电工电子设备机柜的电磁屏蔽和静电放电防护设计

王海静

（中煤电气有限公司）

0 引言

电工电子设备机柜产品的电磁屏蔽和静电放电防护是确保内装各种电气设备和电器 （电子元件）正常运行重要措施之一，也是确保相应功能产品可靠运行的关键。该类产品的突出特点是一方面受功能需要，门的开启和表面安装器件是无规律可循的，另一方面受产品结构与工艺的制约，整体构造会有比较多的缝隙存在，第三适合于产品的电磁密封材料可选的余地不大，第四制造成本会成为突出的矛盾。

1 基于电工电子设备机柜的电磁屏蔽和静电放电的原理

1.1 电磁屏蔽原理

（1）一般概念

电磁屏蔽一般分为两类：一类是静电屏蔽，主要防止静电场和恒定磁场的影响；另一类是电磁屏蔽，主要用于防止交变电场、交变磁场以及交变电磁场的影响。通常，电磁屏蔽主要是指用屏蔽体阻止交变电磁场在空间传播的措施。

屏蔽体的屏蔽效果，即屏蔽体对电磁信号的衰减程度，通常用屏蔽效能SE来表示，其定义为：“对给定外来源进行屏蔽时，在某一点上屏蔽体安装前后的电磁场强度之比”，可表示为式（1）和式（2）：

式中，E0为没有屏蔽时测得的电场强度；H0为没有屏蔽时测得的磁场强度；E1为屏蔽后测得的电场强度；H1为屏蔽后测得的磁场强度。

当交变电磁场通过金属材料表面或由金属材料所包围的孔眼时，因电磁感应形成的涡流所产生的电磁场方向与原来的电磁场方向相反，抵消了一部分原来的电磁场，从而起到屏蔽作用。产生的涡流越大，屏蔽效果就越好；金属材料的电导率越高，屏蔽效能越好。同时，由于涡流产生的焦耳热消耗了入射电磁场的能量，同样可起到屏蔽作用。

（2）金属的趋肤效应

当电磁场传播时，在金属内会因所产生感应电流的热效应以及反方向电磁场，使其能量损耗而衰减。当电磁场在金属内传播的深度为δ时，其衰减的倍数为e（2.718倍）。δ是描述金属对电磁波吸收能力的一个值，即金属的“趋肤效应”。δ值越小的金属，吸收电磁场的能量就越大，屏蔽效果就越好。在电磁场理论中把δ称为“趋肤深度” 或“透入深度”。表1列出了几种金属的在某些频率下的趋肤深度。

表1 金属在某些频率下的趋肤深度

（续）

由表1可以看出，当电磁场频率为1MHz时，铜板的趋肤深度为0.067mm，采用大于此厚度铜板制成的封闭壳体就可以达到良好的屏蔽效果。

1.2 静电放电防护原理

静电是物体表面的静止电荷。物体在接触、摩擦、分离、电解等过程中，发生电子或离子的转移，正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡，就形成了静电。当物体表面的静电场梯度达到一定的程度时，由于正电荷和负电荷的中和，就会发生静电放电（ESD）。静电放电可以出现在两个物体之间，也可由物体表面直接向空气放电。

静电放电耦合到电工电子设备主要有两种方式：直接传导和空间耦合（电感或电容耦合）。

静电放电的特点是：

1）静电放电是一个高电位、强电场、瞬时大电流的释放过程；

2）静电放电还会产生强烈的电磁辐射而形成电磁脉冲。

静电放电的类型如下：

1）电晕放电，电晕放电是一种高电位、小电流、空气被局部电离的放电过程；

2）刷形放电，刷形放电是一种发生在导体与电绝缘体之间，放电通道成分散的树枝形状的放电过程；

3）火花放电，火花放电是一个瞬变的过程，放电时两放电体之间的空气被击穿，形成“快如闪电” 的火花通道，使静电能量在瞬时集中释放。

2 基于电工电子设备机柜的电磁屏蔽设计基本原则

2.1 电磁屏蔽设计的基本考虑

1）采用金属材料作为屏蔽体可以获得对电磁场的有效屏蔽。此时宜考虑屏蔽体的刚性、工艺性及表面涂覆层的选择等；

2）采用工程塑料作为机械结构外壳，可以考虑再电镀上金属镀层（例如铜、镍、银） 以获得较好的屏蔽效果；

3）屏蔽体结构应尽量简洁，尽可能减少不必要的孔洞和缝隙，以防电磁泄漏；

4）搭接面应具有良好的导电性，并尽量提高零件的刚性、表面精度、增加缝隙的深度，以及控制好紧固点的配合公差；

5）由于电磁场的孔隙泄漏现象，电磁屏蔽体上的开孔、缝隙等宜谨慎处理。通风孔尽量采用列阵排列的圆孔或正六边形孔；当屏蔽与散热有冲突时，尽量开小孔、增加孔的数量，避免开大孔；

6）有相对运动的零部件不应依靠导轨、销轴等活动连接方式进行搭接，必要时可以通过电缆实现搭接；

7）透明观察窗宜采用电磁屏蔽玻璃或聚酯导电薄膜并可靠接地；

8）通风窗宜采用波导式通风窗，以达到满意的屏蔽效能。

2.2 电磁屏蔽设计基本方法

（1）屏蔽体缝隙电磁泄漏的抑制

对于屏蔽体缝隙的电磁泄漏，可采用以下方法抑制：

1）增加屏蔽体接合面的深度 （例如连接处折弯），使缝隙结合处的接触面积增大，以减小接触面电阻、增加波导截止效应；

2）在屏蔽体连接处形成迷宫型结构，或者采用屏蔽盒盖嵌入盒体的结构也是常用的增加缝隙深度的方法；

3）减小屏蔽体缝隙的长度，使得缝隙长度远小于所要抑制的电磁波波长，一般宜小于1/100波长，至少不大于1/20波长；

4）尽量减小紧固螺钉之间的间距或采用连续焊，以减小缝隙长度；

5）在屏蔽体接合面上冲制间隔的凸起，以增加接触点；

6）保持接触面较好的平整度、保持接触面清洁，必要时涂覆导电涂料，以减小接触电阻；

7）在屏蔽体缝隙的结合面添加导电衬垫，以增加屏蔽效果。

（2）屏蔽体孔洞泄漏的抑制

对于机械结构屏蔽体孔洞的电磁泄漏，可采用以下方法抑制：

1）金属丝网：将金属丝网覆盖在大面积的通风孔上，能显著地防止电磁泄漏。金属丝网的屏蔽性能与网丝直径、网孔疏密程度、网丝交点处的焊接质量及网丝材料的导电率有关；

2）穿孔金属板：鉴于孔洞尺寸与电磁泄露成正比，可在满足屏蔽体通风量要求的前提下，以多个小孔代替一个大孔；

3）截止波导通风孔：利用波导对于在其内部传播的电磁波起着高通滤波器的作用，可阻止高于截止频率的电磁波通过。截止波导通风孔阵显著的特性有：工作频段宽，即使在微波波段也有较高的屏效；对空气的阻力小，风压损失小；机械强度高，工作稳定可靠。

（3）屏蔽体上观察窗口泄漏的抑制

观察窗口包括指示灯、表计面板、数字显示器及CRT（阴极射线管）等，泄漏拟制可供选择的方案包括：

1）使用波导衰减器；

2）使用金属丝网或带有金属丝网的玻璃（或聚酯导电薄膜）夹层板；

3）对重要的器件进行屏蔽，对进入器件的所有导线滤波；

4）使用屏蔽玻璃或屏蔽聚酯导电薄膜。

其中2）、3）、4）适用于对仪表、CRT等大孔洞元件进行电磁泄漏控制。甚高频和微波段宜选用金属丝网，并应注意金属丝网和屏蔽网对设备操作、观察可能造成的不良影响，以及导电玻璃、导电薄膜使光射的射投所造成的损失。

（4）操作器件开孔泄漏的抑制

需要调控的元器件（例如可变电容器、可变电感器、电位器等），常将其调整轴伸出面板之外。

抑制此类调整孔电磁泄漏的措施有：

1）采用圆形截止波导结构，此时调整轴应用绝缘材料制成；

2）对于无法换成非金属的金属操作杆穿过的小孔或波导管，可用指形弹簧将金属杆的四周与屏蔽体搭接；

3）设置隔离舱，将设备中的主电路与操作器件（设备外部）隔离。

（5）贯通导体的处理

降低或减小穿过屏蔽体的导体对屏蔽效能的破坏方法有：

1）将导体屏蔽，这相当于将屏蔽体延伸到导体的端部；

2）对导体的传输信号进行滤波处理。

3 基于电工电子设备机柜的静电放电防护设计基本原则

3.1 静电放电防护设计基本考虑

1）静电源控制，绝缘材料的静电通过接地和等电位连接无法消除，因此应对敏感器件周边进行静电源控制；

2）等电位连接，与敏感器件接触的导体实现等电位连接（接地），避免敏感器件因静电放电损坏；

3）防静电包装，ESD防护区的器件应使用防静电包装，以防外界静电源的影响；

4）优先考虑安全，ESD防护措施不能降低安全水准，如果与安全之间发生冲突，则优先考虑安全。

3.2 静电放电防护设计方法

（1）一般方法

包括但不限于：

1）金属外壳的各部件之间应实现良好的接地连续性以及低的接触电阻，各搭接处宜采用面接触，避免点接触；

2）相互搭接的金属之间的电化学电位差不大于0.5V，超过时可以选择过渡金属（或镀层），以降低原来两种金属接触的电化学腐蚀；

3）可触及的键盘、控制面板、手动控制器、钥匙锁等金属部件，应直接通过金属外壳接地。如果不能接地，与内部电路走线的绝缘距离宜满足以下要求：空气间隙不小于4mm；爬电距离不小于6mm。

4）各接地点在外壳（机柜） 接地点汇接或在外部接地网上汇接，以形成良好的静电泄放通路；

5）小型低速（频率小于10MHz） 设备可以采用工作地浮地（浮空地），或工作地单点接金属外壳、金属外壳单点接地，使静电通过机壳泄放到大地时对内部电路无影响；

6）小型高速（频率大于10MHz）设备的功能地应就近与其金属机壳实现多点接地，且金属外壳单点接大地；

7）机柜的接地点与外部接地点之间保持可靠的电气连接，联接铜导线的截面不应小于表2的规定；

表2 接地导体的面积 （单位：mm2）

8）金属外壳与电子器件的间距最少保持2mm；

9）增加外壳到电路板之间的距离，如8kV的ESD在经过4mm的距离后能量一般可衰减为零；

10）可用导电油漆，如EMI油漆，涂在壳体内侧，形成一个金属的覆盖层，并通过这个屏蔽层将静电泄放；

11）设置静电放电插孔，以便把静电泄放。

（2）外壳上缝隙和孔洞的静电放电防护方法

外壳上缝隙和孔洞的电磁屏蔽处理方法对静电放电防护同样有效。