电缆屏蔽与接地_笔记

1.干扰原理1.1导线传输理想状况下导线只考虑电阻，实际状况（尤其是高频状况）下导线还应考虑分布参数（分布电容和分布电感）。

分布电容与分布电感乘积为常数：L C = 。

导线物理特征由特性阻抗描述：Z0 = √⁄，与导线的电压电流无关。

分布参数是干扰及其传导的主要原因。

分布电感：导线-导线 > 导线-导板 > 导板-导板分布电容：导线-导线 < 导线-导板 < 导板-导板特性阻抗：导线-导线 > 导线-导板 > 导板-导板1.2.1传输线长短导线长度s < 信号波长λ/10（或/4）信号传播时间t QZ < 0.5 * 信号沿上升时间t f导线长度s > 信号波长λ/1（或/4）波长是频率的函数：λ = c/ff < 3kHz → R >常量：高频电源波长1m，给灯泡供电，供电回路长度为2m以上。

变量：可平移导线将灯泡短路，并从靠近灯泡（远离电源）端至远离灯泡（靠近电源）端移动。

可平移导线构成将电路分为三个支路：可平移导线支路A与灯泡支路B和电源支路C。

常量：支路A阻抗Z A为常量，因电源频率和支路A长度为常量。

变量：支路B阻抗为Z B变量，因支路B长度随可平移导线的移动而变化。

变暗：可平移导线逼近灯泡某处时，支路B长度远小于电源波长/10，按照短线特性，应考虑电感，由于电源频率为高频，Z B》Z A，于是灯泡被短路，故灯暗。

变亮：可平移导线远离灯泡某处时，支路B长度大于电源波长/10，按照长线特性，仅考虑电阻，由于电源频率为高频，Z B与Z A数量级相当，于是灯泡不被短路，故灯亮。

变暗：可平移导线逼近电源某处时，支路C长度远小于电源波长/10，按照短线特性，应考虑电感，由于电源频率为高频，Z B》Z A，于是电源被短路，故灯暗。

注意：灯丝本身就是一根导线。

干扰抑制元件要就近安装在干扰源端或被保护设备端。

因为由以上解释，远端的干扰可以被忽略。

1.2.2共阻抗耦合常量：电路中有N个回路，第N个回路为电源与第N个支路构成，N个支路为为并联关系。

变量：第X（X = 1, 2, 3, .., N）个支路的阻抗由于高频噪声、脉冲噪声以及浪涌电压等发生变化，N个支路共用电压U N = U S– I S Z SU S = 电源电压，I S = 电路总电流，Z S = 电源内阻变量发生时，I S发生变化，于是共用电压U N发生变化，从而对其它支路产生影响。

此时N个支路应分开供电。

常量：系统中有N个电路，N个电路的负极共用一根地线，地线存在阻抗Z E。

变量：第X（X = 1, 2, 3, .., N）个电路的阻抗由于高频噪声、脉冲噪声以及浪涌电压等发生变化，N个电路共用地电势U E = I E Z E变量发生时，I E发生变化，于是共用地电势U E发生变化，从而对其它电路产生影响。

此时N个电路应分开接地或就近接地（接地线短则接地阻抗小）。

1.2.3传输线反射2 t QZ < t f（2倍信号从源到目的传播时间小于信号沿上升时间）t QZ接近5ns/m。

反射改变正常信号，产生多个干扰正负脉冲和有害冲击电压源端⁄，负载端⁄反射波为反射系数乘以入射波。

负载匹配（两个反射系数至少有一个为零，三种情况）（待）1.2.4传输线干扰干扰源通过磁场耦合在两根导线与设备构成的回路上，并产生感应电压，从而产生的干扰。

现象：以导线L为一线，以导线N为另一线，构成的传输回路上的干扰信号。

原因：？特性：差模信号大小（幅度）相等，方向相反，频率较低（小于1MHz）。

影响：产生电磁波辐射，且若非工作信号，则直接叠加于有用信号上。

抑制：？干扰源通过电场耦合在一根导线与系统地构成的回路上，并产生感应电压，从而产生的干扰。

现象：以导线一端A为一线，另一端B为另一线，通过耦合电容或直接连接的方式，与大地构成的传输回路上的干扰信号。

原因：导线两端对地电位差不同，导线本身对地电位差不零。

特性：大小（幅度）相等，方向相同，频率较高（大于1MHz）。

影响：产生电磁波辐射，且可转化为差模信号，干扰工作信号。

抑制：采用屏蔽线。

干扰源通过磁场耦合在两根导线与系统地构成的回路上，并产生感应电压，从而产生的干扰。

现象：以导线L为一线，以导线N为另一线，通过耦合电容或直接连接的方式，与大地构成的传输回路上的干扰信号。

原因：外磁场同时在L线盒N线上感应了相等幅度的感应电压。

特性：大小（幅度）相等，方向相同，频率较高（大于1MHz）。

影响：产生电磁波辐射，且可转化为差模信号，干扰工作信号。

抑制：采用平衡电路、隔离变压器、共模扼流圈、光电耦合器、光纤传输线。

共模扼流圈：共模信号在线圈中产生同方向感应磁通并叠加，从而对共模信号产生双倍抑制。

正常信号在线圈中产生反向感应磁通并抵消，从而对正常信号几无影响。

差动电路：RS232为全双工通信，电压方式，发送端TX和接收端RX皆以信号地GND作为基准点，构成两个信号回路，抗共模干扰能力较弱，可传输距离较短（西门子RS232C为15m）。

RS422和RS485则采用差动电路，信号回路不共地，抗共模干扰能力较强，传输距离可达1.2km。

1.2空间传输1.2.1传输场远近传输场分为电场和磁场。

电场与磁场的关系由波阻抗描述：Z0 = ⁄。

其中⁄，⁄。

场源为电场时，电场远大于磁场，波阻抗极大，故电场为高阻抗场源，场源为磁场时，磁场远大于电场，波阻抗极小，故磁场为低阻抗场源。

设备或电气柜内各环路间的电距离较短，一般为近场。

场源半径r < λ/10（或/2）。

近场性质与场源性质有关：电场场源表现的近场为高电压小电流，磁场场源表现的近场为低电压大电流。

一个3W的步话机可产生接近50V/m的电场，一般设备会产生10V/m的电场。

近场的波阻抗为常数 = 120 ohm，电场与磁场的衰减系数近似等于1/r。

场源半径r > λ/1（或/2）。

波长是频率的函数：λ = c/f。

1.2.2天线场效应辐射强度λI = 环路电流，A = 环路面积，λ = 信号波长。

减小环路面积：将进柜电缆安排在电控柜的同一侧。

大面积环路不仅辐射强度大，而且易受到干扰（接收能力强）。

信号回路中阻抗不匹配导致电磁波辐射，去掉负载则为双极子天线。

底端带有阻抗的线性物体。

若为发射天线，则电流沿线性物体转换成电场向外辐射，若为接收天线则反之。

电控柜内的导体如同杆式天线，为减小天线效应：柜内的导体长度要尽可能短，导体地角要尽可能小。

相互绝缘的铝杆可组成一个带有导向偶极子的定向天线。

为减小天线效应，应柜内所有金属部分可靠接地。

开槽的平板导体上的电流变化并产生电磁波时形成的槽状缝隙天线。

为减小天线效应，应增大相接金属接触面积，避免点、线相接。

1.2.3近电场耦合为简化计算，常用分布电容耦合来描述近电场耦合。

电场耦合与磁场耦合常同时存在，相当于信号回路中分别引入电压源和电流源。

干扰信号通过导线间分布电容从一个回路耦合到另一个回路。

低频时，耦合电压近似与频率和干扰电压成正比：| |高频时，耦合电压近似不变：| |⁄电容耦合主发于高频，于是增加对地电容可减小耦合电压，故要求信号回路应尽量接近金属部分或金属表面。

1.2.4近磁场耦合为简化计算，常用分布电感耦合来描述近磁场耦合。

干扰信号通过导线间的分布电感从一个回路耦合到另一个回路。

低频时，耦合电流近似与频率和干扰电流成正比：⁄高频时，耦合电流近似不变：⁄电感耦合主发于高频，尤其是电机等的电源线相互邻近的情况2.屏蔽原理隔离电磁场噪声源与敏感设备，切断噪声源传播路径。

对噪声源的屏蔽，防止噪声源向外辐射。

对敏感设备的屏蔽，防止敏感设备遭到噪声源干扰。

电场屏蔽衰减：|||⁄，电场屏蔽效能：磁场屏蔽衰减：||||⁄，磁场屏蔽效能：、 = 未屏蔽待测点的电场和磁场强度、 = 加屏蔽待测点的电场和磁场强度电场：引入高导电率材料作为屏蔽。

如法拉第笼。

磁场：引入高导磁率材料作为屏蔽。

主要使用漩涡电流作为屏蔽。

2.1电场屏蔽引入封闭金属体包围待屏蔽点，则不论金属体接地与否，体内均无感应静电场。

金属体不接地则仅被动屏蔽，金属体接地则亦有主动屏蔽。

因金属体不接地则外部感应电荷仍存在，仍会对外部设备造成影响。

引入金属板分隔干扰源与受干扰设备，金属板应接地。

在交变电场中，干扰源与受干扰设备通过近电场耦合来传输干扰。

在近电场耦合中，受干扰设备上的耦合干扰电压与耦合电容成正比。

引入金属板后，金属板与干扰源和受干扰设备分别构成耦合电容，且电容值均远大于干扰源与受干扰设备之间的耦合电容，因电容大小与电容极的面积成正比，于是干扰源与受干扰设备之间的耦合电容可以忽略不计。

此时，干扰源在金属板上耦合干扰电压，而此干扰电压又作为干扰源在受干扰设备上耦合干扰电压。

因此，若将金属板接地，则金属板上作为干扰源的干扰电压为零，于是受干扰设备上的耦合干扰电压为零。

若金属板不接地或接地电阻过大或接地不良，则手干扰设备上的耦合干扰电压将比未引入金属板前更大。

2.2磁场屏蔽引入封闭磁环体包围屏蔽点，封闭磁环体应具备低磁阻（高导磁率）特性，则造成环内磁短路。

仅引入封闭磁环则仅被动屏蔽，进一步对干扰源的磁力线进行分流，降低漏磁通则亦有主动屏蔽。

选择导电率高的导体或屏蔽体，则置于干扰磁场中时，漩涡电流较大，干扰磁场受抵消越强。

（变化的磁场在其垂面上产生电场，电势差方向按右手定则判。

电势差在导体回路中产生电流，电流方向与电势差方向相反。

电流在其垂面上产生另一磁场，磁场方向按右手定则判。

另一磁场与原磁场反向。

）柜体形成导电屏蔽体，当置于干扰磁场中时，漩涡电流沿其表面流动。

为减弱漩涡电流因开孔而导致的畸变，应沿漩涡电流的方向开孔，或开多个小孔来等效大孔。

（漩涡电流的畸变将导致对干扰磁场的抵消程度降低。

另，漩涡电流虽畸变而不减小。

）导体形成导电环路，当置于干扰磁场中时，漩涡电流沿其环路流动。

为减弱漩涡电流与导线中的电流叠加，应减小环路面积。

（漩涡电流磁场对干扰磁场的抵消程度与漩涡电流大小无关，而与导体的导电性能有关。

）（对于导线，同一回路的应集中紧凑布置。

对于母排，应尽量减小导体平面构成的环路面积。

）双绞线被动屏蔽：干扰磁力线穿过双绞线的每个绞结，因每个绞结面积相等，故感应电压同幅反向，互相抵消。

主动屏蔽：双绞线每个绞结在受干扰设备感应电压，因每个绞结面积相等，故感应电压同幅反向，互相抵消。

邻近电路不宜使用绞型（每米绞次）一致的双绞线，以免放大不需要的信号。

3.接地方式屏蔽层的屏蔽效果主要不在于屏蔽层对电磁场的反射和吸收，而在于其接地方式。

屏蔽层接地方式的多样性在于其屏蔽的对象是电场或磁场，并且同时适合主动和被动屏蔽。

3.1电场屏蔽的电缆屏蔽层接地方式电缆屏蔽层可视为干扰设备与受干扰设备之间的金属隔板。