1、1电缆的静电屏蔽和电磁屏蔽电缆的静电屏蔽和电磁屏蔽2 本章阐述用屏蔽来抑制静电感应和电磁感应的基本原理和方法。本章阐述用屏蔽来抑制静电感应和电磁感应的基本原理和方法。 电缆之所以重要是因为它不仅是控制系统中最长的部分，容易电缆之所以重要是因为它不仅是控制系统中最长的部分，容易通过近场的耦合对控制系统产生干扰；而且它还类似于一根拾取和通过近场的耦合对控制系统产生干扰；而且它还类似于一根拾取和辐射噪声的高效天线。辐射噪声的高效天线。 本章我们将讨论与此有关的三种类型的耦合：本章我们将讨论与此有关的三种类型的耦合：1 1）电容性耦合电容性耦合。它起源于线路间。它起源于线路间电场电场的相互作用。的相互
2、作用。2 2）电感性耦合电感性耦合。它起源于线路间。它起源于线路间磁场磁场的相互作用。的相互作用。3 3）电磁场耦合电磁场耦合。它是。它是电场和磁场电场和磁场相结合的混合作用的耦合。故也被相结合的混合作用的耦合。故也被称为电磁耦合或辐射耦合。称为电磁耦合或辐射耦合。31 1 电容性耦合噪声和其抑制方法电容性耦合噪声和其抑制方法1.1 1.1 耦合机理耦合机理 两导线间的电容性耦合如图所示。两导线间的电容性耦合如图所示。C Cs s为噪声导体（如电源线）为噪声导体（如电源线）和受感应导体（如信号线）间的分布电容，和受感应导体（如信号线）间的分布电容，C CL L为受感应导体的对地为受感应导体的对
3、地电容，电容，R RL L为受感应导体的总电阻值，为受感应导体的总电阻值，Z Z为为C CL L和和R RL L的并联阻抗。的并联阻抗。U US S为噪为噪声电压，设声电压，设U Un n为感应的噪声电压。为感应的噪声电压。噪声噪声导体导体C CS S噪声噪声电压电压U US S受感应受感应导体导体C CL LR RL LUn并联阻抗并联阻抗Z4电容性耦合的等效电路电容性耦合的等效电路噪声噪声导体导体CS噪声噪声电压电压US受感应受感应导体导体CLR RL LUn并联阻抗并联阻抗ZUsCsC CL LR RLU5 利用利用CsCs和和Z Z之间的分压公式就可以求出在受感应导体和地之间的分压公式
4、就可以求出在受感应导体和地之间产生的噪声电压之间产生的噪声电压UnUn为：为： 当噪声电压的频率较低时，阻抗当噪声电压的频率较低时，阻抗RLRL远小于远小于CLCL和和CsCs的阻抗时，的阻抗时，则为则为: : 感应的噪声电压感应的噪声电压UnUn正比于噪声源的频率正比于噪声源的频率f f、受感应导体的总电、受感应导体的总电阻值阻值R RL L、分布电容、分布电容C Cs s以及噪声电压以及噪声电压U US S。 6 当噪声电压的频率较高时，当噪声电压的频率较高时，R RL L阻抗远大于阻抗远大于C CL L和和C Cs s的阻抗时，则的阻抗时，则为为: : 因为因为C CL L远大于远大于C
5、 Cs s，所以上式又可简化为，所以上式又可简化为 7 当当RLRL阻抗远大于阻抗远大于C CL L和和C Cs s的阻抗时，感应的噪声电压正比于的阻抗时，感应的噪声电压正比于C CS S和和C CL L的比值，和噪声电压的频率无关。的比值，和噪声电压的频率无关。 感应的噪声电压的频率特性如图所示。感应的噪声电压的频率特性如图所示。 fU81.2 1.2 电容性耦合的抑制措施电容性耦合的抑制措施 电容性耦合噪声的大小，正比于下列因素：电容性耦合噪声的大小，正比于下列因素：1 1）噪声电压；）噪声电压；2 2）噪声频率；）噪声频率；3 3）两导体间的分布电容；）两导体间的分布电容；4 4）受感应
6、体的对地阻抗。）受感应体的对地阻抗。 上述的诸因素中，噪声电压、噪声频率、受感应体的总电阻值上述的诸因素中，噪声电压、噪声频率、受感应体的总电阻值往往是不可控的。所以往往是不可控的。所以抑制电容性耦合的最基本方法是减少与噪声抑制电容性耦合的最基本方法是减少与噪声导体间的分布电容。导体间的分布电容。而减少两导体间的分布电容的最简单的方法就而减少两导体间的分布电容的最简单的方法就是加大与噪声导体之间的距离。是加大与噪声导体之间的距离。 但有时候受条件限制，无法用加大与噪声导体之间的距离来减但有时候受条件限制，无法用加大与噪声导体之间的距离来减少两导体间的分布电容时，此时采用少两导体间的分布电容时，
7、此时采用静电屏蔽静电屏蔽的方法是十分有效的。的方法是十分有效的。91.3 1.3 电容性耦合和距离的关系电容性耦合和距离的关系 两根直径为两根直径为d d，间距为，间距为D D的平行导线间的分布电容的平行导线间的分布电容CsCs为：为： Cs=/coshCs=/cosh-1-1(D/d) (F/m)(D/d) (F/m) 当当D/dD/d大于大于3 3时，时，CsCs减小为减小为 Cs=/ln(2D/d) (F/m)Cs=/ln(2D/d) (F/m)式中：式中：自由空间的介电常数，其值为自由空间的介电常数，其值为8.858.851010-12 -12 F/mF/m。 由上式可知，由上式可知，
8、减少两导体间的分布电容的最简单的方法是加大与减少两导体间的分布电容的最简单的方法是加大与噪声导体之间的距离噪声导体之间的距离D D和减小线径和减小线径d d。1090m3k2mm(10mm)2mm2.1V(0.32V)AC100V50H11 所以，为什么在工业现场，所以，为什么在工业现场，不允许将信号线和交流电不允许将信号线和交流电源线设在同一根电缆里，而且还需要将信号线和电源线源线设在同一根电缆里，而且还需要将信号线和电源线以及高频信号线等保持一定的距离。以及高频信号线等保持一定的距离。121.41.4屏蔽对电容性耦合的影响屏蔽对电容性耦合的影响 噪声噪声导体导体受感应受感应导体导体分布分布
9、电容电容C CS S噪声噪声电压电压U US S屏蔽层屏蔽层对地对地电容电容CLC13 当受感应导线的外层包了屏蔽层后当受感应导线的外层包了屏蔽层后( (见图见图) )，前面所述的感应的，前面所述的感应的噪声电压噪声电压UnUn便作用在屏蔽层上。便作用在屏蔽层上。 如果屏蔽层不接地，受感应导体和屏蔽层之间的分布电容如果屏蔽层不接地，受感应导体和屏蔽层之间的分布电容CesCes上上没有电流，则受感应导体上接受到的噪声电压就是屏蔽体上所感应没有电流，则受感应导体上接受到的噪声电压就是屏蔽体上所感应的噪声电压。的噪声电压。 如果屏蔽体接地，因为屏蔽层上的电压为零，所以受感应导体如果屏蔽体接地，因为屏
10、蔽层上的电压为零，所以受感应导体上的噪声电压也为零。上的噪声电压也为零。 由于受感应导线不可能全部封闭在屏蔽体内（包括导体两端外由于受感应导线不可能全部封闭在屏蔽体内（包括导体两端外露和编织屏蔽层的空隙）露和编织屏蔽层的空隙）, ,所以实际情况要复杂一些。所以实际情况要复杂一些。 为了获得良好的电场屏蔽，需要做到：为了获得良好的电场屏蔽，需要做到：1 1）最大限度的减小中心导线延伸到屏蔽之外部分的长度；）最大限度的减小中心导线延伸到屏蔽之外部分的长度；2 2）为屏蔽层提供一个良好的接地。）为屏蔽层提供一个良好的接地。14 这里这里, ,我们讨论的是受感应导体屏蔽的情况。如果我们将噪声导我们讨论
11、的是受感应导体屏蔽的情况。如果我们将噪声导体进行屏蔽并接地体进行屏蔽并接地, ,同样可以起到抑制电场耦合的作用。所以同样可以起到抑制电场耦合的作用。所以在工业在工业现场，无论是电源电缆，或者是信号电缆，都应采用屏蔽型电缆现场，无论是电源电缆，或者是信号电缆，都应采用屏蔽型电缆。15采用屏蔽的效果要比拉开间距显著采用屏蔽的效果要比拉开间距显著20mm20mm20mm20mm2 2个继电器个继电器电感电感50H50H内阻内阻700700欧欧ACAC110V110V1M欧欧500500欧欧S16 上图是一个上图是一个比较屏蔽和拉开间距的效果比较屏蔽和拉开间距的效果的试验例子。的试验例子。 干扰源是采
12、用两个并联的继电器，当用开关干扰源是采用两个并联的继电器，当用开关S S将通电的继电器线将通电的继电器线圈突然断开时，线圈所产生的反冲电压可达圈突然断开时，线圈所产生的反冲电压可达1000V1000V以上。这种反冲电以上。这种反冲电压波形的前沿具有很大的变化速率，由此在导线上所产生的电力线压波形的前沿具有很大的变化速率，由此在导线上所产生的电力线改变的速率也非常高。这是一个含有相当改变的速率也非常高。这是一个含有相当高频率成分的噪声源高频率成分的噪声源。此。此外，接点间的火花放电也产生频谱很宽的噪声。外，接点间的火花放电也产生频谱很宽的噪声。 由实验可知（实验数据见后表），用编织网进行屏蔽的话
13、，感由实验可知（实验数据见后表），用编织网进行屏蔽的话，感应出的噪声很小。若用增加两线间的距离应出的噪声很小。若用增加两线间的距离d d，还是能感应出几十伏的，还是能感应出几十伏的噪声电压。所以，噪声电压。所以，静电屏蔽抑制电容性耦合噪声的效果一般要比拉静电屏蔽抑制电容性耦合噪声的效果一般要比拉开间距减小分布电容的效果来得显著。开间距减小分布电容的效果来得显著。17线间距离线间距离d(mm)d(mm)感应的噪声电压感应的噪声电压导线导线编织网屏蔽导线编织网屏蔽导线040V90V0.25V0.7V17012V30V0.15V0.6V5107V20V0.05V0.3V182 2 电感性耦合噪声和其
14、抑制方法电感性耦合噪声和其抑制方法2.1 2.1 耦合机理耦合机理 从物理学可知，线圈切割磁力线会感应出电动势。反之，线圈从物理学可知，线圈切割磁力线会感应出电动势。反之，线圈不动，周围的磁力线发生变化，也同样会在线圈两端感应出电动势。不动，周围的磁力线发生变化，也同样会在线圈两端感应出电动势。所以一根导线，当流过它的电流大小发生变化时，在其周围就会产所以一根导线，当流过它的电流大小发生变化时，在其周围就会产生出变化的磁场。若在这个交变的磁场中有另一个电路回路，就会生出变化的磁场。若在这个交变的磁场中有另一个电路回路，就会在回路中感应出电动势。这两部分在回路中感应出电动势。这两部分通过磁力线形
15、成的耦合，其程度通过磁力线形成的耦合，其程度可用互感可用互感M M来表示。来表示。 20 噪声源电压为噪声源电压为U Ui i，U Ui i在导体在导体Z Z1 1回路上产生的电流为回路上产生的电流为I I，则在，则在Z Z2 2回回路上产生的感应电压为：路上产生的感应电压为： U UN N=j=jMI MI 或或 U UN N=Mdt/di=Mdt/di由式可见，电感性耦合的噪声大小正比于由式可见，电感性耦合的噪声大小正比于 A.A.噪声源回路的电流噪声源回路的电流I I变化率变化率di/dtdi/dt； B.B.互感互感M M。 一般而言，噪声源回路的电流一般而言，噪声源回路的电流I I变
16、化率是不可控的，有效的方法变化率是不可控的，有效的方法是如何减是如何减小互感小互感M M。减小互感减小互感M M的方法有的方法有： A.A.拉开回路之间的拉开回路之间的耦合距离耦合距离，包括回路之间的相对位置；，包括回路之间的相对位置； B.B.尽可能减小噪声回路和感应回路的尽可能减小噪声回路和感应回路的环路面积环路面积； C.C.采用采用电磁屏蔽电磁屏蔽，包括双绞电缆和同轴电缆的使用。，包括双绞电缆和同轴电缆的使用。21例：例：某信号线与电压为某信号线与电压为220VAC220VAC、负荷为、负荷为10kVA10kVA输电线的距离为输电线的距离为1 1米，米，并平行走线并平行走线1010米，
17、两线之间的互感为米，两线之间的互感为4.2H4.2H，则信号线上感应的干扰，则信号线上感应的干扰电压为电压为 U UN N = = MI=23.14500.000004210000/220 =59.98 mV MI=23.14500.000004210000/220 =59.98 mV 当信号电压为（当信号电压为（1-51-5）V V的信号，这个干扰电压的大小即相当于的信号，这个干扰电压的大小即相当于增加了增加了1.5%1.5%的误差。的误差。222.2 2.2 回路之间的相对位置与耦合程度的关系回路之间的相对位置与耦合程度的关系 I5A10A15AUab40mV85mV130mV23I5A1
18、0A15AUab100mV190mV280mV24 一般而言，两个回路的平面相互垂直比平行其耦合要一般而言，两个回路的平面相互垂直比平行其耦合要小。两个回路的环形面积愈小愈好。小。两个回路的环形面积愈小愈好。252.3 2.3 对作为噪声源的导线施行的电磁屏蔽对作为噪声源的导线施行的电磁屏蔽 图所示的导线图所示的导线ABAB流过电流时，便成为流过电流时，便成为向外界发出磁通的噪声源向外界发出磁通的噪声源。 AB干扰源干扰源I负载负载26 如果对导线如果对导线ABAB增加屏蔽体，并按图连接。电流在流经负载后，增加屏蔽体，并按图连接。电流在流经负载后，全部通过导体的屏蔽体返回到干扰源的地。由于全部
19、通过导体的屏蔽体返回到干扰源的地。由于流过屏蔽体上的电流过屏蔽体上的电流也产生磁通，且与导体产生的磁通大小相等而方向相反流也产生磁通，且与导体产生的磁通大小相等而方向相反，这样在，这样在屏蔽体的外面，不存在磁通，即导线屏蔽体的外面，不存在磁通，即导线ABAB被电磁屏蔽了。被电磁屏蔽了。AB干扰源干扰源负载负载27 如果将干扰源和负载都接地如果将干扰源和负载都接地, ,当信号源和负载都接地时，由于流当信号源和负载都接地时，由于流过屏蔽体的电流过屏蔽体的电流I I2 2小于导线小于导线ABAB内的电流内的电流I I，所以，所以I I2 2所产生的抵消磁通所产生的抵消磁通也比原来的小。也比原来的小。
20、 然而，屏蔽体有一个重要的特性参数，即然而，屏蔽体有一个重要的特性参数，即截止频率截止频率c=Rs/Lsc=Rs/Ls，其中其中RsRs和和LsLs分别为屏蔽体的电阻和电感。分别为屏蔽体的电阻和电感。28如果沿接地环路如果沿接地环路A-B-C-D-AA-B-C-D-A，可列出方程式：，可列出方程式：式中式中M M为屏蔽体与中心导体间的互感，其值等于为屏蔽体与中心导体间的互感，其值等于Ls,Ls,代入得：代入得： 由式可知，当导体中流经的电流其频率远大于由式可知，当导体中流经的电流其频率远大于截止频率截止频率c=Rs/Lsc=Rs/Ls时，绝大部分电流流过屏蔽体，屏蔽效果很好。时，绝大部分电流流
21、过屏蔽体，屏蔽效果很好。当频率低于当频率低于5c5c时，大部分电流从地面返回，屏蔽作用较小（所以低频时，不宜两时，大部分电流从地面返回，屏蔽作用较小（所以低频时，不宜两端接地）。大多数电缆的截止频率在数千赫到数十千赫之间。端接地）。大多数电缆的截止频率在数千赫到数十千赫之间。292.4 2.4 对作为信号线路施行的电磁屏蔽对作为信号线路施行的电磁屏蔽( (即外部已有一个干扰的磁场即外部已有一个干扰的磁场) ) a)b)c)d)信号源信号源负载负载信号源信号源负载负载信号源信号源30 几种情况的几种情况的对比对比: : 图图a)a)是不加屏蔽，易受外界磁通的影响。是不加屏蔽，易受外界磁通的影响。
22、 图图b)b)是加不接地的屏蔽，由于是加不接地的屏蔽，由于不能减小回路的包围面积不能减小回路的包围面积，无电，无电磁屏蔽的效果。磁屏蔽的效果。 图图c)c)是加一端接地的屏蔽，是加一端接地的屏蔽，也不能减小回路的包围面积也不能减小回路的包围面积。 图图d)d)是加屏蔽体是加屏蔽体两端接地两端接地，可以减小回路的包围面积可以减小回路的包围面积，有电磁，有电磁屏蔽作用。屏蔽作用。 当然这是有前提的，当然这是有前提的，电流电流I I的频率远大于导线的截止频率，的频率远大于导线的截止频率，否否则，大部分返回电流也将从地面回路返回，也不能减小回路的包围则，大部分返回电流也将从地面回路返回，也不能减小回路
23、的包围面积。面积。31 我们常用屏蔽导线来防止外界磁通对导线的影响，其实这不是我们常用屏蔽导线来防止外界磁通对导线的影响，其实这不是利用屏蔽体的磁屏蔽特性实现屏蔽的，而是利用屏蔽体的磁屏蔽特性实现屏蔽的，而是将非磁性屏蔽体包在导将非磁性屏蔽体包在导体周围，并让它成为流经导线返回电流的一个通路，起到使电流的体周围，并让它成为流经导线返回电流的一个通路，起到使电流的回路所包围的面积最小，使接收外界磁通影响为最小回路所包围的面积最小，使接收外界磁通影响为最小 。322.5 2.5 双绞线的电磁屏蔽原理及其应用双绞线的电磁屏蔽原理及其应用1 1）对作为噪声源的导线实施电磁屏蔽）对作为噪声源的导线实施电
24、磁屏蔽环内有磁通产生环内有磁通产生环外磁通基环外磁通基本被抵消本被抵消332 2）对信号线实施电磁屏蔽）对信号线实施电磁屏蔽 外磁通外磁通外磁通在导线上外磁通在导线上的感应相互抵消的感应相互抵消34 双绞线的屏蔽效果随每单位长度的绞合数的增加而提高（见双绞线的屏蔽效果随每单位长度的绞合数的增加而提高（见表）。表）。 表中的噪声衰减度系指平行导线时的干扰磁场值和采用双绞线表中的噪声衰减度系指平行导线时的干扰磁场值和采用双绞线后的干扰磁场值之比。但是，每单位长度的绞合数愈大，耗资也后的干扰磁场值之比。但是，每单位长度的绞合数愈大，耗资也大，从表大，从表2.22.2看，绞距为看，绞距为50mm50m
25、m左右就可以了。左右就可以了。 由于双绞线使用十分方便，价格较低，屏蔽效果也较好，所由于双绞线使用十分方便，价格较低，屏蔽效果也较好，所以，在工程中常用到它。如果以，在工程中常用到它。如果双绞线再加金属编织网双绞线再加金属编织网就可以克服双就可以克服双绞线易受静电感应的缺点，使其屏蔽效果更好。双绞线和屏蔽双绞绞线易受静电感应的缺点，使其屏蔽效果更好。双绞线和屏蔽双绞线线常用于频率低于常用于频率低于100kHz100kHz的屏蔽的屏蔽。35几种不同双绞线的效果比较几种不同双绞线的效果比较 试验条件试验条件噪声衰减度噪声衰减度比例比例dBdB平行导线平行导线10 0双绞线（双绞线（1 1绞绞/10
26、1.6mm)/101.6mm)14：12323双绞线（双绞线（1 1绞绞/76.2mm)/76.2mm)71：13737双绞线（双绞线（1 1绞绞/50.8mm)/50.8mm)112：14141双绞线（双绞线（1 1绞绞/25.4mm)/25.4mm)141：14343金属导管内平行线金属导管内平行线2222：1 362.6 2.6 同轴电缆和屏蔽双绞线同轴电缆和屏蔽双绞线 双绞线和双绞线和屏蔽双绞线屏蔽双绞线虽然非常虽然非常适用频率低于适用频率低于100kHz100kHz的屏蔽的屏蔽，但，但因为有较大的电容，故不适用于高频或高阻抗回路。因为有较大的电容，故不适用于高频或高阻抗回路。 同轴电
27、缆是一种特制的用金属编织网作屏蔽的电缆，在很大的同轴电缆是一种特制的用金属编织网作屏蔽的电缆，在很大的范围内，范围内，具有均匀不变的低损耗的特性阻抗具有均匀不变的低损耗的特性阻抗，可用于从直流到甚高，可用于从直流到甚高频乃之超高频的频段频乃之超高频的频段。37 导线的屏蔽要十分注意屏蔽体的接地问题。导线的屏蔽要十分注意屏蔽体的接地问题。 无论是屏蔽双绞线，或者同轴电缆，为了抑制电容性耦合，无论是屏蔽双绞线，或者同轴电缆，为了抑制电容性耦合，一般是单端接地，通常是在控制室侧接地一般是单端接地，通常是在控制室侧接地。对同轴电缆，当频率低。对同轴电缆，当频率低于屏蔽体截止频率时，因此时大部分的返回电
28、流经过地面而不是经于屏蔽体截止频率时，因此时大部分的返回电流经过地面而不是经过屏蔽体，因而不能起到电磁屏蔽作用。过屏蔽体，因而不能起到电磁屏蔽作用。 38 只有在高频（大于只有在高频（大于1MHz)1MHz)时才将屏蔽体两端接地时才将屏蔽体两端接地。或者，一端接地，另一端通过小电容再接地。或者，一端接地，另一端通过小电容再接地。这样，在低频这样，在低频时，电容有较大的阻抗，可认为是一端接地；高频时，电容阻抗变时，电容有较大的阻抗，可认为是一端接地；高频时，电容阻抗变小，则成为两端接地。高频时，由于地电位差在电路中引起的噪声小，则成为两端接地。高频时，由于地电位差在电路中引起的噪声电压，其频率成
29、分主要是工频信号及其谐波，容易被滤去。电压，其频率成分主要是工频信号及其谐波，容易被滤去。 39 下图是在下图是在低频低频时屏蔽双绞线和同轴电缆的接地方法。它们均采用时屏蔽双绞线和同轴电缆的接地方法。它们均采用单端接地单端接地，以，以避免因地电位差造成的环流避免因地电位差造成的环流，影响屏蔽的效果。，影响屏蔽的效果。图40屏蔽双绞线和同轴电缆一端屏蔽和两端屏蔽的效果比较屏蔽双绞线和同轴电缆一端屏蔽和两端屏蔽的效果比较 如果在实际应用中如需要两端都接地时，应在线路中使用隔离如果在实际应用中如需要两端都接地时，应在线路中使用隔离变压器或光电隔离器，以变压器或光电隔离器，以切断对地回路切断对地回路。
30、 在在高频高频时（大于时（大于1MHz)1MHz)屏蔽体可以两端接地。屏蔽体可以两端接地。一端接地一端接地两端接地两端接地80dB80dB27dB70dB70dB13dB412.7 2.7 电容性耦合与电感性耦合噪声的比较电容性耦合与电感性耦合噪声的比较判断方法判断方法 噪声变化情况噪声变化情况说明说明 电感性耦合电感性耦合 电容性耦合电容性耦合如电缆屏蔽层单端接地，如电缆屏蔽层单端接地，将接地端断开将接地端断开不变不变变化变化见见2.1.4章节章节42 另外，另外， 高电压高电压回路，容易成为回路，容易成为电容性耦合电容性耦合的噪声源；的噪声源； 大电流大电流回路，容易成为回路，容易成为电感
31、性耦合电感性耦合的噪声源。的噪声源。 电容性耦合噪声对受影响的电路是属于电容性耦合噪声对受影响的电路是属于共模噪声共模噪声； 电感性耦合噪声对受影响的电路是属于电感性耦合噪声对受影响的电路是属于串模噪声串模噪声。43 当控制系统遭雷击时当控制系统遭雷击时，由于雷电电磁脉冲的磁场强度非常强，由于雷电电磁脉冲的磁场强度非常强大，本章讨论的电缆的屏蔽方法还不足以抑制雷电波的生成。此大，本章讨论的电缆的屏蔽方法还不足以抑制雷电波的生成。此时，应采用时，应采用电缆的双层屏蔽电缆的双层屏蔽: : 两个屏蔽层的层与层之间是绝缘的；两个屏蔽层的层与层之间是绝缘的； 内层单端接地，抑制电容性耦合；内层单端接地，
32、抑制电容性耦合； 外层两端或多端接地，抑制电感性耦合，噪声电流只能在外屏蔽层上流外层两端或多端接地，抑制电感性耦合，噪声电流只能在外屏蔽层上流动。动。（这部分内容留在第（这部分内容留在第4 4章章 控制系统的雷电保护控制系统的雷电保护 中再作详细讨论。）中再作详细讨论。）443 3 电磁场耦合噪声和其抑制方法电磁场耦合噪声和其抑制方法 3.1 3.1 近场和远场（感应场和辐射场）近场和远场（感应场和辐射场） 辐射源附近称近场，距离大于辐射源附近称近场，距离大于/2/2（为电磁波的波长）的为电磁波的波长）的地方称远场，这是一种约定。地方称远场，这是一种约定。 波长和传播速度以及频率的关系如下式所
33、示。波长和传播速度以及频率的关系如下式所示。 =c/f =c/f 式中：式中：c-c-传播速度（传播速度（3 310108 8m/sm/s）；）； f-f-频率（频率（HzHz）。）。 45 例如例如，10MHz10MHz的电磁干扰的远场界区约为的电磁干扰的远场界区约为5m5m左右，左右，30MHz30MHz的电磁的电磁干扰的远场界区约为干扰的远场界区约为3m3m左右，左右，100MHz100MHz的电磁干扰的远场界区约为的电磁干扰的远场界区约为0.5m0.5m左右。如果左右。如果30kHz,30kHz,近场范围可达近场范围可达1.61.6公里。公里。 在在近场近场中，噪声一般是通过前述的电容
34、性耦合和电感性耦合的中，噪声一般是通过前述的电容性耦合和电感性耦合的方式传播到控制系统中去的。方式传播到控制系统中去的。 在在远场远场中，对控制系统的干扰是通过能量向四方的辐射方式进中，对控制系统的干扰是通过能量向四方的辐射方式进行的行的。463.2 3.2 波阻抗波阻抗 由上述可知，在近场，干扰的耦合主要是通过电场，或者通过由上述可知，在近场，干扰的耦合主要是通过电场，或者通过磁场。而在远场，辐射的电磁场在空间的传播是由于电场和磁场的磁场。而在远场，辐射的电磁场在空间的传播是由于电场和磁场的相互作用。相互作用。 例如，在一根导线上流过直流电流，则在导线周围会产生磁力例如，在一根导线上流过直流
35、电流，则在导线周围会产生磁力线，而沿导线产生电力线（即电场的方向和磁场的方向是垂直的）。线，而沿导线产生电力线（即电场的方向和磁场的方向是垂直的）。这样就产生了磁场和电场。当电流发生变化，导线周围的磁场和电这样就产生了磁场和电场。当电流发生变化，导线周围的磁场和电场也相应发生变化，这种变化在空间中的传播就是场也相应发生变化，这种变化在空间中的传播就是电磁波电磁波，它的，它的传传播速度等于光速。播速度等于光速。47 最常见的辐射源如无线电广播、通信设备、对讲机、电焊机、晶闸管最常见的辐射源如无线电广播、通信设备、对讲机、电焊机、晶闸管整流器等高频设备，在工作时会辐射功率很大的电磁波。整流器等高频
36、设备，在工作时会辐射功率很大的电磁波。 在远场中，电磁波十分规整，电场和磁场在强度上有固定的比例关在远场中，电磁波十分规整，电场和磁场在强度上有固定的比例关系，系，我们把电场强度我们把电场强度E E和磁场强度和磁场强度H H的比值定义为波阻抗的比值定义为波阻抗Z Z，即，即 Z=E/HZ=E/H（欧）（欧）式中式中 EE电场强度（伏电场强度（伏/ /米）；米）； HH磁场强度（安磁场强度（安/ /米）。米）。48 对对近场近场而言，波阻抗取决于干扰源的特性以及离干扰源的距离。而言，波阻抗取决于干扰源的特性以及离干扰源的距离。 如干扰源为大电流低电压的情况，则近场主要为磁场，波阻抗如干扰源为大电
37、流低电压的情况，则近场主要为磁场，波阻抗呈呈低阻抗特性低阻抗特性，以，以电感性耦合电感性耦合的噪声为主。的噪声为主。 如干扰源为高电压小电流的情况，则近场主要为电场，波阻抗如干扰源为高电压小电流的情况，则近场主要为电场，波阻抗呈呈高阻抗特性高阻抗特性，以，以电容性耦合电容性耦合的噪声为主的噪声为主 。49 令离干扰源的距离和波长之比为令离干扰源的距离和波长之比为式中式中r-r-干扰源和观察点之间的距离干扰源和观察点之间的距离； - - 电磁波的波长。电磁波的波长。 在近场时，干扰源主要为在近场时，干扰源主要为电场时波阻抗电场时波阻抗为：为： 干扰源主要为干扰源主要为磁场时波阻抗磁场时波阻抗为：
38、为： RRXXZ/112021/1202XXRRZ50 在在远场时，波阻抗远场时，波阻抗Z=E/HZ=E/H是一个常数为是一个常数为120120，即，即377377欧。欧。所以用所以用场强仪只要测出一个场的强度，另一个场强就可以计算出来。波阻场强仪只要测出一个场的强度，另一个场强就可以计算出来。波阻抗抗Z Z和离干扰源距离和离干扰源距离r r的关系如图所示。的关系如图所示。377377欧欧远场远场Log rLog rLog ZLog Z电场性高电场性高阻抗发生源阻抗发生源磁场性低磁场性低阻抗发生源阻抗发生源近场近场513.3 3.3 电磁场耦合的感应噪声电磁场耦合的感应噪声 一根金属导线在辐射
39、的电磁场里，就象一根天线，在导体上会产一根金属导线在辐射的电磁场里，就象一根天线，在导体上会产生正比于电场强度的感应电动势生正比于电场强度的感应电动势U 式中式中 -比例常数比例常数，也称天线的有效高度。，也称天线的有效高度。 导线，特别是长的导线，特别是长的I/O信号电缆、通信电缆和电源电缆等在电磁信号电缆、通信电缆和电源电缆等在电磁场中都能接收电磁波而感应出噪声电压。例如当垂直极化波的电场场中都能接收电磁波而感应出噪声电压。例如当垂直极化波的电场强度为强度为100mV/m时，长度为时，长度为10cm的垂直导体，可以产生的垂直导体，可以产生5mV的的感应电动势。感应电动势。523.4 3.4
40、 抑制电磁波传播的主要方法抑制电磁波传播的主要方法屏蔽屏蔽 抑制电磁波传播的主要方法就是屏蔽，远场中的屏蔽包括如下两个方抑制电磁波传播的主要方法就是屏蔽，远场中的屏蔽包括如下两个方面：面： 1 1）用金属屏蔽体把电磁场包容起来，）用金属屏蔽体把电磁场包容起来，不让它向外扩散不让它向外扩散； 2 2）对受干扰对象如系统、元件、电缆进行屏蔽，）对受干扰对象如系统、元件、电缆进行屏蔽，使之不受外界电磁场的使之不受外界电磁场的影响。影响。 屏蔽效果屏蔽效果取决于取决于 1 1）频率；）频率； 2 2）屏蔽体的几何形状；）屏蔽体的几何形状； 3 3）材料性质。）材料性质。53金属屏蔽体对入射电磁波的衰减
41、过程金属屏蔽体对入射电磁波的衰减过程54 当电磁波当电磁波EiEi入射到金属板上时，一部分先由其表面被入射到金属板上时，一部分先由其表面被反射反射。另一。另一部分进入金属体内，其中一部分在屏蔽体内部经部分进入金属体内，其中一部分在屏蔽体内部经多次反射并衰减多次反射并衰减，还，还有一部分有一部分透过屏蔽体出来透过屏蔽体出来。金属屏蔽体的屏蔽效果是透过金属屏蔽体。金属屏蔽体的屏蔽效果是透过金属屏蔽体后的电磁波后的电磁波EtEt和入射波和入射波EiEi的强度之比。无限大的屏蔽平板对于平面波的强度之比。无限大的屏蔽平板对于平面波入射时的屏蔽效果可用下式表示。入射时的屏蔽效果可用下式表示。 S=20 l
42、g (Ei/Et)=A+R+B (dB)S=20 lg (Ei/Et)=A+R+B (dB)式中：式中：Ei-Ei-入射波强度；入射波强度； Et-Et-穿透过屏蔽体后的波强度；穿透过屏蔽体后的波强度； A -A -电磁波在屏蔽体内传播中由于感应涡流产生的衰减，称电磁波在屏蔽体内传播中由于感应涡流产生的衰减，称吸收损耗吸收损耗； R -R -由于反射作用造成的入射波的损耗，称由于反射作用造成的入射波的损耗，称反射损耗反射损耗； B -B -因入射波因入射波在金属屏蔽体内多次反射造成的损耗在金属屏蔽体内多次反射造成的损耗（一般可（一般可忽略）忽略）。55其中其中 （dB)dB)式中：式中：t-t
43、-屏蔽体厚度屏蔽体厚度mmmm； f-f-频率频率MHzMHz； -相对导磁率；相对导磁率； G-G-相对于铜的导电率。相对于铜的导电率。 在金属材料的导体情况下，反射损耗为在金属材料的导体情况下，反射损耗为 （dB)dB)56三种材料的反射损耗曲线三种材料的反射损耗曲线57远场内厚度为远场内厚度为0.508mm0.508mm的铜屏蔽的效果的铜屏蔽的效果总屏蔽总屏蔽效果效果dBdB频率频率kHzkHz总屏蔽总屏蔽1501010反射反射吸收吸收58 1 1）在频率不太高在频率不太高的情况下，金属材料的屏蔽效果几乎是由其反的情况下，金属材料的屏蔽效果几乎是由其反射损耗射损耗R R所决定的。所决定的
44、。 2 2）反射损耗）反射损耗R R随频率增加而降低；而吸收损耗随频率增加而降低；而吸收损耗A A随频率增加而增随频率增加而增加，即加，即低频时的大量衰减是由于反射损耗低频时的大量衰减是由于反射损耗，而，而高频时大量损耗是由高频时大量损耗是由于吸收损耗。于吸收损耗。 3 3）最小的屏蔽效果（）最小的屏蔽效果（R R和和A A之和）在之和）在中频段中频段。 594 4 外部信号线缆的选择和敷设外部信号线缆的选择和敷设 信号线缆的选择信号线缆的选择应从实用、经济和抗干扰应从实用、经济和抗干扰这三个方面考虑，其这三个方面考虑，其中应以抗干扰能力放在首位。中应以抗干扰能力放在首位。 目前，在工程界，无
45、论是模拟信号或数字信号，也无论是目前，在工程界，无论是模拟信号或数字信号，也无论是(0-(0-5)V5)V、（、（4-204-20）mAmA的大信号或的大信号或mVmV级的热电偶小信号，乃至电源电缆级的热电偶小信号，乃至电源电缆均均采用带屏蔽的双绞电缆以抑制电容性耦合噪声和电感性耦合噪声。采用带屏蔽的双绞电缆以抑制电容性耦合噪声和电感性耦合噪声。 60不同的屏蔽结构的性能不同的屏蔽结构的性能屏蔽结构屏蔽结构干扰衰减比干扰衰减比屏蔽效果屏蔽效果特点特点铜网（密度铜网（密度85%85%）103103：1 140.3dB40.3dB电缆的可挠性好电缆的可挠性好铜带迭卷（密度铜带迭卷（密度90%90%
46、）376376：1 151.5dB51.5dB带有焊药，便于接地带有焊药，便于接地铝聚酯树脂带迭卷铝聚酯树脂带迭卷66106610：1 176.4dB76.4dB抗干扰效果好抗干扰效果好614.2 4.2 信号电缆和电力电缆平行敷设的最小距离信号电缆和电力电缆平行敷设的最小距离电力电缆的电压与电力电缆的电压与 工作电流工作电流 信号电缆和电力电缆平行敷设的长度信号电缆和电力电缆平行敷设的长度m m 100250500 125V 125V，10A10A50(mm)1002001200250V250V，50A50A1502004501200200400V200400V，100A 100A 2004
47、506001200400500V400500V，200A200A3006009001200300010000V300010000V，800A800A624.3 4.3 本安电路与非本安电路敷设的最小距离本安电路与非本安电路敷设的最小距离非本安电路的非本安电路的电压电压非本安电路的电流非本安电路的电流100A100A100A100A50A50A10A440V440V2000(mm)2000(mm)200020002000200020002000440V440V20002000600600600600600600220V220V20002000600600600600500500110V110V2
48、000200060060050050030030060V60V634.4 4.4 汇线桥架的敷设汇线桥架的敷设 1 1）汇线桥架的材质应根据敷设场所的环境特性来选择。一般情）汇线桥架的材质应根据敷设场所的环境特性来选择。一般情况下可采用镀锌碳钢汇线桥架。含有粉尘、水汽及一般腐蚀性的环况下可采用镀锌碳钢汇线桥架。含有粉尘、水汽及一般腐蚀性的环境，可采用喷塑或热镀锌碳钢汇线桥架。严重腐蚀的环境，可采用境，可采用喷塑或热镀锌碳钢汇线桥架。严重腐蚀的环境，可采用锌镍合金镀层或涂高效防腐涂料的碳钢汇线桥架；也可采用带金属锌镍合金镀层或涂高效防腐涂料的碳钢汇线桥架；也可采用带金属屏蔽网的玻璃钢汇线桥架。屏
49、蔽网的玻璃钢汇线桥架。 不要采用环氧树脂材质的桥架。因为环氧树脂材质起不到屏蔽不要采用环氧树脂材质的桥架。因为环氧树脂材质起不到屏蔽的作用。的作用。 2）汇线桥架内的交流电源线路和安全联锁线路应用金属隔板与）汇线桥架内的交流电源线路和安全联锁线路应用金属隔板与信号线路隔开敷设。本安信号与非本安信号线路也应用金属隔板隔信号线路隔开敷设。本安信号与非本安信号线路也应用金属隔板隔开，也可采用不同汇线桥架。开，也可采用不同汇线桥架。 3 3）应保证桥架间有良好的电气连接，并须在桥架的两端）应保证桥架间有良好的电气连接，并须在桥架的两端接地，接地，如果桥架距离较长时，应每隔如果桥架距离较长时，应每隔30
50、米设一个接地点。米设一个接地点。 644.5 4.5 其它注意事项其它注意事项 1 1）通信总线和视频信号线等应单独敷设，并采取屏蔽防护措施。）通信总线和视频信号线等应单独敷设，并采取屏蔽防护措施。 我们曾经在现场用我们曾经在现场用场强仪场强仪测量测量视频线视频线周围的电场强度，得知其周围的电场强度，得知其附近的附近的电场强度可达电场强度可达1V/m1V/m左右左右，其周围的信号线常因该电场强度的干，其周围的信号线常因该电场强度的干扰有扰有群脉冲群脉冲产生。产生。 65 2 2）信号电缆沟和电力电缆沟交叉时，应成直角跨跃，在交叉部）信号电缆沟和电力电缆沟交叉时，应成直角跨跃，在交叉部分的信号电
