电缆的屏蔽分析

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1、1,线缆的静电屏蔽和电磁屏蔽,徐义亨,2,本章阐述用屏蔽来抑制静电感应和电磁感应的基本原理和方法。 电缆之所以重要是因为它不仅是控制系统中最长的部分，容易 通过近场的耦合对控制系统产生干扰；而且它还类似于一根拾取和 辐射噪声的高效天线。 本章我们将讨论与此有关的三种类型的耦合： 1）电容性耦合。它起源于线路间电场的相互作用。 2）电感性耦合。它起源于线路间磁场的相互作用。 3）电磁场耦合。它是电场和磁场相结合的混合作用的耦合。故也被 称为电磁耦合或辐射耦合。,3,1 电容性耦合噪声和其抑制方法,1.1 耦合机理 两导线间的电容性耦合如图所示。Cs为噪声导体（如电源线） 和受感应导体（如信号线）

2、间的分布电容，CL为受感应导体的对地 电容，RL为受感应导体的总电阻值，Z为CL和RL的并联阻抗。US为噪 声电压，设Un为感应的噪声电压。,4,利用Cs和Z之间的分压公式就可以求出在受感应导体和地 之间产生的噪声电压Un为： 当噪声电压的频率较低时，阻抗RL远小于CL和Cs的阻抗时， 则为: 感应的噪声电压Un正比于噪声源的频率f、受感应导体的总电 阻值RL、受感应导体的对地电容CL以及噪声电压US。,5,当噪声电压的频率较高时，RL阻抗远大于CL和Cs的阻抗时，则 为: 因为CL远大于Cs，所以上式又可简化为,6,当RL阻抗远大于CL和Cs的阻抗时，感应的噪声电压正比于CS和 CL的比值，

3、和噪声电压的频率无关。 感应的噪声电压的频率特性如图所示。,7,1.2 电容性耦合的抑制措施,电容性耦合噪声的大小，正比于下列因素： 1）噪声电压； 2）噪声频率； 3）两导体间的分布电容； 4）受感应体的对地阻抗。 上述的诸因素中，噪声电压、噪声频率、受感应体的总电阻值 往往是不可控的。所以抑制电容性耦合的最基本方法是减少与噪声 导体间的分布电容。而减少两导体间的分布电容的最简单的方法就 是加大与噪声导体之间的距离。 但有时候受条件限制，无法用加大与噪声导体之间的距离来减 少两导体间的分布电容时，此时采用静电屏蔽的方法是十分有效的。,8,1.3 电容性耦合和距离的关系,两根直径为d，间距为D

4、的平行导线间的分布电容Cs为： Cs=/cosh-1(D/d) (F/m) 当D/d大于3时，Cs减小为 Cs=/ln(2D/d) (F/m) 式中：自由空间的介电常数，其值为8.8510-12 F/m。,9,AC100V 50Hz,10,1.4屏蔽对电容性耦合的影响,11,当受感应导线的外层包了屏蔽层后(见图)，前面所述的感应的 噪声电压Un便作用在屏蔽层上。 如果屏蔽层不接地，受感应导体和屏蔽层之间的分布电容Ces上 没有电流，则受感应导体上接受到的噪声电压就是屏蔽体上所感应 的噪声电压。 如果屏蔽体接地，因为屏蔽层上的电压为零，所以受感应导体 上的噪声电压也为零。 由于受感应导线不可能全

5、部封闭在屏蔽体内（包括导体两端外 露和编织屏蔽层的空隙）,所以实际情况要复杂一些。 为了获得良好的电场屏蔽，需要做到： 1）最大限度的减小中心导线延伸到屏蔽之外部分的长度； 2）为屏蔽层提供一个良好的接地。,12,这里,我们讨论的是受感应导体屏蔽的情况。如果我们将噪声导 体进行屏蔽并接地,同样可以起到抑制电场耦合的作用。所以在工业 现场，无论是电源电缆，或者是信号电缆，都应采用屏蔽型电缆。,13,采用屏蔽的效果要比拉开间距显著,14,上图是一个比较屏蔽和拉开间距的效果的试验例子。 干扰源是采用两个并联的继电器，当用开关S将通电的继电器线 圈突然断开时，线圈所产生的反冲电压可达1000V以上。这

6、种反冲电 压波形的前沿具有很大的变化速率，由此在导线上所产生的电力线 改变的速率也非常高。这是一个含有相当高频率成分的噪声源。此 外，接点间的火花放电也产生频谱很宽的噪声。 由实验可知（实验数据见后表），用编织网进行屏蔽的话，感 应出的噪声很小。若用增加两线间的距离d，还是能感应出几十伏的 噪声电压。所以，静电屏蔽抑制电容性耦合噪声的效果一般要比拉 开间距减小分布电容的效果来得显著。,15,16,2 电感性耦合噪声和其抑制方法,2.1 耦合机理 从物理学可知，线圈切割磁力线会感应出电动势。反之，线圈 不动，周围的磁力线发生变化，也同样会在线圈两端感应出电动势。 所以一根导线，当流过它的电流大小

7、发生变化时，在其周围就会产 生出变化的磁场。若在这个交变的磁场中有另一个电路回路，就会 在回路中感应出电动势。这两部分通过磁力线形成的耦合，其程度 可用互感M来表示。,17,18,噪声源电压为Ui，Ui在导体Z1回路上产生的电流为I，则在Z2回 路上产生的感应电压为： 由式可见，电感性耦合的噪声大小正比于 A.噪声源回路的电流I变化率di/dt； B.互感M。 一般而言，噪声源回路的电流I变化率是不可控的，有效的方法是如何减 小互感M。减小互感M的方法有： A.拉开回路之间的耦合距离，包括回路之间的相对位置； B.尽可能减小噪声回路和感应回路的环路面积； C.采用电磁屏蔽，包括双绞电缆和同轴电

8、缆的使用。,19,例：某信号线与电压为220VAC、负荷为10kVA输电线的距离为1米， 并平行走线10米，两线之间的互感为4.2H，则信号线上感应的干扰 电压为 UN = MI=23.14500.000004210000/220 =59.98 mV 当信号电压为（1-5）V的信号，这个干扰电压的大小即相当于 增加了1.5%的误差。,20,2.2 回路之间的相对位置与耦合程度的关系,21,22,一般而言，两个回路的平面相互垂直比平行其耦合要小。两个回 路的环形面积愈小愈好。,23,2.3 对作为噪声源的导线施行的电磁屏蔽,图所示的导线AB流过电流时，便成为向外界发出磁通的噪声源。,24,如果对

9、导线AB增加屏蔽体，并按图连接。电流在流经负载后， 全部通过导体的屏蔽体返回到干扰源的地。由于流过屏蔽体上的电 流也产生磁通，且与导体产生的磁通大小相等而方向相反，这样在 屏蔽体的外面，不存在磁通，即导线AB被电磁屏蔽了。,25,如果将干扰源和负载都接地,当信号源和负载都接地时，由于流 过屏蔽体的电流I2小于导线AB内的电流I，所以I2所产生的抵消磁通 也比原来的小。 然而，屏蔽体有一个重要的特性参数，即截止频率c=Rs/Ls， 其中Rs和Ls分别为屏蔽体的电阻和电感。,26,如果沿接地环路A-B-C-D-A，可列出方程式： 式中M为屏蔽体与中心导体间的互感，其值等于Ls,代入得： 由式可知，

10、当导体中流经的电流其频率远大于截止频率c=Rs/Ls 时，绝大部分电流流过屏蔽体，屏蔽效果很好。当频率低于5c 时，大部分电流从地面返回，屏蔽作用较小（所以低频时，不宜两 端接地）。大多数电缆的截止频率在数千赫到数十千赫之间。,27,2.4 对作为信号线路施行的电磁屏蔽,28,几种情况的对比: 图a)是不加屏蔽，易受外界磁通的影响。 图b)是加不接地的屏蔽，由于不能减小回路的包围面积，无电 磁屏蔽的效果。 图c)是加一端接地的屏蔽，也不能减小回路的包围面积。 图d)是加屏蔽体两端接地，可以减小回路的包围面积，有电磁屏蔽作用。 当然这是有前提的，电流I的频率远大于导线的截止频率，否 则，大部分返

11、回电流也将从地面回路返回，也不能减小回路的包围 面积。,29,我们常用屏蔽导线来防止外界磁通对导线的影响，其实这不是 利用屏蔽体的磁屏蔽特性实现屏蔽的，而是将非磁性屏蔽体包在导 体周围，并让它成为流经导线返回电流的一个通路，起到使电流的 回路所包围的面积最小，使接收外界磁通影响为最小 。,30,2.5 双绞线的电磁屏蔽原理及其应用,1）对作为噪声源的导线实施电磁屏蔽,31,2）对信号线实施电磁屏蔽,32,双绞线的屏蔽效果随每单位长度的绞合数的增加而提高（见 表）。 表中的噪声衰减度系指平行导线时的干扰磁场值和采用双绞线 后的干扰磁场值之比。但是，每单位长度的绞合数愈大，耗资也 大，从表2.2看

12、，绞距为50mm左右就可以了。 由于双绞线使用十分方便，价格较低，屏蔽效果也较好，所 以，在工程中常用到它。如果双绞线再加金属编织网就可以克服双 绞线易受静电感应的缺点，使其屏蔽效果更好。双绞线和屏蔽双绞 线常用于频率低于100kHz的屏蔽。,33,几种不同双绞线的效果比较,34,2.6 同轴电缆的效用以及屏蔽体的接地,双绞线和屏蔽双绞线虽然非常适用频率低于100kHz的屏蔽，但 因为有较大的电容，故不适用于高频或高阻抗回路。 同轴电缆是一种特制的用金属编织网作屏蔽的电缆，在很大的 范围内，具有均匀不变的低损耗的特性阻抗，可用于从直流到甚高 频乃之超高频的频段。,35,下图是在低频时屏蔽双绞线

13、和同轴电缆的接地方法。它们均采用 单端接地，以避免因地电位差造成的环流，影响屏蔽的效果。图,36,屏蔽双绞线和同轴电缆一端屏蔽和两端屏蔽的效果比较,在高频时（大于1MHz)屏蔽体可以两端接地。或者，一端接地， 另一端通过小电容再接地。这样，在低频时，电容有较大的阻抗， 可认为是一端接地；高频时，电容阻抗变小，则成为两端接地。高 频时，由于地电位差在电路中引起的噪声电压，其频率成分主要是 工频信号及其谐波，容易被滤去。,37,2.7 电容性耦合与电感性耦合噪声的比较,38,另外， 高电压回路，容易成为电容性耦合的噪声源； 大电流回路，容易成为电感性耦合的噪声源。 电容性耦合噪声对受影响的电路是属

14、于共模噪声； 电感性耦合噪声对受影响的电路是属于串模噪声。,39,3 电磁场耦合噪声和其抑制方法,3.1 近场和远场（感应场和辐射场） 辐射源附近称近场，距离大于/2（为电磁波的波长）的 地方称远场，这是一种约定。 波长和传播速度以及频率的关系如下式所示。 =c/f 式中：c-传播速度（3m/s）； f-频率（Hz）。,40,例如，10MHz的电磁干扰的远场界区约为5m左右，30MHz的电磁 干扰的远场界区约为3m左右，100MHz的电磁干扰的远场界区约为 0.5m左右。如果30kHz,近场范围可达1.6公里。 在近场中，噪声一般是通过前述的电容性耦合和电感性耦合的 方式传播到控制系统中去的。

15、 在远场中，对控制系统的干扰是通过能量向四方的辐射方式进 行的。,41,3.2 波阻抗,由上述可知，在近场，干扰的耦合主要是通过电场，或者通过 磁场。而在远场，辐射的电磁场在空间的传播是由于电场和磁场的 相互作用。 例如，在一根导线上流过直流电流，则在导线周围会产生磁力 线，而沿导线产生电力线（即电场的方向和磁场的方向是垂直的）。 这样就产生了磁场和电场。当电流发生变化，导线周围的磁场和电 场也相应发生变化，这种变化在空间中的传播就是电磁波，它的传 播速度等于光速。,42,最常见的辐射源如无线电广播、通信设备、对讲机、电焊机、晶闸管 整流器等高频设备，在工作时会辐射功率很大的电磁波。 在远场中

16、，电磁波十分规整，电场和磁场在强度上有固定的比例关 系，我们把电场强度E和磁场强度H的比值定义为波阻抗Z，即 Z=E/H（欧） 式中 E电场强度（伏/米）； H磁场强度（安/米）。,43,对近场而言，波阻抗取决于干扰源的特性以及离干扰源的距离。 如干扰源为大电流低电压的情况，则近场主要为磁场，波阻抗 呈低阻抗特性，以电感性耦合的噪声为主。 如干扰源为高电压小电流的情况，则近场主要为电场，波阻抗 呈高阻抗特性，以电容性耦合的噪声为主 。,44,令离干扰源的距离和波长之比为 式中r-干扰源和观察点之间的距离； - 电磁波的波长。 在近场时，干扰源主要为电场时波阻抗为： 干扰源主要为磁场时波阻抗为：,45,在远场时，波阻抗Z=E/H是一个常数为120，即377欧。所以用 场强仪只要测出一个场的强度，另一个场强就可以计算出来。波阻 抗Z和离干扰源距离r的关系如图所示。,近场,46,3.3 电磁场耦合的感应噪声,一根金属导线在辐射的