[科普中国]-电屏蔽

简介

一个空心的密封的金属盒，放入电场中，无论盒外的电场强度如何，盒内都没有电场，可视盒内电场为零，整个金属盒是一个等热体，此现象是1836年英国物理学家法拉第发现的，称为电场屏蔽。这个空心的密封金属盒也叫法拉第笼。2

电屏蔽是为了防止高压场强对元件的干扰。电屏蔽的设计原理是用屏蔽体来尽量减小干扰源和感受器之间的分布电容，从而减小干扰源对感受器的影响。

电屏蔽是切断电容性电磁耦合的一种措施，一般使用在变压器绕组之间屏蔽、印刷电路板线路的屏蔽以及电缆线屏蔽等场合。3

电屏蔽具有能改变磁力线的弯曲方向、易加工及形状好控制等特点。4

原理直流大电流传感器中的铜屏蔽层既能屏蔽高频磁场的干扰,也能屏蔽电场干扰。干扰源A所产生的电力线对检测铁芯B的作用,可认为是通过两者间的电容耦合引起的。为了减小A对B的干扰,可在A/B间加铜屏蔽层S。

首先假定金属板S不接地,为分析方便,忽略AB间的剩余电容/1C 。在AB间加入铜屏蔽层后，B点的感应电压有时候可能比无屏蔽时更大。当屏蔽体离地较远，使C3>>C4 。因为屏蔽体与检测铁心间的分布电容大于AB间原有的分布电容，即C5>C1，所以UBS〉UB。

可见此刻屏蔽体不仅没有屏蔽作用,反而加强了干扰源A与检测铁心B间的耦合。如果把铜屏蔽层良好接地,就可认为C4≈∞，US≈0,因此 UBS≈0，即获得良好的屏蔽效能。

实际上由于铜屏蔽层不是无限大，在AB间总还存在剩余电容/1C ,由于/1C的作用,屏蔽后在B上的感应电压UBS为：

从场的观点看，电屏蔽的实质是干扰源发出的电力线被中止于屏蔽体，从而切断了干扰源与感受器之间电力线的交连；从电路的观点分析，屏蔽体起着减小干扰源和检测铁心之间分布电容的作用。5

屏蔽体为了减少剩余电容，对屏蔽体的形状应有要求，屏蔽体做成壳体比平板要好，密封壳体比开窗孔的壳体好，例如，变压器初次级间电屏蔽效果，封闭优于外折屏蔽、外折屏蔽优于带状屏蔽。3

屏蔽体的材料应选择导电性能良好的铜铝和镁等导体。在高频时，屏蔽体表面还应镀银层。3

变压器电屏蔽是利用涡流的反磁作用原理来实现屏蔽的。电磁作用相当于“堵”磁。典型的设计采用 4~6 mm 厚铜板或 7~8mm 铝板制作，加工成与所屏蔽位置一致的形状。4

屏蔽服是电场屏蔽的具体应用。等电位带电作业时，一般用很细的导电铜丝或导电纤维与其他纤维混纺做成衣服、鞋帽、手套、袜子，并使之成为一体构成屏蔽服。2

屏蔽条件良好的电屏蔽设计，应保证电屏蔽体必须有良好的接地，否则干扰比不加电屏蔽前更严重。一般要求屏蔽体与地的接触电阻小于2毫欧，在严格场合要求小于0.5毫欧，并且应使屏蔽体的接地点靠近被屏蔽元件的地点。3

电场屏蔽的屏蔽体用良导体制作，并有良好的接地。这样就把电场中止于导体表面，并通过地线中和导体表面上的感应电荷，从而防止由静电耦合产生的相互干扰。电场屏蔽无论对高频还是低频的静电感应都有效果,屏蔽材料要求导电性能好,铜、铝或薄钢板等均可。屏蔽电场其必要条件是合适的金属体和良好的接地。5

屏蔽方式比较屏蔽按其机理分为电屏蔽（主要指静电场和交变电场屏蔽）、磁屏蔽（静磁场及交变磁场屏蔽）及电磁屏蔽（指电磁波屏蔽）。电屏蔽的设计原理是用屏蔽体来尽量减小干扰源和感受器之间的分布电容，从而减小干扰源对感受器的影响。磁屏蔽的机理主要是依赖高磁导率材料所具有的小磁阻起到磁分路作用，减小屏蔽体内部空间的磁场。电磁屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空间传播的一种方法。其屏蔽效能（SE ）由3 部分组成，一是电磁波通过屏蔽体表面时，由阻抗突变引起的电磁波的反射损耗（R ）；二是电磁波在屏蔽体内部传输时，电磁能量被吸收的损耗（A ）；三是电磁波在屏蔽体的两个界面间多次反射时需考虑的多次反射修正系数（B ）。

从 20 世纪 70 年代，设计者转而采用磁屏蔽，磁屏蔽通常是在油箱箱壁内侧铺设各向异性的硅钢片，由于硅钢片的高导磁性能，吸引漏磁通进入磁屏蔽中，从而减少了进入油箱壁中的磁场分量，相应减小箱壁中的涡流损耗，其电磁作用相当于“导”磁。

电屏蔽和磁屏蔽是大型变压器中减少杂散损耗和避免热点的常用方法。综合电磁设计、应用经验和可能发热的角度来看磁屏蔽比电屏蔽效果更好，更安全，更能有效的解决问题。

为了降低油箱的涡流损耗及防止局部过热，通常对变压器漏磁场采取屏蔽措施，屏蔽方式有两种，一种是用高导磁材料对油箱壁进行屏蔽，称为磁屏蔽；另一种是用高导电材料对油箱壁进行屏蔽，称为电屏蔽。6

电屏蔽必然要产生涡流损耗，同时被其阻止的磁通也加重了对其他构件的漏磁危害。鉴于其形状好控制的特点，在不利于磁屏蔽敷设的情况下必须用到电屏蔽。在有些情况甚至要采用磁屏蔽和电屏蔽的组合结构。但是，无论哪种屏蔽方式，如果放置不当或屏蔽的结构尺寸不当，漏磁集中会使金属结构件涡流损耗过高，变压器局部过热，使金属结构件热点温升超标，变压器产气，甚至造成变压器事故。4