有线电视接入网同轴电缆的电磁干扰分析

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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
专题
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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。
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。
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图1 典型的编织网屏蔽同轴电缆 织角(编束与屏蔽轴的夹角)等决定的。有关编织参 数如下:
编织角 :α= arctg(4πR P/ C) 填充系数: F =PN d/sinα 投影覆盖率: K = 2 F - F2 式中 R—— 屏蔽体半径 ; P—— 编束截面数 ; C—— 编束数 ; N—— 编束内的导线数 ; d—— 导线直径 。 同轴电缆编织网屏蔽层存在着缝隙,内屏蔽体中 电流在周围引起的磁场有一部分可穿过缝隙,并与中 心导体回路相交链,在屏蔽体回路与内导体间引起互 感,由屏蔽体的电位引起的外界电通量就将穿过屏蔽 体缝隙并在屏蔽体内的导体上产生电荷,此电荷的出 现意味着在中心导体与外部结构(大地或其他导体) 间存在电容耦合。穿过同轴电缆屏蔽体空隙的场强的 影响如图2、图3所示。
(2) 同轴电缆的转移导纳 YT = jωC12 C12 =
同轴电缆内 、外导体的电磁耦合等效电路如图 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
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;
(下转第5页)
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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Байду номын сангаас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 。
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
本文转自《华东电力》2006年第10期
(上转第26页)
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
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型,精心施工,确保建成一个高质量的综合信息传输 网络 。
有线电视在工程上通常关心同轴电缆的衰减系 数、反射损耗等指标,而电缆屏蔽系数往往是容易忽 视的指标 。接入网具有传输综合信息的功能,同轴电 缆的电磁波屏蔽与漏泄则应引起重视。同轴电缆从早 期建设时使用藕芯电缆,到现在使用物理发泡聚乙烯 绝缘同轴电缆,其屏蔽效果均未能达到接入网的传输 要求。同轴电缆结构也在不断更新 、改造,从双屏 蔽、三屏蔽 、四屏蔽结构到铝管式屏蔽结构,同轴电 缆屏蔽系数有所提高,但是否能满足接入网传输要 求?电磁干扰影响程度究竟如何?有待大家进行理论 分析和实际测量 。
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
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