线缆的静电屏蔽和电磁屏蔽 徐义亨 1 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 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。 本章我们将讨论与此有关的三种类型的耦合： 1）电容性耦合。它起源于线路间电场的相互作用。 2）电感性耦合。它起源于线路间磁场的相互作用。 3）电磁场耦合。它是电场和磁场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。 2 1 电容性耦合噪声和其抑制方法 1.1 耦合机理 两导线间的电容性耦合如图所示。Cs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，CL为受感应导体的对地 电容，RL为受感应导体的总电阻值，Z为CL和RL的并联阻抗。US为噪 声电压，设Un为感应的噪声电压。 噪声 导体 CS 噪声 电压 US 受感应 导体 CL RL Un并联阻抗Z 3 利用Cs和Z之间的分压公式就可以求出在受感应导体和地 之间产生的噪声电压Un为： 当噪声电压的频率较低时，阻抗RL远小于CL和Cs的阻抗时， 则为: 感应的噪声电压Un正比于噪声源的频率f、受感应导体的总电 阻值RL、受感应导体的对地电容CL以及噪声电压US。 4 当噪声电压的频率较高时，RL阻抗远大于CL和Cs的阻抗时，则 为: 因为CL远大于Cs，所以上式又可简化为 5 当RL阻抗远大于CL和Cs的阻抗时，感应的噪声电压正比于CS和 CL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。 f Un 6 1.2 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： 1）噪声电压； 2）噪声频率； 3）两导体间的分布电容； 4）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 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 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 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 少两导体间的分布电容时，此时采用静电屏蔽的方法是十分有效的 。 7 1.3 电容性耦合和距离的关系 两根直径为d，间距为D的平行导线间的分布电容Cs为： Cs=/cosh-1(D/d) (F/m) 当D/d大于3时，Cs减小为 Cs=/ln(2D/d) (F/m) 式中：自由空间的介电常数，其值为8.8510-12 F/m。 8 90m 3k 2mm(10mm) 2mm2.1V(0.32V) AC100V 50Hz 9 1.4屏蔽对电容性耦合的影响 噪声 导体 受感应 导体 分布 电容CS 噪声 电压US 屏蔽层 对地 电容CL Ces 10 当受感应导线的外层包了屏蔽层后(见图)，前面所述的感应的 噪声电压Un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Ces 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 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 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 露和编织屏蔽层的空隙）,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： 1）最大限度的减小中心导线延伸到屏蔽之外部分的长度； 2）为屏蔽层提供一个良好的接地。 11 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 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。 12 采用屏蔽的效果要比拉开间距显著 20mm 20mm2个继电器 电感50H 内阻700欧 AC 110V 1M欧500欧 S d 13 上图是一个比较屏蔽和拉开间距的效果的试验例子。 干扰源是采用两个并联的继电器，当用开关S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1000V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 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。此 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，感 应出的噪声很小。若用增加两线间的距离d，还是能感应出几十伏 的 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 开间距减小分布电容的效果来得显著。 14 线间线间 距离 d(mm) 感应应的噪声电压电压 导线导线编织编织 网屏蔽导导 线线 040V90V0.25V0.7V 17012V30V0.15V0.6V 5107V20V0.05V0.3V 15 2 电感性耦合噪声和其抑制方法 2.1 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 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 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。这两部分通过磁力线形成的耦合，其程度 可用互感M来表示。 16 17 噪声源电压为Ui，Ui在导体Z1回路上产生的电流为I，则在Z2回 路上产生的感应电压为： 由式可见，电感性耦合的噪声大小正比于 A.噪声源回路的电流I变化率di/dt； B.互感M。 一般而言，噪声源回路的电流I变化率是不可控的，有效的方法是如何减 小互感M。减小互感M的方法有： A.拉开回路之间的耦合距离，包括回路之间的相对位置； B.尽可能减小噪声回路和感应回路的环路面积； C.采用电磁屏蔽，包括双绞电缆和同轴电缆的使用。 18 例：某信号线与电压为220VAC、负荷为10kVA输电线的距离为1米， 并平行走线10米，两线之间的互感为4.2H，则信号线上感应的干 扰 电压为 UN = MI=23.14500.000004210000/220 =59.98 mV 当信号电压为（1-5）V的信号，这个干扰电压的大小即相当于 增加了1.5%的误差。 19 2.2 回路之间的相对位置与耦合程度的关系 I5A10A15A Uab40mV85mV130mV 20 I5A10A15A Uab100mV190mV280mV 21 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。 22 2.3 对作为噪声源的导线施行的电磁屏蔽 图所示的导线AB流过电流时，便成为向外界发出磁通的噪声源 。 AB 干扰源 I 负载 23 如果对导线AB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，这样在 屏蔽体的外面，不存在磁通，即导线AB被电磁屏蔽了。 AB 干扰源 负载 24 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 过屏蔽体的电流I2小于导线AB内的电流I，所以I2所产生的抵消磁通 也比原来的小。 然而，屏蔽体有一个重要的特性参数，即截止频率c=Rs/Ls ， 其中Rs和Ls分别为屏蔽体的电阻和电感。 25 如果沿接地环路A-B-C-D-A，可列出方程式： 式中M为屏蔽体与中心导体间的互感，其值等于Ls,代入得： 由式可知，当导体中流经的电流其频率远大于截止频率 c=Rs/Ls 时，绝大部分电流流过屏蔽体，屏蔽效果很好。当频率低于5c 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。 26 2.4 对作为信号线路施行的电磁屏蔽 a)b) c) d) 信号源负载信号源 负载 信号源 27 几种情况的对比: 图a)是不加屏蔽，易受外界磁通的影响。 图b)是加不接地的屏蔽，由于不能减小回路的包围面积，无电 磁屏蔽的效果。 图c)是加一端接地的屏蔽，也不能减小回路的包围面积。 图d)是加屏蔽体两端接地，可以减小回路的包围面积，有电磁 屏蔽作用。 当然这是有前提的，电流I的频率远大于导线的截止频率，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 面积。 28 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 回路所包围的面积最小，使接收外界磁通影响为最小 。 29 2.5 双绞线的电磁屏蔽原理及其 应用 1）对作为噪声源的导线实施电磁屏蔽 环内有磁通产生 环外磁通 基本被抵消 30 2）对信号线实施电磁屏蔽 外磁通 外磁通在导线上 的感应相互抵消 31 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 大，从表2.2看，绞距为50mm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 以，在工程中常用到它。如果双绞线再加金属编织网就可以克服双 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 线常用于频率低于100kHz的屏蔽。 32 几种不同双绞线的效果比较 试验试验 条件噪声衰减度 比例dB 平行导线导线10 双绞线绞线 （1绞绞/101.6mm)14：123 双绞线绞线 （1绞绞/76.2mm)71：137 双绞线绞线 （1绞绞/50.8mm)112：141 双绞线绞线 （1绞绞/25.4mm)141：143 金属导导管内平行线线22：127 33 2.6 同轴电缆的效用以及屏蔽体的接地 双绞线和屏蔽双绞线虽然非常适用频率低于100kHz的屏蔽，但 因为有较大的电容，故不适用于高频或高阻抗回路。 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，具有均匀不变的低损耗的特性阻抗，可用于从直流到甚高 频乃之超高频的频段。 34 下图是在低频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，以避免因地电位差造成的环流，影响屏蔽的效果。图 35 屏蔽双绞线和同轴电缆一端屏蔽和两端屏蔽的效果比较 在高频时（大于1MHz)屏蔽体可以两端接地。或者，一端接地 ， 另一端通过小电容再接地。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，其频率成分主要是 工频信号及其谐波，容易被滤去。 一端接地两端接地 80dB27dB 70dB13dB 36 2.7 电容性耦合与电感性耦合噪声的比较 判断方法 噪声变变化情况说说明 电电感性耦合 电电容性耦合 减小受干扰扰的信号回 路的负载负载 阻抗 不变变变变化见见式（2.2） 如电缆电缆 屏蔽层单层单 端接 地，将接地端断开 不变变变变化见见2.1.4章节节 噪声源回路的负载变负载变 化 变变化不变变因为为di/dt发发生变变化 37 另外， 高电压回路，容易成为电容性耦合的噪声源； 大电流回路，容易成为电感性耦合的噪声源。 电容性耦合噪声对受影响的电路是属于共模噪声； 电感性耦合噪声对受影响的电路是属于串模噪声。 38 3 电磁场耦合噪声和其