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欢迎各位同学回到电磁兼容的课堂

今天我们讲十六讲

屏蔽电缆的电磁耦合

电磁干扰

通过信号传输回路耦合至接收器而造成干扰

耦合回路引入的干扰是重要的途径

信号传输回路的情况不同

耦合的影响也是不一样的

如不同的结构

包括了平衡线路和非平衡线路

不同的接地方式

发射端接地和接收端接地或者浮地等等

都会对电磁干扰情况产生影响

另外不同的耦合方式

包括共模耦合 差模耦合

那外界骚扰源

如何在屏蔽电缆中形成电磁干扰呢

第一种方式是扩散

外部电磁场作用在电缆的屏蔽上

通过扩散进入到内部

第二是穿透

电缆外皮导体上存在很多小孔和小缝隙

电磁能量可以直接透入电缆的内部

导体的屏蔽从

电缆的皮电流流过的时候

它的电流就往内部渗透，有趋肤效应

这样的话在它内层也会有一个干扰电流

这个干扰电流就会在芯线上形成感应的电压

产生电磁干扰

电磁扩散机理

在1930年代就得到了充分的研究

对于一个金属管

外部电磁场的磁场分量

才能在其内部产生比较显著的影响

而外电场它的切向分量

由于其散射而相互抵消

法向分量差不多

全部终止于导体的表面电荷

外部的磁场分量

在电缆的外皮导体中感应电流

由于趋肤效应

电流密度由外到里逐步减小

导体较薄或导体的材料透入深度较大时

在靠近电缆芯的内侧表面有一定的电流密度

有电场出现

这就是外电场透入电缆内部的扩散过程

芯线上的干扰

用屏蔽转移阻抗Zₜ和转移导纳Yₜ描述

来描述屏蔽层对内部电路的保护的能力

转移阻抗是指

在屏蔽内内部产生的电场Eᵢ

与屏蔽层中的电流Iₛ之比

而转移导纳是指

屏蔽层一部分电荷

作用在内部的芯线上的途径

在内部芯线上的感应电荷

相当于电流注入内部的导体

可以通过屏蔽层外部对地的电压Vₛ

以转移导纳的方式产生

这是转移阻抗和转移导纳的计算公式

对于管状及编织屏蔽电缆

它都是适用的

只不过编织屏蔽

由于存在缝隙

转移导纳和转移阻抗都被加强

对于管状屏蔽体

它的转移阻抗有这样一个解析式

这里J和Y表示的

第一类和第二类柱面的Bessel函数

下标表示的是阶数

这是实测得到的

薄壁半硬性电缆的转移阻抗

可以看出

在高频段计算结果和测量结果

会相差得比较大

因此我们特别要注意高频的部分

一般电缆屏蔽层的厚度小于内径

半径远比波长要小

这样我们可以把电缆用一个桶状的结构来描述

可以写出它的对应的转移阻抗

这里R₀为屏蔽层单位长度的直流电阻

Δ为趋肤深度

低频时电缆屏蔽层的厚度Δ

是远远小于趋肤深度

这样转移电阻与直流电阻比较接近

高频时电缆屏蔽层厚度Δ

是远远大于它的趋肤深度的

这样的话

可以用这样一个公式

来简化计算它的转移阻抗

有了转移阻抗和转移导纳

我们就可以列出两个回路的方程

一个是屏蔽层与地构成的回路

一个是内部的导体

与屏蔽层之间构成的回路

然后我们可以列出外部回路和内部回路的方程

这样的话

我们就可以对这个系统的电磁干扰的情况

来进行分析

我们再来看一下

编织屏蔽的转移阻抗

编织屏蔽会形成很多小孔

这样外部电磁场就可以直接透入电缆的内部

这些菱形小孔

导致了电缆内部和外部的电感耦合

也还会导致电容的耦合

从这个图可以看出

外部的磁场

可以通过小孔进到内部来产生耦合

从右边这个图可以看出

由于小孔的存在

它就形成了一个电容分压的结构

也产生了电容的耦合

因此一般将小孔可用

等值的电偶极子及磁偶极子来进行模拟

电缆外皮与地组成的回路

和电缆芯与外皮组成的回路之间的

单位长度的互感

可以用这个公式计算

同时电缆芯与电缆外皮和外导体之间

单位长度的负电容C₁₂

也可以用这个公式来进行计算

在这里n为单位长度上小孔数

b屏蔽层的半径

αₑ和αₘ分别为小孔的

电极化率和磁极化率

Cₑ为电缆外皮与地之间单位长度的电容

将编织电缆屏蔽上的菱形小孔

用椭圆来进行描述

就可以得到小孔的电极化率和磁极化率

然后我们将线编电缆屏蔽上的菱形小孔

用椭圆来描述之后

就可以得到它的对应的转移阻抗

由这样一个公式来进行计算

同时也可以得到它的转移导纳

下面我们再来看看

空间电磁辐射

是如何产生共模耦合和差模耦合的

下面我们先来看一下共模耦合是如何形成的

一个电磁回路与地之间构成了一个回路的面积

这样外界的电磁场

就可以在这样一个回路里面感应出一个电压源

就是辐射的共模耦合

同时这样一个电压源

可以把它看成是在地回路中间

有了这样一个电压源为Vᵢ

这就是所谓的地回路的耦合

因此有两个概念

一个是辐射共模耦合

和地回路耦合

我们看看一根导线

在外界电磁作用下

它会产生感应

它的前端和后端之间有个很小的杂散电容

如果把这个电缆连接到一个机箱之后

机箱之间的杂散电容就会增加

如果把机箱再靠近地

它的电容就会更大

如果把它接地

这个回路产生的电流就会更大

也就是说当这样一个回落靠近地的时候

它会形成一个很强的电磁干扰

在确定回路面积后

就可以求出感生的共模电压Vᵢ

若定义共模耦合CMC

为单位场强所感生的电压

则电场的共模偶合为

这样一个公式可以进行计算

它是与回路的面积以及频率

还有机箱与地之间的电容相关的

共模耦合的最大值是20lgh+6

磁场的共模耦合公式

可以用这样一个公式来进行计算

它的最大值为169.5+20lgh+6

下面我们来看看非平衡电路的共模耦合

这是一个非平衡电路的典型的电路的结构

它设备内部的电路板可以或没有与外壳相连

另外外壳也可以或没有接地

这样的话

我们就可以用这样一个等值电路来进行描述

把它的接地的状态

可以用一个开关和一个电容并联

开关闭合表示是全部接地

开关打开就表示

部分地方没有接地而是有电容产生

在对于两端均接地的情况下

它的地回路耦合GLC

可以看作是趋近于0

在低频情况下

GLC大概等于0.5

而在高频情况下可以用这样一个公式进行计算

而对于信号或者负载

因为浮地的情况下

地回路耦合可以由这个公式进行计算

这样我们由这个图可以看出

低频时GLC是一次很大的负数

随着频率的增加

GLC呈线性的增加

斜率为20dB/10倍频

直至波长达到两倍的电缆长度

对于电子设备

它对地的电容

为线路参考地对机壳

或大地或机壳对大地的寄生电容

可以用电容平行板的面积

和距离比A比t来表示

知道了Cp值

就可以计算出GLC

但实际上很难精确得到Cp值

无法确定时一般可以取A比t是等于100

而对于信号及负载两端

“参考地”均接地的情况下

A比t它是等于无穷大的

这个图就给出了在不同情况下

它的非平衡电缆的共模耦合的情况

两端悬浮的时候

它的值随着A比t的增加而逐渐的增加

最后当两端接地的时候达到了最大值

下面再来看看平衡线路的共模耦合

真正的平衡线路

它不会产生共模耦合

但我们知道源电阻和负载电阻

它们之间的值是存在误差的

正是由于电阻值的误差

打破了这种平衡结构

从而会引入共模耦合

平衡系统完全对称

显而易见

V₀是等于0的

GLC是等于无穷

平衡系统不完全对称

发射及接收两端均接地的情况下

我们可以得到GLC的计算公式

当频率增加

连接电缆的阻抗

Zᴡ₁ Zᴡ₂是不能忽略时

我们可以得到GLC由这样一个公式来计算

可以看出

它是电阻以及电阻值的误差

以及回路里面电感的函数

低频时不平衡系统

存在4种可能的不对称性的组合

可以得到它对应的地回路的耦合

都可由这个表可以得到

对于发射端和接收端参考地悬浮的情况

它的地回路耦合由这个公式计算

当它频率较低时

Zc它是远远大于Zp的

则地回的耦合变成了这样一个公式

我们来看看平衡线路的共模偶合

从这个图可以看出

平衡电路它的共模耦合

是与它的不对称性相关的

我们来比较一下平衡和非平衡线路

抑制共模干扰能力

非平衡线路在两端接地的时候

它的共模抑制是等于0

对于平衡线路当负载电阻与电流相同时

它的共模抑制比是由电阻的误差决定的

当Rs远远小于Rʟ时呢

它的共模抑制比是无穷大

当Rs远远大于Rʟ时呢

它的共模抑制比

可以由这样一个公式来进行计算

两端均接地

源阻抗与负载阻抗相等

平衡系统均较非平衡系统的GLC小

大体上导致了同样的差值

则平衡系统的共模抑制能力强于非平衡系统

而平衡系统的共模抑制能力取决于其不对称性

不对称性俞小

则对共同干扰的预测能力越强

对于发射端和接收端悬浮的情况

无论平衡系统或非平衡系统

在低频区域的GLC

总的说来

均较两端接地的情况要小得多

但平衡系统的GLC

较非平衡系统的GLC反而增加

这一点是必须注意的

下面再来看看差模辐射耦合

差模辐射耦合

是由于电路中的两根电线

它们之间有一个较小的面积

当外界的电磁场

作用在较小的面积中

它就会形成一个差模耦合

对于平衡线路的

在电场作用下的差模耦合强度

可以由这个公式进行计算

在磁场耦合下的强度

也可以由这个公式来进行计算

可以看出

平衡线路的差模耦合还与电容有关

也就是说电路和地之间的电容也是有关联的

因为平衡线路的中线点接地

而这个电容是串在中线点的回路的

这个电容就会影响它的分流情况

这个图给出了

平衡线路的差模耦合的一个强度

它的差模耦合的强度是随着频率的增加

最后达到一个最大值

对于非平衡线路的差模耦合

可以由这样一个公式进行计算

从这个公式可以看出

减小差模耦合的方法有

尽量减小两个导体的间距

减小两个导体所形成的耦合回路的面积

对平行线对最有效的方法是采用双绞线导线

对于非平衡线路的传输系统

同轴电缆要选用尽可能小的转移阻抗

采用扭绞线结构之后可以减少差模干扰

这是采用扭绞线之后

它的差模干扰的计算公式

可以看出

差模耦合是与单位长度的扭绞数n相关的

当nl很大时

可以用这样的公式来计算差模偶合

当2nl除以λ是远远小于1时

可以化简为这样一个公式

只与n和l相关

下面再来讨论一下

信号传输电缆的空间电磁场的防护

我们在电力系统的变电站都有电缆沟

这样把信号电缆、电源

分别在不同的层面

排列在这样一个电缆沟中

电缆沟它有圆形也有方形

我们想一想哪种电缆沟的屏蔽效果更好

实际上矩形的电缆屏蔽槽的屏蔽效能

是等于圆柱形的电缆屏蔽槽的屏蔽效能加6

也就是说矩形的屏蔽效能是更好的

电缆沟或电缆槽

存在电力系统变电站应用之外

在一些强电磁环境中

也会采用电缆沟或局部采用电缆沟来进行防护

最后一个问题

电缆屏蔽层上流动的电流

它会有什么特点

我们如何区分

屏蔽电缆芯片上的传导干扰

和外皮感应的干扰呢

电缆的皮电流会存在一个所谓的振铃现象

它是衰减振荡

然后幅值越来越低

频率也越来越低

电缆皮电流产生振铃振荡

是电流在电缆的两端来回振荡形成的

振荡的主频率f₀的波长为两倍的电缆长度

振荡将因电阻损耗能量而使振幅衰减

由于高频损耗更快

高次谐波先衰减

振荡的频率也是逐渐变慢

因此

判断干扰是来自电缆皮电流

还是来自电缆的始端

我们可以由下面的方法来确定

电缆皮电流引入电缆芯线的干扰

是呈衰减振荡波的形式

而从电缆始端直接引入的干扰

就没有这样一个现象

我们如何减小外界空间电磁场

在屏蔽电缆外皮产生的干扰电流

对内部的影响呢

一般我们在电缆沟里可以采用分流泄放

采用分布的接地

使电缆皮流尽快流向大地来泄放

这个图给出了一种实际的分流泄放的布置情况

另外也可以采用所谓的叫损耗率波

架空传输线电缆的皮电流衰减很小

1MHz每公里是衰减16.5倍

但是你把电缆铺于地面的时候

它每一公里就可以衰减16.5到10⁴倍

如果埋设于岩石中

电缆皮电流衰减非常快

只要10m就可以衰减16.5到7331倍

如果在电缆外面

填充薄胶泥作用就相当于损耗滤波器

它的频率越高

损耗越大

衰减也就越快

最后对这一讲进行总结

电磁骚扰无论是通过传导耦合

还是辐射耦合

最后都要通过信号传输回路

耦合到接收器

造成对接收器的干扰

外部的电磁场可以通过扩散和穿透

作用在屏蔽层上面

内部芯线上的干扰

可以通过

屏蔽的转移阻抗和转移导纳来进行描述

辐射耦合和地回路耦合

以及非平衡线路的共模耦合

和平衡线路的共模耦合

这些情况我们也在这一讲分别进行了介绍

另外平行线对最有效的减小差模耦合的方法

是采用扭绞线的形式

这就是这一讲内容

谢谢各位同学