屏蔽双绞线抗电磁干扰研究及其在城轨车辆上的应用

ｗｉｒｅｓ）ｉｓ
ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ ｓｉｍｐｌｅ ｃｒｏｓｓｔａｌｋ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｕｓｉｎｇ ｂｒｏａｄ
ｔｗｏ ｐｏｒｔｓ
ｎｅｔ
ｔｈｅｏｒｙ．Ａ
ｔｅｓｔ
ｍｏｄｅｌ
ｉｓ ｂｕｉｌｔ
ｔｏ ｔｅｓｔ
ＳＴＰ ｏｆ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ．Ｔｈｒｏｕｇｈ
５０
Ｑ或１ Ｑ。计算结果见图３，与文献［８】、［９】的实验结果
相符。从计算结果可以看出，在低于ｌＯ ＭＨｚ频率范围内， 双绞线抑制串扰能力随信号频率的升高而减小。当频率 小于１００ｋＨｚ，双绞线的抗干扰能力较强，但在高频时，出 现了振荡现象。同时终端阻抗较低时，双绞线抑制干扰能 力较强。
∞ 罩
图４干扰实验结果
式中：咖。（￡。）为单位链型参数矩阵。
‘（ｘ０） ‘（ｘ３）
（Ｘ３）
表１
双绞线绞距对抑制串扰的影响 Ｕ１（
然而在实际电路中，双绞线不可能完全消除电磁干 扰，一方面由于绞合在一起的两根导线的线路阻抗不可 能完全相同，另一方面由于周围的金属、施工中的牵拉、 弯曲等情况。因此在某些情况下需要知道串扰大小，下面 将建立双绞线串扰简化预测模型，估算双绞线串扰的大 小，以供参考。
收稿日期：２００６—０５—２８
进行验证。
１抗干扰机理
由电磁感应知识可知，抑制电磁感应的方法中，缩小 感应回路圈围面积是一种有效的方法。线对绞合的结果， 必然是减少感应回路的面积，同时理想状况下双绞线绞 环中感应的电磁场相互抵消，从而降低了外界电磁场对 双绞线的干扰以及双绞线线对之间的串音干扰。下面将 具体对比分析。 如图１所示，电感耦合关系到单位长度上两电路上 的互感情况。两电路之间的互感的大小取决于源电路产 生的磁通量穿过感应线和地平面之间的面积大小，即 图Ｉ（ａ）中的阴影部分。 如果将两个接收线扭绞在一起，如图１（ｂ）所示（实际 电路中，两线分别由绝缘层包裹着，紧紧地扭绞在一起）， 与图１（ａ）相比其接收环面积变得很小，即图１（ｂ）中的阴
７０
（ｂ） 图３计算结果
３屏蔽层接地方式测试和数据分析
由于机车电磁环境的恶劣，仅仅靠双绞线自身的扭 绞来抑制干扰是远远不够的，必须借助屏蔽层的保护，以 实现设备或子系统间的电磁兼容。所以，在实际机车线广 播系统和显示系统中，一般选取屏蔽双绞线进行布线。屏 蔽层不仅防止外部干扰进入绞线（即便通过编织缝隙进 入，那也是很小的一部分），同时又控制自身信号对外辐 射干扰（绞线自身在一定程度上也可以做到）。可以这样 说，屏蔽双绞线综合了双绞线和屏蔽层的优点，在一定程 度上使得双绞线与外部环境相互独立。但这必须是在根 据信号频率，进行合理的屏蔽层接地情况下才能实现，否 则将引入新的干扰。下面将对比分析屏蔽层接地方式对 抑制干扰的影响。
Ｓｔｕｄｙ
ｏｎ
ＥＭＩ－ｆｒｅｅ
ｏｆ ＳＴＰ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ
ｍａｓｓ
ｔｒａｎｓｉｔ ｖｅｈｉｃｌｅｓ
ＭＡ Ｍｉｎｇ １，ＹＡＮＧ Ｚｈｉ－ｒｅｎ２，ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏ－ｑｉｎ９１
（１，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４４，Ｃｈｉｎａ；
ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｎ
ｔｈｅ
ｔｅｓｔ
ｄａｔａ，ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ ｌａｙｅｒ ｗｉｔｈ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｔｅｒｍｉｎａｌｓ ｉｓ
ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ａｎ
ｅｘａｍｐｌｅ ｏｆ ＳＴＰ ｉｎ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｉｔ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ｉｓ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅｓ
，２（戈。）ｌ
矩阵：
Ｉ，２（戈。）
假设整个双绞线共有ｍ个绞环，则整个双绞线链参
嘶＝（肿。）”（ｍ为偶数），ｃｏｔ＝蛾（胞）州（ｍ为奇数）。
－１５－
万方数据
电力机车与城轨车辆・２００６年第５期
故整个双绞线传输线方程可写为：
本文采用文献【１０］中的测试装置，测试频率为
脚Ｈ捌
【，（）＝多２ｌ以＋【口吃一痧２。磊 ）
，ｌ（省２）
将式（３）代人式（１）、式（２）得： 巩（并，） 矾（算，） ，２（双） １１（戈３） ＵＩ（茗。
＝蛾臆
配（茗ｏ ，ｌ（戈ｏ） 厶（戈。）
（４）
再增加一个扭绞环节，即再引入一个置换矩阵Ｐ，则 式（４）变为：
Ｕｌ（ｘ。）］
巩（札） Ｉｉ（勘）
ｆＵ。（‰）
廿硒。肿。
觇（石。） Ｉｉ（ｘｏ）
（５）
作者简介：马明（１９８２一），男，电力系统及其自动化专业在读硕士研究生，研究方向为城市轨道交通的电磁兼容性。
．１４．
万方数据
马明等・屏蔽双绞线抗电磁干扰研究及其在城轨车辆上的应用・２００６年第５期
影部分。更重要的是在理想情况下，源电路产生的磁通
线间的串扰电压。 从图ｌ（ｂ）提取一个扭绞部分，如图２所示，其中地面 可以是金属表面或参考导线。把每一个环近视看成长度 为厶的均匀直导线，并假设扭绞部分间隔为零，从而得到 下列方程： Ｕｌ（菇１） ％（戈。） Ｉｉ（菇１） ＝哦（Ｌ。） Ｕｌ（戈ｏ） ％（‰） Ｉｉ（龙ｏ） ，２（‰） 巩（戈：）。 Ｕｌ（戈２） ＝哦（Ｌ。） 厶（戈：）
（２）
量，在每个环中感应的电磁场晗好相互抵消。如果扭绞线
的环数是偶数，则电感耦合分量为零。如果扭绞线的环数 是奇数，总的电感耦合只等效为一个环的作用。可见使用 双绞线可大大地降低电路中的电感耦合干扰。
图１两电路之间的互感对比分析
／２（茄１） 以（戈，） Ｕｌ（戈３） ，２（ｚ，）
同时双绞线还可以降低导线之间的非平衡性互电 容，有利于平衡传输，可以降低衰减，并可保持恒定的特 性阻抗。 双绞线对串扰的抑制能力还与干扰源频率、线绞距， 终端电阻有关，表１只列出绞距对抑制串扰的影响（绞线 终端接１００ Ｑ电阻，测试频率为５０ ｋＨｚ）。
４应用实例
基于上述原理和测试数据分析，发现图４（ｆ）、图４（ｈ） 采取屏蔽层单点接地，满足实际应用情况。图４（ｈ）屏蔽
－１６．
厶（ｘ：）
往往是两个或多个干扰量的综合结果，即Ｅ＝艺Ｅｉ＝
Ｅ。＋Ｅ２＋Ｅ３＋…，假设其中一个干扰量玩满足日远大于 Ｅ，，玫，…，则只有分析和降低主导干扰量日，才能效的降 低干扰总量Ｅ。对于双绞线来说，差模信号为有用信号， 而共模信号在负载端的响应相互抵消。因此当注重互连 设备的高频传导干扰响应，即高频传导干扰在传输线负 载（设备）上产生的响应时，可将串扰模型简化为差模信 号产生的干扰，具体模型建立如下。 由于双绞线是由两根导线在空间３６００绞合而成的 非均匀传输线，所以单位长度上的参数计算变得非常困 难。另外，传输线方程也将变为不定系数的微分方程，求 解很不容易。故本文借鉴文献【７】中利用广义二端口网络 对平行传输线的分析方法，将非均匀传输线看作一组均 匀传输线按特定方式的级联，建立链参控制方程，通过求 解链参方程确定电压和电流沿导线分布，进一步确定导
第２９卷第５期 ２００６年９月２０日
电力机车与城轨车辆
Ｅｋｃｔｒｉｃ
Ｖ０１．２９ Ｎｏ．５ Ｓｅｐ．２０ｔｈ，２００６
Ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅｓ＆Ｍａｓｓ
Ｔｒａｎｓｉｔ Ｖｅｈｉｃ／ｅｓ
屏蔽双绞线抗电磁干扰研究及其在 城轨车辆上的应用
马明１，杨志仁２张小青１
（１．北京交通大学电气工程学院，北京１０００４４；２．长春轨道客车股份有限公司，吉林长春１３００６２） 摘要：针对城轨车辆上不同设备和子系统之间的电磁兼容问题，分析了用于设备和子系统互连的屏蔽双绞线的抗 电磁干扰机理，并利用广义二端口网络，建立双绞线串扰简化模型。对屏蔽层不同端接方式进行了测试，并对测试数据进 行分析，为屏蔽层合理接地提供了依据。最后给出了一个屏蔽双绞线应用于城轨车辆的实例。 关键词：屏蔽双绞线；电磁干扰；二端口网络；串扰；城轨车辆 中图分类号：ＴＭ２４６＋．２；Ｕ２７０．３８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—１１８７（２００６）０５－－００１４—０４
图４（ａ）其屏蔽层虽是一端接地，但不作信号电流回 线作用，在此频率上对磁场基本上没有抑制作用，１
ＭＱ
电阻上测得实际噪声电压为０．８ Ｖ。以此为参考标准，定 为０ｄＢ，用来比较其他连接和接地方式的性能。图４（ｂ）、 图４（ｃ）使用双绞线，其余为屏蔽双绞线。图４（ｂ）由于两 端接地，地线阻抗与信号线阻抗不对称，地电流造成双绞 线不平衡，因此降低了双绞线抗磁场干扰的能力。图４（ｃ） 采用单点接地，对磁场干扰具有高达５５ ｄＢ的衰减能力。 图４（ａ）对抑制干扰的改善并无帮助。若屏蔽层两端都接 地，图４（ｅ）的绞线结构所提供的衰减量应高于５５ ｄＢ，若 无法取得更高的衰减量，其原因可能是电场干扰的影响。
２．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３００６２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ＥＭＣ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｓｕｂｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｍａｓｓ ｔｒａｎｓｉｔ ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ＥＭＩ－ｆｒｅｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ＳＴＰ（ｓｈｉｅｌｄｅｄ ｔｗｉｓｔｅｄ－ｐａｉｒ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＴＰ（ｓｈｉｅｌｄｅｄｔｗｉｓｔｅｄ－ｐａｉｒｗｉｒｅｓ）；ＥＭＩ；ｔｗｏｐｏｒｔｓｎｅｔ；ｃｒｏｓｓｔａｌｋ；ｍａｓｓｔｒａｎｓｉｔ
０引言
近年来，大量新技术新产品的应用，使得机车电磁环 境越来越复杂。电磁兼容性是城轨车辆研究和生产所面 临的一个重要课题。文献【１】介绍了机车车辆产生的电磁 波电平的测量例子和对电磁场的相关规定；文献【２］、［３】全 面分析了机车上存在的电磁干扰现象，并做出ＥＭＣ设计 方案；文献［４】、［５】对车辆电子装置的电磁兼容问题作了研 究。本文将在前面研究的基础上，对城轨车辆上设备和子 系统之间的电磁兼容问题进行研究。 考虑城轨车辆本身复杂的电磁环境，故一般采用抗 电磁干扰较强且价格较低的屏蔽双绞线进行设备和系统 互连，以实现设备和子系统特别是敏感系统：如广播系 统，计算机网络等之间的电磁兼容性。本文将分析屏蔽双 绞线的抗电磁干扰机理，建立双绞线串扰简化模型，并通 过实验对比分析屏蔽层的不同接地方式，最后通过实例