有线电视接入网同轴电缆的电磁干扰分析

本文转自《华东电力》２００６年第１０期
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入网中的同轴电缆网受电磁场的干扰和影响列为技 术难题来研究。有线电视接入网的同轴电缆星罗棋 布，电力、通信、航空、医疗器械的各种电子设备 的电磁干扰源无处不在，可以说有线电视分配网络 无处不受到电磁干扰的影响。只要我们能够正确测 算电磁干扰在同轴电缆上产生的感应电流及感应电
三、同轴电缆引入电磁干扰的分析 有线电视网络虽然使用的是带有多层屏蔽层的电 缆，在同轴电缆内导体上的感应电流和感应电压比电 缆屏蔽层上的主感应电流和感应电压要小，但感应电 流超过一定数值，能影响接入网综合信息业务传输特 性。为了衡量电磁场对电缆内导体产生影响后能引起 的系统参数的变化，必须研究电缆周围媒质的物理特 性特别是电磁性质，确定沿电缆的轴向电流，根据场 的数据和电缆特性就可以求出电缆内外导体上的感应 电流及感应电压。 有线电视接入网的光节点以下的分配网络，基本 上都是使用编织网屏蔽的同轴电缆。如图 １ 所示 。 同轴电缆的屏蔽系数是由构成屏蔽体的编束数、 每一编束内的导线数、单位长度的编束截面积以及编
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有线电视接入网同轴电缆的电磁干扰分析
李元康 郑 洁 朱 磊
（江苏省广播电视厅监测台，２１００８７）
【摘 要】有线电视接入网中的同轴电缆是传输综合信息业务的关键通道之一，同轴电 缆屏蔽效果与电磁干扰影响已引起专家们的高度重视。根据电磁场理论及传输线原理，分 析了同轴电缆电磁干扰原理，给出了屏蔽同轴电缆受外界电磁干扰时，在内导体及屏蔽体 上的感应电流及感应电压的理论计算公式，供大家在建设有线电视综合信息网传输网络、 计算电磁场对屏蔽电缆的干扰影响时参考分析。
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系统的传输性能。由于屏蔽电缆并不是理想导体，而 且电缆中屏蔽缝隙又允许外界电磁场穿入内部。所 以，这种外界电流Ｉｏ（ｚ）及电压Ｖｏ（ｚ）将在屏蔽体内的内导 体引起电流Ｉ及电压 Ｕ，如图 ５ 所示。
图５ 屏蔽电缆内的电压及电流 由具有分布电流源的传输线方程可以算出屏蔽电 缆内部的电压及电流。屏蔽体中的纵向电压由屏蔽体 的特性及屏蔽体中的电流来决定。分布漏泄电流源由 屏蔽体特性及屏蔽体对地线或对等效导线的电压来决 定。屏蔽电缆的等效电路如图 ６ 所示。
一、引言 为了提高有线电视传输质量，能适应传输图像、 语音和数据等综合信息的需要，各地有线电视网络已 经或正在计划进行网络升级改造，从而对系统网络的 设备选型和建设质量提出了更为严格的要求，有线电 视的设备决定了有线电视系统能否进行多种信息业务 的收集、发送、交换和传输功能，有线电视接入网中 线路上的光缆和同轴电缆则是实现传输综合信息的 “信息通道”，光缆中的光纤是由二氧化硅（ＳｉＯ２ ） 材料制成，是非金属材料，具有抗外界电磁干扰，自 身亦无电磁辐射，同轴电缆是金属导体制成，无论屏 蔽层做得如何，总会受到外界电磁场干扰的影响。 二、同轴电缆受电磁干扰的原因 有线电视接入网升级改造的模型大都是光缆与同 轴电缆混合网络（ＨＦＣ），光缆组成环型或星型的传 输结构，同轴电缆则均为树型分支分配式结构，这样 建成的宽带传输网络不但传输质量高，而且造价相对 要低。随着有线电视网络多功能业务开发速度的加 快，用户接入网中同轴电缆已成为影响传输质量的重 要因素之一。同轴电缆屏蔽效果差，对于不可避免的 外界电磁场的干扰，它相当于接收天线，从而影响图 像传输质量和数据的收集和发送；同时，同轴电缆对 外界会发生电磁波漏泄，这时它又相当于发射天线， 特别是在非广播频段的增补频道，在某些地区甚至会 干扰雷达、导航等系统的无线电设施的正常工作。所 以在进行有线电视接入网的升级改造时，有必要对同 轴电缆传输中电磁干扰特性进行理论分析，认真选
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干扰会造成设备工作不正常 、不稳定，使设备出 现某些错误，有时甚至损坏设备 。如静电放电除了会 造成设备损坏外，还会影响存储器内的数据，使设备 出现某些莫名其妙的错误 。
三、抗干扰措施 变电站图像监控系统抗干扰能力应符合ＩＥＣ６１０００－ ４“电磁兼容性试验和测试方法”规定的功能要求，由 此应采用相应的抗干扰措施 。具体的抗干扰措施主要 包括： （１） 采用光电隔离主要针对报警接点输入；控 制接点输出；通信接口 。 （２） 良好的接地与屏蔽变电站图像监控系统的 通信主网采用光纤网络是最理想的隔离抗干扰措施； 控制电缆应采用双层屏蔽电缆；视频电缆应采用双层 屏蔽电缆；在视频矩阵和控制计算机处将电缆屏蔽层 接地，并避免地线成环；图像监控设备应全部采用金 属外壳，并有专用接地端子；屏柜和设备应采用双层 屏蔽结构，严格将弱电小功率元件与强电大功率元件 分开； 摄像机防护罩应就地可靠接地 。 对摄像机与视频矩阵距离较远 、通过强干扰区 、 或出现“雪花”噪点的情况，最好采用光纤代替视频 电缆，或采用视频放大器以减小干扰；屏柜和设备内 部配线应严格区分弱电小功率与强电大功率。 （ ３ ） 加强电源系统抗干扰变电站图像监控系统交 流电源采用隔离变压器 。对变电站图像监控系统中需 要直流电源的设备，应将交流电源引到设备附近后， 采用隔离降压变压器得到 。 变电站图像监控系统的交流供电方式有集中供电 方式（即电源均引自一处）和分布供电方式（摄像机 在安装位置附近取电源）２ 种。 从抗干扰效果的角度看，集中供电方式更好一
些，可以基本消除各处参考电位不等的情况 。 如果考虑到发电厂各个分区之间采用光纤网络连
接，并且发电厂接地电阻不大，各个可靠接地点之间 不会产生较大电压差的情况，可以考虑在各个分区内 采用集中式供电，而分区之间则采用分布式供电。对个 别分散较远的摄像机还可以经计算后采取特殊措施。
计算机系统和网络设备采用不停电电源（ＵＰＳ）。 在经过强干扰区时，供电电源线特别是弱电电源 线，应采用屏蔽电源线 。 （ ４ ） 采用具有高抗干扰能力的摄像机变电站图像 监控系统在强磁场环境工作，应选用具有抗干扰性能 强的摄像机 。 （ ５ ） 采用避雷器 避雷器主要用于变电站图像监控 设备和系统的防雷和防操作过电压 。 （ ６ ） 采用符合电磁兼容性要求的外购设备所有变 电站图像监控系统外购设备的电磁兼容性，应完全符 合 ＩＥＣ６１０００－４“电磁兼容性试验和测试方法”的性能 要求 。 （ ７ ） 在变电站图像监控系统中，近距离传输上采 用射频通信，长线传输采用数字信号的传输。常见的 方式有 ：通过调制 、解调方法在电力线或视频线上传输 数字信号；通过工业标准的通信网络进行传输，如 Ｒ Ｓ４２２、Ｒ Ｓ４８５。利用数字通信方法提高系统图像信号 在长距离传输上的抗干扰性 。 四、结语 在变电站图像监控系统中，干扰主要体现在数字 通信线和视频图像的干扰上。由于变电站强电磁场和 静电的特定环境，解决干扰的关键在于工程设计施工 时就要全盘考虑抗干扰措施，这样才能从根本上解决 干扰问题 。
图６ 屏蔽电缆的等效电路 Ｅｅ （ ｌ） ＝ ＺＴ Ｉｏ （ ｌ） 漏电流分布源 Ｊ （ ｌ） ＝ － ＹＴ Ｖｏ （ ｌ ），式中Ｉｏ （ ｌ ） 为屏蔽体内的电 流，Ｖｏ （ ｌ） 为屏蔽体内的电压 。 （４） 同轴电缆内导体的感应电流及电压同轴电缆屏 蔽体中流过的电流和屏蔽体上的感应电压，在屏蔽体 里面的内导线上将引起感应电流及电压。根据传输线 理论，由内导体及屏蔽体组成的传输线在单位长度上 由分布源产生的电压为： Ｅｚ （ｚ ，ｗ） ＝ Ｉｏ （ｚ ，ｗ） ＺＴ（ｚ ，ｗ） 式中 Ｉｏ （ｚ ，ｗ）——屏蔽体中由外部感应的电流； ＺＴ（ｚ ，ｗ）——屏蔽体的耦合电阻 。 则在内导体中由分布电压源引起的电流及电压 为： Ｉ （ｚ）＝［Ｋ１ ＋ Ｐ （ｚ） ］ｅ － ｒｚ ＋［Ｋ２ ＋ Ｑ （ｚ） ］ ｅｒｚ Ｖ （ｚ）＝Ｚ０｛［Ｋ１＋ Ｐ （ｚ） ］ ｅ － ｒｚ －［Ｋ２ ＋ Ｑ （ｚ） ］ ｅｒｚ ｝ 式中 由内导体及屏蔽体组成的传输线的传输常 数；
（２） 同轴电缆的转移导纳 ＹＴ ＝ ｊωＣ１２ Ｃ图 ４所示 。
屏蔽体与外界媒质的特性通过转移阻抗ＺＴ及转移 导纳 ＹＴ 来表示 。
（１）同轴电缆转移阻抗
式 中 Ｃ１— — 内 导 体 与 屏 蔽 体 间 单 位 长 度 的 电 容；
Ｃ２——屏蔽体与大地或其他等效导线间单位 长度的电容； ε——电缆中绝缘的介电系数。 （３） 屏蔽电缆的等效电路 外界电磁场对同轴电缆的影响，在同轴电缆内外 导体产生的感应电流或感应电压，从而影响了接入网
由内导体及屏蔽体组成的传输线的波阻
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抗；
常数Ｋ１及Ｋ２可由Ｚ ＝ Ｚ１及Ｚ ＝Ｚ２处负载阻抗求出。 （５） 屏蔽效果 屏蔽效果通常采用屏蔽有效性来表示，其定义为： Ｓ ＝ ２０ ｌｇ（ Ｉｏ／ Ｉ） 式中Ｉｏ——屏蔽体中的电流；Ｉ——屏蔽体内导线 上的电流。 （６） 同轴电缆连接器及接头的漏泄 同轴电缆连接器及接头可以看作是有缝隙的一段 电缆绝缘体，外部电磁场通过缝隙可以透入电缆内 部。连接器往往具有由接触表面的接触电阻所引起的 集中阻抗，因此流经连接器的电流在此阻抗上将引起 电压降，并引起透入内导体的磁场，从而对有线电视 综合信息网络的传输信号产生干扰影响。 有线电视接入网中的同轴电缆连接器及接头，主 要起到设备与电缆之间、电缆与无源器件之间的连 接，有线电视网络工程人员称为接头工程，接头、连 接器在技术要求上，除了插入损耗、反射损耗、防水 等要求外，泄漏与辐射应是不容忽视的问题。电缆连 接器的等效电路如图７ 所示。
Ｚｏｃ 屏蔽体外网络波阻抗 Ｉｏ 屏蔽体电流
图４ 同轴电缆内、外导体的电磁耦合 编织屏蔽体的转移阻抗由两部分构成，一个分量 是考虑了穿越屏蔽体的电磁能，另一个分量是考虑了 穿越菱形缝隙的磁通量。转移阻抗用下式表示。
式中Ｋ——投影覆盖率； Ｃ——编束数； σ——屏蔽体的导电率； μ０ ＝ ４π×１０－７ ； Ｋ（ｅ） 、Ｅ（ｅ） ——第一、二类全椭圆积分；
图７ 电缆连接器的等效电路 电缆连接器或接头的转移阻抗为 ＺＴ ＝ Ｒ０ ＋ ｊ ω Ｍ１２ 式中Ｒ０——在连接器测得的电阻； Ｍ１２——屏蔽体外回路与电缆内导体间的互感 。 通 常 ＺＴ不 易 计 算 ， 但 通 过 测 试 可 得 Ｒ０及 Ｍ 的 １２ 数 值。因为连接器的转移阻抗是集中阻抗，而不是像电 缆绝缘体转移阻抗那样的分布阻抗。因此，通过连接 器的漏泄影响可用下列分离源电压表示： Ｖ ＝ Ｉｏ ＺＴ 式中 Ｉｏ——屏蔽体的电流 。 四、结束语 同轴电缆泄漏与辐射，电缆连接器及接头的质量 在有线电视网络建设和改造中，越来越受到工程技术 人员的重视，有线电视系统设计工程师把有线电视接