第六章 电磁兼容课件-电缆-江滨浩

1电缆的EMC设计电气工程系江滨浩研究生学位课－电磁兼容（6）2主要内容电磁场在电缆线上的感应噪声电缆之间的串扰电缆的辐射干扰3处于电磁场中的电缆Sh差模电流共模电流所有的电磁兼容标准中均规定了电缆的传导敏感性试验实际是空间电磁场对电缆干扰性的试验前述，电磁场对电缆的影响分为：在信号回路中的差模干扰电流，在电缆与大地回路间的共模干扰电流4差模电压和共模电压差模电压电场产生电压的原理是导线处于不同的电位点，而磁场是通过回路中的磁通时变。电缆中信号线和回线间距极小，线间电压和磁感应电压几乎为零。因此，差模干扰电压无需考虑。电路的干扰主要来自差模电压和电流，而差模感应电压又很小，差模干扰电压是在电路不平衡时，共模电压转换到差模干扰电压的结果Sh5电磁场在电缆上的感应电压10kHz100kHz1MHz10MHz100MHz1GHz10GHz0-10-20-30-40-50123ABCDEh=0.5mL:A=100mB=30mC=10mD=3mE=1mdBV1V/m场强产生的电压随频率增加，感应电压增大，线越长，感应越大6平衡电路的抗干扰特性电磁场V1V2I1I2VD平衡性好坏用共模抑制比表示：CMRR=20lg(VC/VD)VC高频时，由于寄生参数的影响，平衡性会降低如果电路的共模抑制比为60dB，则1000V的共模电压在电路的输入端只能产生1V的差模电压。该电路的抗雷电等产生的共模干扰的性能很好。CMRR7提高共模干扰抑制比的方法平衡电路屏蔽电缆CMRRf共模扼流圈平衡电路CMRR共模抑制比的高频率性好屏蔽电缆频率特性共模扼流圈8屏蔽静（低频）电场0V电缆长度/20，单点接地电缆长度/20，多点接地9回路面积AVNVN＝(d/dt)=A(dB/dt)磁通感应电压当面积一定时磁场对电缆的干扰jAB由于外界干扰场的频率和强度是不受控的，应尽量减小回路的面积。10～理想同轴线的信号电流与回流等效为在几何上重合，因此电缆上的回路面积为0，整个回路面积仅有两端的部分～减小感应回路的面积两个相邻的回路上感应出的电流具有相反的方向，因此相互抵销。双绞线的绞节越密，则效果越明显。当屏蔽层两端接地时，外界磁场在原来信号与地线构成的回路中产生感应电流的同时，也在屏蔽层与地线构成的回路中产生感应电流Is，感应出的Is也会感应出磁场，但是这个磁场与原来的磁场磁场方向相反，相互抵消，导致总磁场减小，减小了干扰。屏蔽电缆减小磁场影响VSVSVS只有两端接地的屏蔽层才能屏蔽磁场121001M1M1M100100每米18节(A)(B)(D)(E)(C)0271313281M1M100100抑制磁场干扰的试验数据单端接地非磁性材料的屏蔽套磁性材料的屏蔽套双绞线/单端接地屏蔽层两端接地13抑制磁场干扰的实验数据1001M1M1M100100每米18节(F)(G)(I)(J)(H)80557063771M1M100100电缆的屏蔽层作为回流路径，大大减小了感应回路的面积双绞线H中的屏蔽层两端接地H中的屏蔽层单端接地14导线之间两种串扰机理MCICICILILR0RLR2GR2L接收导线的两端情况是不同的，在靠近信号源的一端，电容耦合产生的电流与电感耦合产生的电流方向相同，幅度叠加，而在远离信号源的一端，电容耦合产生的电流与电感产生的电流方向相反，幅度抵消。因此，近端的干扰较强。15耦合方式的粗略判断ZSZL3002：磁场耦合为主ZSZL10002：电场耦合为主其它情况难说，取决于几何结构和频率源电路阻抗ZS，接收电路的阻抗ZL16电容耦合模型C12VN＝j[C12/(C12+C2G)]j+1/R(C12+C2G)]V1C1GC2GRV1C12C1GC2GRV1VN17R1/[j(C12+C2G)]j[C12/(C12+C2G)]j+1/R(C12+C2G)]V1VN＝VN=jRC12V1R1/[j(C12+C2G)]VN=V1[C12/(C12+C2G)]耦合公式化简频率很低的情况频率、被干扰导体对地电阻、两导体之间的电容成正比频率很高的情况与频率和电路的阻抗都无关。而仅与两个导体之间的电容和接收导体与地之间的电容有关18耦合电压VN=jRC12V1C12V1(C12+C2G)VN=1/R(C12+C2G)频率电容耦合与频率的关系可以控制电容耦合的参数有三个：两个导体之间的电容C12，接收导体对参考地的电阻R，接收电路对参考地的电容C2G。其中，前两个参数在实践中最重要。在实践中，常通过降低接收电路的电阻来减小电容耦合。VN=jRC12V1C12C1GC2GRV119屏蔽层不接地：相当于R无限大，应用R很大时的前面公式VN=VS=V1[C1S/(C1S+CSG)]，与无屏蔽相同屏蔽层接地（此时R＝0）时：VN=VS=0，具有理想的屏蔽效果C1sC1GCsGC1GCSGC1sVsV1V1VsC2S屏蔽对电容耦合的影响－全屏蔽20R很大时：VN=V1[C12/(C12+C2G+C2S)]C1sC1GCsGCSGC1sVNV1V1VNC2SC12C12C2GR很小时：VN=jRC12部分屏蔽对电容耦合的效果C12的大小取决于导体2在屏蔽体外的长度。要减小C12，就要使暴露出屏蔽层的导体长度尽量短21定义：自感L＝1/I1，互感M＝12/I11是电流I1在回路1中产生的磁通，12是电流I1在回路2中产生的磁通回路1回路2abaM=（/2）ln[b2/（b2-a2）]互电感定义与计算22电感耦合VN＝d12/dt=d(MI1)/dt=MdI1/dtMR2RR1RR2R1I1VNI1VNV1V1减小互感耦合的方法：M=（/2）ln[b2/（b2-a2）]1增加两个回路之间的距离；2减小第一个回路产生的磁通密度（在电流幅度不变的情况下），例如将第一个回路的两根长导线用双绞线；3减小接收回路的面积；4调整两个回路的相对位置、角度关系。23IN=jC12V1R2R1VVVN=jM12I1R2R1～电容耦合电感耦合电感耦合与电容耦合的判别区分方法：测量导体一端的噪声电压，同时调整导体另一端对地的阻抗，若测量电压值随阻抗增加而增加，则为电容耦合，若变化方向相反，则为电感耦合。由电容耦合噪声可看成是并联在接收导体与地之间的电流源，电感耦合噪声可看成是串联在接收导体中的一个电压源。24屏蔽对电感耦合的影响关键看互感是否由于屏蔽措施而发生了改变I1M1SM12如屏蔽体两端接地，在屏蔽层与地构成的回路中会产生感应电流。感应电流产生新的磁场将叠加在原来的12上，由于12´12，因此，这个屏蔽措施的引入改变了互感，因此可以断定这种屏蔽对互感耦合有影响。25双端接地屏蔽层的分析V12=jM12I1VS2=jMS2ISVN=V12+VS2M1SM12MS2+--+~V12VS2导体1导体2屏蔽体I1IS求解这项根据电磁感应定律，IS的方向与I1的方向相反，因此V12的方向与VS2的方向相反，两者相抵消。因此减小了耦合电压VN。26VS2项求解+++++++++LS=/ISMS2=/IS因此：LS=MS2导体2屏蔽层VS2=jMS2IS=jMS2(VS/ZS)=jLS[VS/(jLS+RS)]=VS[j/(j+RS/LS)]27屏蔽后的耦合电压VN=V12+VS2V12=jM12I1VS=jM1SI1因为：M12=M1S所以：VS=jM12I1所以：VS2=jM12I1[j/(j+RS/LS)]VN=V12-V12[j/(j+RS/LS)]=V12[(RS/LS)/(j+RS/LS)]V1228屏蔽层的磁场耦合屏蔽效果VN＝M12I1（Rs/Ls)VNRs/Ls无屏蔽电缆屏蔽效能屏蔽电缆lg当频率很低时（jLsRs）：VN=V12，与无屏蔽作用当频率较高时（jLsRs）：VN==M12I1(Rs/Ls)感应电压不随频率增加而增加，保持一个常数，差值就是屏蔽效果。29长线上的耦合电压/10/4/23/4lgf短线近似线低频区域驻波区域耦合电压电缆与波长相比较短时电场耦合和磁场耦合电压都随着频率的升高增加。当电缆较长时，这个结论不再正确。30电缆的辐射干扰