第2章电缆的屏蔽

-17-第2章线缆的静电屏蔽和电磁屏蔽降低电磁干扰噪声的两个最基本的方法是屏蔽和接地。屏蔽和接地的关系十分密切，一般，作为屏蔽的金属体都需要接地，所以这两部分的内容应该结合起来讨论。本章阐述用屏蔽来抑制线缆的静电感应和电磁感应的基本原理和方法，而在后面的章节中将详细讨论如何进行接地系统的设计。线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。2.1电容性耦合噪声和其抑制方法2.1.1耦合机理两导线间的电容性耦合的一个简单说明如图2.1所示。Cs为噪声导体（如电源线）和受感应导体（如信号线）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。图2.1两导线间的电容性耦合利用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：（2.1）噪声导体CS噪声电压US受感应导体CLRLUn并联阻抗Z-18-当噪声电压的频率较低时，阻抗RL远小于CL和Cs的阻抗时，则式（2.1）为（2.2）式（2.2）是导线对导线电容性耦合噪声的一个重要公式，由此可以看出影响感应噪声电压的诸因素。即感应的噪声电压Un正比于噪声源的频率f、受感应导体的总电阻值RL、分布电容Cs以及噪声电压US。由式（2.2）看出，电容性耦合可看着一个连接在受感应导体与地之间的电流源，它的电流大小等于2πfCsUS。当噪声电压的频率较高时，RL阻抗远大于CL和Cs的阻抗时，则式（2.1）为（2.3）因为CL远大于Cs，所以上式又可简化为（2.4）由式（2.3）和式（2.4）所知，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，和噪声电压的频率无关。感应的噪声电压的频率特性如图2.2所示。由图可知，刚开始随频率的增加，感应的噪声电压也随之增加，它遵循公式（2.2），之后随频率的增加，感应的噪声电压达到一个饱和值，该饱和值可由式（2.3）求出。该曲线也说明实际的感应噪声电压总是小于或等于式（2.3）所给出的值。利用式（2.2）和式（2.3）可求出曲线的拐角频率。图2.2电容性耦合噪声电压的频率特性由以上的讨论可知，两导线间的分布电容是产生电容性耦合的关键因素。2.1.2电容性耦合的抑制措施fUn-19-由式（2.2）可知，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。2.1.3电容性耦合和距离的关系两根直径为d，间距为D的平行导线间的分布电容Cs为：Cs=πε/cosh-1(D/d)(F/m)…………………………(2.5)当D/d大于3时，Cs减小为Cs=πε/ln(2D/d)(F/m)……………………………(2.6)式中：ε——自由空间的介电常数，其值为8.85×10-12F/m。在图2.3所示的情况下，噪声源为交流100V，50Hz的电源线，对与之平行的信号线会产生电容性耦合。当信号线和电源线之间的平行长度为90m时，它们之间的距离分别为2mm和10mm两种不同的情况下，测得的感应噪声电压各为2.1V和0.32V。可见，加大信号线和电源线之间的距离，由于分布电容的急剧下降，导致噪声耦合减弱。所以，为什么在工业现场，不允许将信号线和交流电源线在同一根电缆里。图2.3电容性耦合和距离的关系2.1.4屏蔽对电容性耦合的影响当受感应导线的外层包了屏蔽层后(见图2.4)，前面所述的感应的噪声电压Un便作用90m3k2mm(10mm)2mm2.1V(0.32V)AC100V50Hz-20-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。图2.4导体屏蔽时的电容性耦合这里,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。图2.5采用屏蔽的效果要比拉开间距显著图2.5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。噪声导体受感应导体分布电容CS噪声电压US屏蔽层对地电容CLCes20mm20mm2个继电器电感50H内阻700欧AC110V1M欧500欧Sd90m示波器器-21-由实验可知（实验数据见表2.1），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。表2.1加大线间间距与屏蔽抑制噪声的效果对比线间距离d(mm)感应的噪声电压导线编织网屏蔽导线040V～90V0.25V～0.7V17012V～30V0.15V～0.6V5107V～20V0.05V～0.3V2.2电感性耦合噪声和其抑制方法2.2.1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。图2.6电感性耦合的原理图图2.6是两个回路间的电感性耦合的原理图。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：（2.7）由式（2.7）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缆的使用。-22-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4.2µH，按式（2.7），则信号线上感应的干扰电压为UN=2•3.14•50•0.0000042•10000/220=59.98mV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。2.2.2回路之间的相对位置与耦合程度的关系图2.7和图2.8是回路之间的相对位置与耦合程度关系的两个对比例子，由图可知，图2.8的情况比图2.7更恶劣。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。I5A10A15AUab40mV85mV130mV图2.7回路之间的相对位置I5A10A15AUab100mV190mV280mV图2.8回路之间的相对位置2.2.3对作为噪声源的导线施行的电磁屏蔽当图2.9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。图2.9作为噪声源的导体AB干扰源I负载-23-如果对导线AB增加屏蔽体，并按图2.10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。图2.10对作为噪声源导体的电磁屏蔽如果将干扰源和负载都接地（见图2.11），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ωc=Rs/Ls，其中Rs和Ls分别为屏蔽体的电阻和电感。图2.11干扰源和负载都接地时屏蔽效果受影响如果沿接地环路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：（2.8）由式2.8可知，当导体中流经的电流其频率远大于截止频率ωc=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5ωc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。2.2.4对作为信号线路施行的电磁屏蔽信号线路防磁场干扰的最好方法是减小接收环路的面积。这里所说的面积是指信号电路中电流所封闭包围起来的全部面积，值得考虑的是电流回到源处所走的路径。图2.12是几种情况的对比，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，AB干扰源负载-24-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，大部分返回电流也将从地面回路返回，也不能减小回路的包围面积。图2.12屏蔽对信号电路环路面积的影响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。2.2.5双绞线的电磁屏蔽原理及其应用双绞线也是电磁屏蔽的一种形式。它对屏蔽噪声源发出的磁通以及屏蔽信号线使其不受外界磁通干扰，都是有效果的。现分两种情况进行讨论。1）对作为噪声源的导线实施电磁屏蔽图2.13双绞线对噪声源的导线实施电磁屏蔽图2.13是双绞线作为噪声源的导线实施电磁屏蔽的原理图。当双绞线中有电流流过时，在各个导线绞合所组成的面积很小的环路内，产生相应的磁通。而在环路外，由于两边导线流过的电流方向相反，产生的磁通方向相反而大部分被抵消。这种屏蔽方式常用于供电线路上。环内有磁通产生环外磁通基本被抵消a)b)c)d)信号源负载信号源负载信号源信号源负载负载-25-2）对信号线实施电磁屏蔽图2.14双绞线对信号线实施电磁屏蔽图2.14是双绞线对信号线实施电磁屏蔽的原理图。双绞线在噪声的磁通中，每根导线均被感应出噪声电流，其电流方向如图所示。这样，同一根导线在相邻两个环的两段上流过的噪声电流大小相等方向相反，因而被抵消。所以在总的效果上，导线并没有感应噪声电流。3）不同双绞线的屏蔽效果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2.2）。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，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。表2.2几种不同双