低频电磁波的屏蔽.doc

低频电磁波的屏蔽一、前言 凡是有电源的地方、有用电设备的地方、几百米内有高压电线的地方、几十米内有地下电缆的地方，甚至只有金属管道和金属梁架的地方，都可能有高达数十以至数百毫高斯的低频电磁干扰。低频电磁干扰的强度变化常常无规律可循，短时间内就会有相当大的上下波动；低频电磁干扰的来源往往难以确定，这样就更增加了屏蔽设计的难度。二、低频电磁屏蔽与其它屏蔽的差异比较 1、低频电磁场 根据电磁波传输的基本原理，在频率很低的时候良导体中的电磁波只存在于导体表面有“趋肤效应”波从表面进入导电媒质越深，场的幅度就越小，能量就变得越小，这一效应就是趋肤效应。 高频电路中，传导电流集中到导线表面附近的现象也有这样的问题又称 。交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布“集肤效应”不均匀，愈近导体表面电流密度越大。这种“趋肤效应”使导体的有效电阻增加。频率越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。既然导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料。因此，在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线。此外，为了削弱趋肤效应，在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线，这种多股线束称为辫线。在工业应用方面，利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火。、磁滞损耗放在交变磁场中的铁磁体，因磁滞现象而产生一些功率损耗，从而使铁磁体发热，这种损耗叫磁滞损耗。铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。磁滞指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度 B 与磁场强度 H 之间呈现磁滞回线关系。经一次循环，每单位体积铁心中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，使设备升温，效率降低，这在交流电机一类设备中是不希望的。软磁材料的磁滞回线狭窄，其磁滞损耗相对较小。硅钢片因此而广泛应用于电机、 变压器、继电器等设备中。以及反射损耗反射损耗是指由于屏蔽的内部反射导致的能量损耗的数量，他随着波阻和屏蔽阻抗的比率而变化都很小，低频电磁波的能量基本由磁场能量构成。所以这时我们所要屏蔽的应该是电磁波的磁场分量电磁屏蔽的原理是由金属屏蔽体通过对电磁波的反射和吸收来屏蔽辐射干扰源的远区场，即同时屏蔽场源所产生的电场和磁场分量。由于随着频率的增高，波长变得与屏蔽体上孔缝的尺寸相当，从而导致屏蔽体的孔缝泄漏成为电磁屏蔽最关键的控制要素用钢制机柜进行屏蔽时，由于能为所有连接面提供一条由一个面至另一个面的高导电路径，所以电流仍保持在机箱外侧。这种导电路径是用特殊的衬垫和在连接表面进行导电涂敷而建立的，导电路径的任何中断都将使屏蔽效能降低，它取决于缝隙或孔洞尺寸与信号波长之间的关系。对于较低频率或较长波长来说，如果只有一个小孔则不会明显降低屏蔽效能；对于高频或较短波长来说，屏蔽效能的下降将是很剧烈的。 例如，屏蔽体上如果有一个直径为 15mm 的孔洞，对于 10MHz 信号（波长为 30m）来说，将仍然能提供 60dB 屏蔽效能，但对于 1GHz 信号（波长为 30mm）来说，若要保持同样的屏蔽效能，则孔径不能超过 0.15mm。直径为 15mm 的孔对于 1GHz 信号只能提供 20dB 衰减。 如果不止一个孔洞，而且孔距小于信号半波长时，屏蔽效能将进一步降低。如果高频信号波长时，屏蔽效能将进一步降低。如果高频信号要求足够的衰减，则不应采用为了通风目的的孔洞。 屏蔽效能及其产生的衰减与频率、源与屏蔽体的距离、屏蔽体的厚度以及屏蔽材料等有关。由于增加了对 RFI/EMI 能量的反射和吸收的总和，使所传输的电磁能量减小。哪些材料能提供最好的屏蔽效能是一个相当复杂的问题。很明显这种材料必须具有良好的导导性，所以未处理过的塑料是无用的，因为电磁波能直接通过它。当然，可以采用金属。然而，应当记住，不能只考虑导电性，其理由就在于，电磁波不但有电场分量，还有磁场分量。要知道高导磁率和高导电率同样重要，高导磁率的意思就是磁力线的高导通性。钢是一种良导体，而磁导率的量级也会令人满意。它也是相对廉价并能提供很大机械强度的材料，所以有理由利用钢材，廉价的获得满意的屏蔽效能。应当注意，低频电磁波比高频电磁波有更高的磁场分量。因此，对于非常低的干扰频率，屏蔽材料的导磁率远比高频时更为重要。 屏蔽低频（如工频）电磁干扰的基本原理是磁路并联旁路分流。通过使用导磁材料（如低碳钢、硅钢等）提供磁旁路来降低屏蔽体内部的磁通密度。同时尽量增大涡流损耗，使一部分能量转化为热能消耗掉。 导电率高而导磁率低的材料（如铜、铝等）对电磁波的磁场分量几乎没有屏蔽作用。 屏蔽材料越厚则磁阻越小、涡流损耗越大，屏蔽效果越好。 2、直流磁场 当低频电磁场频率降低至 0Hz 时，低频电磁场转变为直流磁场。磁化、磁饱和、无磁滞损耗、无涡流损耗铁磁材料置于交变磁场中时，磁畴相互间不停地摩擦、消耗能量、造成损耗，这种损耗称为磁滞损耗等等，使直流磁场的屏蔽比低频电磁场屏蔽更加困难。一般选择尽量避开直流磁场干扰源。在条件允许的情况下，也可以用导磁材料把直流磁场干扰源包围，使它发散出来的磁力线在导磁材料内部形成一个闭环回路，减少它对外界的干扰。 导磁材料的结构和设备被磁化后也会产生直流磁场，现场实测时经常会发现这种情况，但是一般强度不大于 0.5mGauss。 同时这种磁场往往是长期稳定的，对仪器设备的干扰不大，所以有时可以忽略这种直流磁场的影响。 3、中高频电磁场 ，电磁波的能量比重逐渐由磁 在这个范围里（一般是从 1000Hz 到 1MHz）场分量向电场分量倾斜，趋肤效应、磁滞损耗还有反射损耗等逐渐显得不可继续忽略了，频率变化的影响也不像在低频范围里那样可以忽略不计了，屏蔽机理也随之逐渐由侧重屏蔽磁场分量转向侧重屏蔽电场分量。 4、高频电磁场 高频（1MHz 以上）电磁波除了具有低频电磁波的电磁感应特性外，还具有低频电磁波很少具有的折射性和反射性。 根据电磁波传输的基本原理，在频率很高的时候，趋肤效应、涡流损耗以及反射损耗和折射损耗都将在屏蔽机理中有充分的表现。高频电磁波的能量基本由电场分量构成。所以这时我们所要屏蔽的是电磁波的电场分量。 屏蔽高频电场干扰的基本原理是容抗并联旁路。通过在干扰源与被屏蔽点之间加入一个屏蔽层，并使屏蔽层对地容抗无限小（等效屏蔽层接地） ，来保护被屏蔽点不受干扰源通过杂散分布电容而耦合过来的干扰。 屏蔽材料可以用导电性良好的铝、铜、锡、银等，材料厚度对屏效影响不大。 5、静电屏蔽 静电屏蔽比较简单。用金属板（或者箔、网）形成一个屏蔽腔体，腔体与被屏蔽设备的外壳共同接地。 静电屏蔽的基本原理是消除电势差，将所有的电荷泄放入地。三、几种低频屏蔽方法综合评估 1、低导磁率材料（如低碳钢板等）屏蔽 低碳钢板的导磁率在 4000 左右。低碳钢板机械性能好，可焊性好，易加工，价格便宜，购买方便。在不必考虑屏蔽体的厚度和重量时，绝对应该是低频电磁屏蔽材料的首选。 2、高导磁率材料（如硅钢板等）屏蔽 热轧硅钢板的导磁率为 60008000，冷轧硅钢板的导磁率为 1200020000，选用冷轧硅钢板理论上屏蔽体厚度可以降低为低碳钢板的 1/3 到1/5。硅钢板价格昂贵，材质硬、脆，延展性差，可焊性可加工性远远不如低碳钢板。在敲击、折弯、开孔和焊接后，如果不进行热处理，导磁率将大大下降。现场施工一般不是焊接而是平铺搭接，但是即便搭接面很宽，因为空气隙的存在，也仍然会使整体的导磁率下降。 冷轧硅钢板还有晶向不一致的缺点，即钢板轧制方向上与侧面垂直方向上的导磁率不一样，一般用多层交叉重叠法来解决这个问题。但这又增加了施工难度，增加成本；同时增大空气间隙减少涡流损耗，降低屏蔽效果。 综上所述，在低频电磁屏蔽室的设计中，使用硅钢板往往是事倍功半的，一般不建议采用。 3、玻莫合金屏蔽 玻莫合金导磁率为 80，000，为现有材料中最高的；但成本也是最高的，与此同时，由于现今加工技术所限，玻莫合金成品均为带状，宽度极小，而且极薄易碎、易裂，对大面积施工而言，如何解决工艺问题，是一个至今尚未完全解决的难题。 4、铁基合金和纳米晶合金屏蔽 铁基合金和纳米晶合金导磁率均为 25，000-40，000，由于纳米晶合金冷材导磁率低、热材易碎，故在业界一般采用与之同基的延展性、可施工性均相对较好些的铁基合金；但同样由于现今加工技术所限，铁基合金成品也均为带状，最宽不超过 50 公分，如何紧密焊接达无缝或?侨绾蔚诱澈?，均有较大施工难度，且与玻莫合金一样，施工成品导磁率损耗过大（一般只能 ，故除非超标极为严重或施工场地过小一般不建议够达到理论指标 3050）采用。 5、有源消磁器消磁 有源消磁器由探测器、反相消磁线圈和控制器等几部分组成。探测器检测到磁场的三维场强，控制器根据得到的信息产生波形和幅度相同、相位相反的电流，反相消磁线圈产生波形和幅度相同、相位相反的磁场将原来的磁场抵消。有源消磁器安装简便灵活，但因其工作原理所限，在控制上有一定的滞后，调试工作有一定的难度，均匀性和稳定性等方面还有一些问题。四、低频电磁屏蔽设计 屏蔽体的材料选择： 根据以上的讨论，如无特殊情况，一般选择低碳钢板。 因为整体材料的涡流损耗比几层叠加（厚度相同）的涡流损耗要大，所以如无特殊情况不选用薄的多层材料而选用厚的单层材料。 如果兼顾直流磁场屏蔽，可在低碳钢板内侧加冷轧硅钢板或其它高导磁 ；如果兼顾中频磁场屏蔽，可在低碳钢材料（高导磁材料易饱和，放在内层）板外侧加冷轧硅钢板或其它高导磁材料（高导磁材料高频特性好，放在外层）。 屏蔽体厚度计算： 1、计算公式推导 因为低频电磁波的能量主要由磁场能量构成，所以我们可以使用高导磁材料来提供磁旁路通道以降低屏蔽体内部的磁通密度，并借用并联分流电路的分析方法来推导磁路并联旁路的计算公式。 同时有以下一些定义： Ho：外磁场强度 Hi：屏蔽内空间的磁场强度 Hs：屏蔽体内磁场强度 A：磁力线穿过屏蔽体的面积 AL×W o：空气导磁率 s：屏蔽材料导磁率 Ro: 屏蔽内空间的磁阻 Rs: 屏蔽材料的磁阻 L：屏蔽体长度 W：屏蔽体宽度 h：屏蔽体高度（亦即磁通道长度） b：屏蔽体厚度 由示意图一可以得到以下二式 Roh/ A×oh/L×W×o 1 Rsh/2b×W2b×Ls 2 由等效电路图二可以得到下式 Rs Hi×Ro/（Ho- Hi） 3 将1、2代入3，整理后得到屏蔽体厚度 b 的计算式4 bL×W×oHo-Hi/ WL 2s Hi 4 注意：在4 式中磁通道长度 h 已在整理时约去，在实际计算中o、s 、Ho、Hi 等物理单位也将约去，我们只需注意长度单位一致即可。 由4 式可以看出，屏蔽效果与屏蔽材料的导磁率、厚度以及屏蔽体的大小有关。屏蔽材料导磁率越高、屏蔽层越厚屏效越好；在导磁率、厚度等相同的情况下，屏蔽体积越大屏效越差。 2、计算式校验 我们用（4）式计算并取o1 L5m，W4m，s4000，计算结果与实 ，发现差别很大：测数据对照比较（参见表 1） 表1 注：1外磁场强度为 520mGaussp-p。 2为便于比较将计算数值及实测数值都归算为百分数。 3实测值系由不同条件下的多次测试折算而得。由于各次的测试条件不完全相同，所以只能取其大约平均数。 事实上，由于各种因素的影响，试图建立一个简单的数学模型直接去分析和计算低频电磁屏蔽的效果是相当困难的。 计算与实测相比偏差较大有两方面的原因。 并联分流电路的函数关系是线性的，而在磁路中，导磁率、磁通密度、涡流损耗等都不是线性关联，许多参数互为非线性函数（只是在某些区间线性度较好而已）。我们在推导磁路并联旁路的机理时，为避免繁杂的计算，忽略或近似了一些参数，简化了一些条件，把磁路线性化后计算。这些因素是造成计算精度差的主要原因。 另一方面，商品低碳钢板的规格一般为 1.22m×2.44m，按一个长×宽×高为 5×4×3m3 的房间来算，焊接缝至少五六十条，即便是全部满焊，焊缝厚度也一定小于钢板的厚度。另外屏蔽体上难免有开口和间隙，这些因素造成的共同结果就是：屏蔽体磁阻增大，整体导磁率下降。（选用冷轧硅钢板时要更加注意，冷轧硅钢板的实测偏差往往更大。 ） 用并联分流电路的分析方法推导出的磁路屏蔽计算式必须加以修正才能接近实际情况。 3、修正后的计算公式 在4式基础上，我们引入修正系数，且考虑到空气导磁率近似为 1，得到5式 bL×WHo-Hi/ WL 2s Hi 5 在 3.24.0 之间选取。屏蔽体体积小、工艺水平高可取小值，反之取较大值为好。 我们用（5）式取3.4 计算出的结果与实测数据对照比较 ，吻合度基本可以满意。（参见表 2） 表2注：其它情况与表 1 相同。 必须指出的是，多次的复测数据表明，5式计算结果与多次的现场实测结果吻合度较高，但也曾经发现个别相差较大的情况，究其原因是属于现场施工的问题。以下是在现场施工中可能发生的几种情况： 1、个别部位用了薄钢板； 2、硅钢板的搭接宽度不够； 3、多层冷轧硅钢板没有交叉重叠； 4、钢板没有连续焊接且拼接缝过大； 5、屏蔽体在设备基础部位有较大开口且处理不当； 6、随意缩短波导管的长度或加工时有偷工减料现象； 7、波导管壁厚过小； 8、屏蔽体多点接地致使屏蔽材料中有不均匀电流； 9、屏蔽体与电源中性线相连。 一两处小小疏忽就会造成屏蔽效果严重劣化。这有点类似于“水桶理论” ：水桶的容量取决于最短的那块木板。对于这类隐蔽工程，在选择一个可靠的施工单位、严格遵照设计工艺要求、加强现场施工监理、实施分阶段验收等方面，都是一定要引起高度注意的。 屏蔽体的开口设计： 设计一个屏蔽体，一定会碰到开口问题。常见开口设计的理论方法大多难以在低频磁屏蔽设计中直接应用。下面以一个房间的屏蔽设计为例来讨论。 1、小型开口 房间内安装的被屏蔽设备，一般都需要供应动力、能源和冷却水等等。这些辅助设施大多位于屏蔽室之外，通过进出水管、进排气管和电缆连接进来。我们可以将这些管道和电缆适当集中，统一经由一个或数个小孔穿过屏蔽体。小孔可用与屏蔽体相同的材料作成所谓 “波导口” ，长径比为一般认为至少要达到 34：1 。 （现场条件允许的话长些更好） 例如小孔直径为 80mm，则长度至少为 240320mm。 2、中型开口 空调的通风口、换气扇的进排气口等直径（或者正方形、长方形的边长）一般在 400600mm 左右，这样算来波导口的长度将达到 12002400mm，这在实际施工中几乎是无法承受的。这时可以用栅格将原来的开口分隔为几个同样大小的小口。例如将一个 400×400mm 的进风口分隔为九个等大的栅格，则长度由 12001600mm 减少为 400530mm（栅格增加的风阻很小，可以忽略不计）。设计和加工时注意以下几点： 1）栅格的材料与屏蔽体相同，不要随意减小材料的厚度； 2）栅格的截面尽量接近正方形； 3）在长度可以接受的情况下，尽量减少栅格的数量，以减少加工难度和风阻； 4）栅格各处都要连续焊接，以免磁阻增大； 5）如果材料为硅钢，则必须经过回火处理。 3、可关闭的大型开口 一般房间的门窗等开口都在 1m×2m 以至更大，这时应该依照门窗（均为与屏蔽体同样的材料制成）关闭后的非导磁间隙来设计波导口。设门窗关闭后的非导磁间隙为 5mm（这在技术上并不困难， 个别难以处理的地方可以加道折边），则波导口的长度为 1520mm。考虑到间隙是狭长的，这个长度尽量长些为好。注意这里的波导口并不是只由门窗的框构成，在所有的非导磁间隙处都要有一定厚度的折边，保证波导口的长度。 为保证特殊情况下的安全撤离，屏蔽室的门框应特别加强，屏蔽门最好向外开启。 设计举例： 房间的长、宽、高分别为 5 米、3.3 米和 3 米，原磁场强度 x10mGauss，y8mGauss，z12mGauss，试设计一低频电磁屏蔽，要求屏蔽体内任一方向的磁场强度小于 2mGauss。 参见图三 1、选用商品低碳钢板，s4000，规格为 1.22m×2.44m； 2、按照（5）式分别从 x、y、z 三个方向来计算钢板厚度： 取 3.8，L×W 分别以条件所给的长、宽、高代入，且与 x、y、z 等方向的原磁场强度对应。 bx3.8 3.3m × 4m × 10mGauss -2mGauss/4m3.3m 2 × 4000 ×2mGauss 3.43mm by3.83.3m×5m×8mGauss -2mGauss/5m3.3m 2×4000×2mGauss 2.83mm bz3.85m×4m×12mGauss -2mGauss/4m5m 2×4000×2mGauss 5.28mm 全部钢板厚度至少为 6mm（为防止外磁场变化亦可选用 810mm） ，单层。 全部焊缝要求连续满焊。 3、波导口处理 （略。参见屏蔽体的开口设计） 。 缝隙处理与设计：搭接的处理与设计：屏蔽电缆的接入设计：五、低频电磁屏蔽实践中的几个误区 由于有关低频电磁屏蔽的介绍较少，而且从总体上来看，低频电磁屏蔽的应用不如中高频电磁屏蔽广泛，所以对低频电磁屏蔽理解的误区甚多： 1、收音机（或移动电话）没有信号，所以低频电磁屏蔽一定是好的。 收音机和移动电话的工作频率高达数百 KHz 以至数千 MHz（调幅中波535-1605KHz；调频广播 88-108MHz；移动电话 900MHz 或 1800MHz） 。高频电磁屏蔽只要屏蔽电磁波的电场分量就可以了，低频电磁屏蔽主要是屏蔽电磁波的磁场分量，而磁场分量的屏蔽实际上比电场分量要困难得多。 收音机（或移动电话）没有信号，并不能表明低频电磁屏蔽是好的。另一方面，如果收音机（或移动电话）有信号，也不能说明低频电磁屏蔽完全不合格。收音机和移动电话都有很强的 AGC（自动增益控制）功能，在信号变化的很大范围内可以自动调节接收能力。屏蔽体上有必定有开口，高频信号在开口处通过反射还是可以达到收音机（或移动电话）的。 总之，不能用收音机（或移动电话）有无信号来证明或检验低频电磁屏蔽的效果。 2、屏蔽体接地有助于增进低频电磁屏蔽的效果。 这是套用高频电场屏蔽原理引出的错误结论。 高频电场屏蔽的基本原理是容抗并联旁路， 屏蔽层良好接地是必要条件。但是低频电磁屏蔽主要屏蔽的是磁场而非电场，屏蔽体接地对于增加屏蔽体的导磁率无任何帮助。 那么，是不是无益亦无害呢？不是的。在电气施工中，施工者会习惯地把电源线护套管、开关箱外壳、各种管道都连到屏蔽体上（“反正它们都是接地的。”注意，这是符合低压电器安装规范的）。这样一来，屏蔽体中极可能有电流流过，必定产生额外的磁场。我们分析讨论屏蔽体时，为使问题简化，假设屏蔽体各处的导电率和导磁率都是均匀一致的，实际上远非如此。钢板后面一般会有钢结构支撑，各处钢板的焊接或搭接情况差异很大，这时屏蔽体内各处的磁场强度会有很大的不均匀性，在个别节点处甚至非常高。所以屏蔽体接地对于低频电磁屏蔽来说是有害无益。 3、屏蔽体与被屏蔽设备共地。 这是套用静电屏蔽的“等电位”而引出的错误结论。 屏蔽体与被屏蔽设备共地不会增加并联磁路的导磁率，不可能对增进低频电磁屏蔽的效果有任何帮助。 我们可以这样说，如果高频电磁屏蔽和静电屏蔽必须要“等电位”的话， 。那么低频电磁屏蔽的指导理念恰恰与之相反，尽量实现“零电流” 低频电磁场往往是工频电流所产生的，我们要尽最大努力避免产生那些本来可以没有的电流。 所以，屏蔽体与被屏蔽设备共地也是有害无益的。 4、附近没有电源线或用电设备就不可能有低频电磁场。 在水管、暖气管、大楼的环状地线等导体上，如果有电流流过，也会产生电磁场，其强度与电流强度成正比，与通电导体的距离的平方成反比。 笔者曾在北京某单位发现一楼地面下钢梁（起垫高作用）中有电流产生50Hz 低频磁场，用梯度法推算，该电流达 810A。 5、设备关闭后就不会产生低频电磁干扰了。 许多设备和仪器，在执行了关闭操作后并没有完全断开自身的电源。就像家庭中使用的录音机和空调，只要还与电源相连，就不一定完全没有电流。 另一种情况是，设备自身配有变压器，而设备开关是设在变压器副边的。笔直多次见到，日本原产带有 220V-110V 电源变压器的设备，在设备关闭后，电源变压器附近仍.