王海靜

（中煤電氣有限公司）

0 引言

電工電子設備機柜產品的電磁屏蔽和靜電放電防護是確保內裝各種電氣設備和電器 （電子元件）正常運行重要措施之一，也是確保相應功能產品可靠運行的關鍵。該類產品的突出特點是一方面受功能需要，門的開啟和表面安裝器件是無規(guī)律可循的，另一方面受產品結構與工藝的制約，整體構造會有比較多的縫隙存在，第三適合于產品的電磁密封材料可選的余地不大，第四制造成本會成為突出的矛盾。

1 基于電工電子設備機柜的電磁屏蔽和靜電放電的原理

1.1 電磁屏蔽原理

（1）一般概念

電磁屏蔽一般分為兩類：一類是靜電屏蔽，主要防止靜電場和恒定磁場的影響；另一類是電磁屏蔽，主要用于防止交變電場、交變磁場以及交變電磁場的影響。通常，電磁屏蔽主要是指用屏蔽體阻止交變電磁場在空間傳播的措施。

屏蔽體的屏蔽效果，即屏蔽體對電磁信號的衰減程度，通常用屏蔽效能SE來表示，其定義為：“對給定外來源進行屏蔽時，在某一點上屏蔽體安裝前后的電磁場強度之比”，可表示為式（1）和式（2）：

式中，E0為沒有屏蔽時測得的電場強度；H0為沒有屏蔽時測得的磁場強度；E1為屏蔽后測得的電場強度；H1為屏蔽后測得的磁場強度。

當交變電磁場通過金屬材料表面或由金屬材料所包圍的孔眼時，因電磁感應形成的渦流所產生的電磁場方向與原來的電磁場方向相反，抵消了一部分原來的電磁場，從而起到屏蔽作用。產生的渦流越大，屏蔽效果就越好；金屬材料的電導率越高，屏蔽效能越好。同時，由于渦流產生的焦耳熱消耗了入射電磁場的能量，同樣可起到屏蔽作用。

（2）金屬的趨膚效應

當電磁場傳播時，在金屬內會因所產生感應電流的熱效應以及反方向電磁場，使其能量損耗而衰減。當電磁場在金屬內傳播的深度為δ時，其衰減的倍數(shù)為e（2.718倍）。δ是描述金屬對電磁波吸收能力的一個值，即金屬的“趨膚效應”。δ值越小的金屬，吸收電磁場的能量就越大，屏蔽效果就越好。在電磁場理論中把δ稱為“趨膚深度” 或“透入深度”。表1列出了幾種金屬的在某些頻率下的趨膚深度。

表1 金屬在某些頻率下的趨膚深度

（續(xù)）

由表1可以看出，當電磁場頻率為1MHz時，銅板的趨膚深度為0.067mm，采用大于此厚度銅板制成的封閉殼體就可以達到良好的屏蔽效果。

1.2 靜電放電防護原理

靜電是物體表面的靜止電荷。物體在接觸、摩擦、分離、電解等過程中，發(fā)生電子或離子的轉移，正電荷和負電荷在局部范圍內失去平衡，就形成了靜電。當物體表面的靜電場梯度達到一定的程度時，由于正電荷和負電荷的中和，就會發(fā)生靜電放電（ESD）。靜電放電可以出現(xiàn)在兩個物體之間，也可由物體表面直接向空氣放電。

靜電放電耦合到電工電子設備主要有兩種方式：直接傳導和空間耦合（電感或電容耦合）。

靜電放電的特點是：

1）靜電放電是一個高電位、強電場、瞬時大電流的釋放過程；

2）靜電放電還會產生強烈的電磁輻射而形成電磁脈沖。

靜電放電的類型如下：

1）電暈放電，電暈放電是一種高電位、小電流、空氣被局部電離的放電過程；

2）刷形放電，刷形放電是一種發(fā)生在導體與電絕緣體之間，放電通道成分散的樹枝形狀的放電過程；

3）火花放電，火花放電是一個瞬變的過程，放電時兩放電體之間的空氣被擊穿，形成“快如閃電” 的火花通道，使靜電能量在瞬時集中釋放。

2 基于電工電子設備機柜的電磁屏蔽設計基本原則

2.1 電磁屏蔽設計的基本考慮

1）采用金屬材料作為屏蔽體可以獲得對電磁場的有效屏蔽。此時宜考慮屏蔽體的剛性、工藝性及表面涂覆層的選擇等；

2）采用工程塑料作為機械結構外殼，可以考慮再電鍍上金屬鍍層（例如銅、鎳、銀） 以獲得較好的屏蔽效果；

3）屏蔽體結構應盡量簡潔，盡可能減少不必要的孔洞和縫隙，以防電磁泄漏；

4）搭接面應具有良好的導電性，并盡量提高零件的剛性、表面精度、增加縫隙的深度，以及控制好緊固點的配合公差；

5）由于電磁場的孔隙泄漏現(xiàn)象，電磁屏蔽體上的開孔、縫隙等宜謹慎處理。通風孔盡量采用列陣排列的圓孔或正六邊形孔；當屏蔽與散熱有沖突時，盡量開小孔、增加孔的數(shù)量，避免開大孔；

6）有相對運動的零部件不應依靠導軌、銷軸等活動連接方式進行搭接，必要時可以通過電纜實現(xiàn)搭接；

7）透明觀察窗宜采用電磁屏蔽玻璃或聚酯導電薄膜并可靠接地；

8）通風窗宜采用波導式通風窗，以達到滿意的屏蔽效能。

2.2 電磁屏蔽設計基本方法

（1）屏蔽體縫隙電磁泄漏的抑制

對于屏蔽體縫隙的電磁泄漏，可采用以下方法抑制：

1）增加屏蔽體接合面的深度 （例如連接處折彎），使縫隙結合處的接觸面積增大，以減小接觸面電阻、增加波導截止效應；

2）在屏蔽體連接處形成迷宮型結構，或者采用屏蔽盒蓋嵌入盒體的結構也是常用的增加縫隙深度的方法；

3）減小屏蔽體縫隙的長度，使得縫隙長度遠小于所要抑制的電磁波波長，一般宜小于1/100波長，至少不大于1/20波長；

4）盡量減小緊固螺釘之間的間距或采用連續(xù)焊，以減小縫隙長度；

5）在屏蔽體接合面上沖制間隔的凸起，以增加接觸點；

6）保持接觸面較好的平整度、保持接觸面清潔，必要時涂覆導電涂料，以減小接觸電阻；

7）在屏蔽體縫隙的結合面添加導電襯墊，以增加屏蔽效果。

（2）屏蔽體孔洞泄漏的抑制

對于機械結構屏蔽體孔洞的電磁泄漏，可采用以下方法抑制：

1）金屬絲網：將金屬絲網覆蓋在大面積的通風孔上，能顯著地防止電磁泄漏。金屬絲網的屏蔽性能與網絲直徑、網孔疏密程度、網絲交點處的焊接質量及網絲材料的導電率有關；

2）穿孔金屬板：鑒于孔洞尺寸與電磁泄露成正比，可在滿足屏蔽體通風量要求的前提下，以多個小孔代替一個大孔；

3）截止波導通風孔：利用波導對于在其內部傳播的電磁波起著高通濾波器的作用，可阻止高于截止頻率的電磁波通過。截止波導通風孔陣顯著的特性有：工作頻段寬，即使在微波波段也有較高的屏效；對空氣的阻力小，風壓損失小；機械強度高，工作穩(wěn)定可靠。

（3）屏蔽體上觀察窗口泄漏的抑制

觀察窗口包括指示燈、表計面板、數(shù)字顯示器及CRT（陰極射線管）等，泄漏擬制可供選擇的方案包括：

1）使用波導衰減器；

2）使用金屬絲網或帶有金屬絲網的玻璃（或聚酯導電薄膜）夾層板；

3）對重要的器件進行屏蔽，對進入器件的所有導線濾波；

4）使用屏蔽玻璃或屏蔽聚酯導電薄膜。

其中2）、3）、4）適用于對儀表、CRT等大孔洞元件進行電磁泄漏控制。甚高頻和微波段宜選用金屬絲網，并應注意金屬絲網和屏蔽網對設備操作、觀察可能造成的不良影響，以及導電玻璃、導電薄膜使光射的射投所造成的損失。

（4）操作器件開孔泄漏的抑制

需要調控的元器件（例如可變電容器、可變電感器、電位器等），常將其調整軸伸出面板之外。

抑制此類調整孔電磁泄漏的措施有：

1）采用圓形截止波導結構，此時調整軸應用絕緣材料制成；

2）對于無法換成非金屬的金屬操作桿穿過的小孔或波導管，可用指形彈簧將金屬桿的四周與屏蔽體搭接；

3）設置隔離艙，將設備中的主電路與操作器件（設備外部）隔離。

（5）貫通導體的處理

降低或減小穿過屏蔽體的導體對屏蔽效能的破壞方法有：

1）將導體屏蔽，這相當于將屏蔽體延伸到導體的端部；

2）對導體的傳輸信號進行濾波處理。

3 基于電工電子設備機柜的靜電放電防護設計基本原則

3.1 靜電放電防護設計基本考慮

1）靜電源控制，絕緣材料的靜電通過接地和等電位連接無法消除，因此應對敏感器件周邊進行靜電源控制；

2）等電位連接，與敏感器件接觸的導體實現(xiàn)等電位連接（接地），避免敏感器件因靜電放電損壞；

3）防靜電包裝，ESD防護區(qū)的器件應使用防靜電包裝，以防外界靜電源的影響；

4）優(yōu)先考慮安全，ESD防護措施不能降低安全水準，如果與安全之間發(fā)生沖突，則優(yōu)先考慮安全。

3.2 靜電放電防護設計方法

（1）一般方法

包括但不限于：

1）金屬外殼的各部件之間應實現(xiàn)良好的接地連續(xù)性以及低的接觸電阻，各搭接處宜采用面接觸，避免點接觸；

2）相互搭接的金屬之間的電化學電位差不大于0.5V，超過時可以選擇過渡金屬（或鍍層），以降低原來兩種金屬接觸的電化學腐蝕；

3）可觸及的鍵盤、控制面板、手動控制器、鑰匙鎖等金屬部件，應直接通過金屬外殼接地。如果不能接地，與內部電路走線的絕緣距離宜滿足以下要求：空氣間隙不小于4mm；爬電距離不小于6mm。

4）各接地點在外殼（機柜） 接地點匯接或在外部接地網上匯接，以形成良好的靜電泄放通路；

5）小型低速（頻率小于10MHz） 設備可以采用工作地浮地（浮空地），或工作地單點接金屬外殼、金屬外殼單點接地，使靜電通過機殼泄放到大地時對內部電路無影響；

6）小型高速（頻率大于10MHz）設備的功能地應就近與其金屬機殼實現(xiàn)多點接地，且金屬外殼單點接大地；

7）機柜的接地點與外部接地點之間保持可靠的電氣連接，聯(lián)接銅導線的截面不應小于表2的規(guī)定；

表2 接地導體的面積 （單位：mm2）

8）金屬外殼與電子器件的間距最少保持2mm；

9）增加外殼到電路板之間的距離，如8kV的ESD在經過4mm的距離后能量一般可衰減為零；

10）可用導電油漆，如EMI油漆，涂在殼體內側，形成一個金屬的覆蓋層，并通過這個屏蔽層將靜電泄放；

11）設置靜電放電插孔，以便把靜電泄放。

（2）外殼上縫隙和孔洞的靜電放電防護方法

外殼上縫隙和孔洞的電磁屏蔽處理方法對靜電放電防護同樣有效。