽层的对地电容为CL，如屏蔽层不接地，作用在屏蔽层上的感应干扰电压Un为

图3 感受体屏蔽时的电容性耦合

因屏蔽层不接地，感受体和屏蔽层之间的分布电容Ces上没有电流，此时，由于静电感应，则感受体上感应的干扰电压就是屏蔽体上所感应的干扰电压，即屏蔽层不接地不能抑制电容性耦合。如果屏蔽体接地，因为屏蔽层上的电位为零(即等于地电位)，所以感受体上的干扰电压也为零。

为了获得良好的静电屏蔽，必须为屏蔽层提供一个良好的接地，同时应最大限度地减小感受体的芯线延伸到屏蔽层之外的长度。电缆的屏蔽层一般在机柜侧接地。

上述讨论的屏蔽系针对感受体进行的屏蔽，故被称为“被动屏蔽”。如果将干扰体进行屏蔽和接地,封闭由干扰体产生的电力线，这种对干扰体进行的屏蔽，被称为“主动屏蔽”。显然，主动屏蔽比被动屏蔽更重要。船舶的电缆屏蔽以往只注意感受体(如控制电缆)的被动屏蔽，却忽视了诸如电力电缆、射频电缆的主动屏蔽，这是一个误区。

常见的电缆屏蔽材料其静电屏蔽效果见表1。由表1可知，铝-聚酯复合膜的静电屏蔽效果最好。也可以利用金属铠装层及金属穿管在作机械保护的同时兼作屏蔽层，此时,必须将它们接地并在整个长度范围内保持它们的电气连续性。

表1 不同屏蔽材料的静电屏蔽效果

3.2 电感性耦合和电磁屏蔽

通过磁力线形成的耦合，称为电感性耦合或磁场耦合。其耦合程度的大小可以用干扰回路与感应回路间的互感M来表示。减小电感性耦合的有效方法是设法减小两回路间的互感M，包括：

1) 拉开两回路间的耦合距离，包括两回路间的相对位置；

2) 减小干扰回路和感应回路的环路面积。

此外，应采用电磁屏蔽，包括同轴电缆、双绞电缆的使用以及电缆屏蔽层的两端或多端接地。有关同轴电缆、双绞电缆的电磁屏蔽机理可详见文献[5]。本文就电缆屏蔽层的两端或多端接地以抑制电感性耦合的模型和机理进行描述。

如图4所示，在干扰体1和感受体A之间设置两端接地的金属屏蔽层P，并假定屏蔽层两接地端的地电位差为零。

当干扰电流I1流过干扰体1时，会在屏蔽层P和感受体A上同时产生感应电压。由于屏蔽层P的两端是接地的，所以在屏蔽层上就会产生感应电流IP、IP和I1的相位差接近180°，降低了干扰体对感受体的影响，即产生了屏蔽作用。

图4 屏蔽层两端接地的电磁屏蔽原理

此类屏蔽效果的大小，其中一个决定因素是屏蔽层的电阻，屏蔽层电阻愈小，IP愈大，屏蔽效果就愈好。有数据表明：设屏蔽层单位长度的电阻为Rs(Ω/km)，Rs≤1 (Ω/km)的屏蔽效果是1≤Rs≤5(Ω/km)的2倍。为此，将屏蔽层多端接地，就相当于增加并联点，从而减小了屏蔽层的电阻，增强了电磁屏蔽效果。

上述的屏蔽原理，可以用电路的自阻抗和互阻抗的概念去分析。

设屏蔽层的屏蔽效果用屏蔽系数K0表示：

式中：EA为有屏蔽层时，感受体A上产生的感应电势；EA0为无屏蔽层时，感受体A上产生的感应电势。

设：Z1A为干扰体1和感受体A之间的互阻抗；ZAP为感受体A和屏蔽层P之间的互阻抗；Z1P为干扰体1和屏蔽层P之间的互阻抗；ZP为屏蔽层P的阻抗。

则可得

ZPIP-Z1PI1=0

Z1AI1-ZAPIP=EA

整理后可得有屏蔽层时，感受体A上的感应电势为

而无屏蔽层时，感受体A上的感应电势为

EA0=Z1AI1

所以屏蔽系数为

(6)

由式(6)可知：

1) 为提高电磁屏蔽效果(即减小屏蔽系数K0值)，要求屏蔽层靠近干扰体1和感受体A，使互阻抗Z1P和ZAP增大。

2) 尽量减小金属屏蔽层的阻抗ZP。

3) 尽量减小干扰体1和感受体A之间的互阻抗Z1A，即拉开干扰体1和感受体A之间的距离。

3.3 辐射耦合与辐射屏蔽

当电磁场源的电流或电荷随时间变化时，就有一部分能量进入周围空间，这种现象称为电磁能量辐射。辐射耦合是指电磁能量以电磁波的形式在空间传播，然后通过感受体耦合到电路，形成干扰的一个能量传递过程。把通过电磁辐射造成的干扰耦合称为辐射耦合。辐射耦合以电磁波的形式将能量从一个设备或电路传输到另一个设备或电路，这种传输路径小至系统内可想像的极小距离，大至相隔较远的系统间乃至星际间的距离，这取决于电磁波的波长。

一般用金属屏蔽层抑制辐射耦合。当电磁波入射到金属屏蔽层时，一部分能量由其表面被反射，被称为反射损耗；另一部分进入金属体内，由于感应涡流而产生能量消耗，被称为吸收损耗；最后还剩下一部分能量透过屏蔽层。在低频段，以反射损耗为主，在高频段，以吸收损耗为主。反射损耗和屏蔽层的厚度无关，而吸收损耗正比于屏蔽层的厚度。

4 结语

4.1 结论

为分别抑制电容性耦合、电感性耦合以及辐射耦合，电缆屏蔽层的接地方式是不同的：

1) 静电屏蔽，屏蔽层单端接地；

2) 电磁屏蔽，屏蔽层两端或多端接地；

3) 辐射屏蔽，屏蔽层无须接地。

辐射屏蔽与静电屏蔽以及电磁屏蔽相比，屏蔽层的接地与否不影响反射损耗与吸收损耗，故作为辐射屏蔽的金属屏蔽层是无须接地的。但在实际应用中，一般将辐射屏蔽层按静电屏蔽或电磁屏蔽的要求接地，使得一个屏蔽层同时起到两种屏蔽效果，即一根电缆的屏蔽层单端接地，该屏蔽层可以同时起到静电屏蔽和辐射屏蔽的效果，同样，将一根电缆的屏蔽层两端或多端接地，该屏蔽层同时起到了电磁屏蔽和辐射屏蔽的效果。

在工程实施中，可以作为金属屏蔽层的，除了电缆本身的屏蔽层外，还可以采用下列材料：

1) 电缆的金属保护套管；

2) 电缆的金属走线槽(但必须在整个长度范围内保证它的电气连续性，故在走线槽间必须用铜编织线跨接)；

3) 铠装电缆的钢带等。

如电缆仅有一个屏蔽层时,是单端接地还是两端或多端接地应视周围的电磁环境而定，如以电容性耦合为主,采用单端接地，如以电感性耦合为主，采用两端或多端接地。一般，高电压回路产生的干扰以电容性耦合为主；大电流回路产生的干扰以电感性耦合为主。串模干扰为电感性耦合；共模干扰为电容性耦合。

4.2 应用

4.2.1 舱内电缆的选型和敷设

一般情况下，所有电缆宜选带屏蔽层的金属铠装电缆，兼顾主动屏蔽和被动屏蔽。内屏蔽层一端接地，抑制电容性耦合；铠装层作外屏蔽层，两端或多端接地，抑制电感性耦合；内屏蔽层和金属铠装层均可抑制辐射耦合。重要的控制和通信电缆宜选带屏蔽层和金属铠装层的双绞电缆，即增强对电感性耦合的抑制，双绞电缆的绞距宜小于50mm。

控制电缆也可以采用屏蔽双绞线作直流信号电缆。屏蔽层一端接地(一般在控制柜端)以抑制电容性耦合和辐射耦合；用双绞线抑制电感性耦合。

必须引起注意的是：由于金属舱壁和甲板的作用，会产生射频电磁波的反射现象，同样大小的电磁辐射场，其场强在金属船舱里要比自由空间里大得多。

在电缆集中的地方应按电缆的种类以“分类汇总”的原则进行捆绑敷设，捆绑后彼此平行敷设的最小间距可参考文献[1]提供的数据，不小于610mm。

4.2.2 舱外电缆的选型和敷设

舱外电缆的选型必须考虑雷击的影响。雷击时，空间的脉冲磁场强度大于1000A/m以上，双绞线不足以抑制强磁场的耦合。实践证明，电缆应设置两个屏蔽层，内屏蔽层一端接地，外屏蔽层应采用金属保护管两端或多端接地，两屏蔽层间应绝缘，这样，可以同时起到抑制在雷击时发生的三种电磁干扰的耦合作用。

[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] 徐义亨. 工业控制工程中的抗干扰技术[M].上海:上海科学技术出版社,2010:21-42.

[6] 徐义亨.工程中电磁干扰的分类和其抑制途径[J].石油化工自动化，2007(6):1-4.

[7] GB/T 17626.1-2006，电磁兼容.试验和测量技术.抗扰度试验总论(IEC 61000-4-1:2000,IDT)[S].

[8] GB/T 17626.3-2006，电磁兼容.试验和测量技术.射频电磁场辐射抗扰度试验(IEC 61000-4-3:2002,IDT)[S].

[9] GB/T 17626.4-2008，电磁兼容.试验和测量技术.电快速瞬变脉冲群抗扰度试验(IEC 61000-4-4:2004,IDT)[S].

[10] GB/T 17626.5-2008，电磁兼容.试验和测量技术.浪涌(冲击)抗扰度试验(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

叶莹，男，高级工程师，研究方向：现场工业控制及系统应用。

U665.13

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.038