第2章电缆的屏蔽

1、第2章 线缆的静电屏蔽和电磁屏蔽降低电磁干扰噪声的两个最基本的方法是屏蔽和接地。屏蔽和接地的关系十分密切，一般，作为屏蔽的金属体都需要接地，所以这两部分的内容应该结合起来讨论。本章阐述用屏蔽来抑制线缆的静电感应和电磁感应的基本原理和方法，而在后面的章节中将详细讨论如何进行接地系统的设计。线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

2、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2.1.1 耦合机理两导线间的电容性耦合的一个简单说明如图2.1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CLRLUn并联阻抗Z图2.1 两导线间的电容性耦合利用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： （2.1） 当噪声电压的频率较低时，阻抗RL远小于CL和Cs的阻抗时，则式（2.1）为 （2.2） 式（2.

3、2）是导线对导线电容性耦合噪声的一个重要公式，由此可以看出影响感应噪声电压的诸因素。即感应的噪声电压Un正比于噪声源的频率f、受感应导体的总电阻值RL、分布电容Cs以及噪声电压US。 由式（2.2）看出，电容性耦合可看着一个连接在受感应导体与地之间的电流源，它的电流大小等于2fCsUS。当噪声电压的频率较高时，RL阻抗远大于CL和Cs的阻抗时，则式（2.1）为 （2.3） 因为CL远大于Cs，所以上式又可简化为 （2.4） 由式（2.3）和式（2.4）所知，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2.2所示。由

4、图可知，刚开始随频率的增加，感应的噪声电压也随之增加，它遵循公式（2.2），之后随频率的增加，感应的噪声电压达到一个饱和值，该饱和值可由式（2.3）求出。该曲线也说明实际的感应噪声电压总是小于或等于式（2.3）所给出的值。利用式（2.2）和式（2.3）可求出曲线的拐角频率。fUn图2.2 电容性耦合噪声电压的频率特性 由以上的讨论可知，两导线间的分布电容是产生电容性耦合的关键因素。2.1.2 电容性耦合的抑制措施 由式（2.2）可知，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

5、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。2.1.3 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)(2.5)当D/d大于3时，Cs减小为 Cs=/ln(2D/d) (F/m)(2.6)式中：自由空间的介电常数，其值为8.8510-12 F/m。在图2.3所示的情况下，噪声源为交流100V，50Hz的电

6、源线，对与之平行的信号线会产生电容性耦合。当信号线和电源线之间的平行长度为90m时，它们之间的距离分别为2mm和10mm两种不同的情况下，测得的感应噪声电压各为2.1V和0.32V。可见，加大信号线和电源线之间的距离，由于分布电容的急剧下降，导致噪声耦合减弱。所以，为什么在工业现场，不允许将信号线和交流电源线在同一根电缆里。AC100V50Hz90m3k2mm(10mm)2mm2.1V(0.32V)图2.3 电容性耦合和距离的关系2.1.4屏蔽对电容性耦合的影响 当受感应导线的外层包了屏蔽层后(见图2.4)，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

7、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。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CLCes图2.4 导体屏蔽时的电容性耦合这里,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

8、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。示波器器90m20mm20mm2个继电器电感50H内阻700欧AC110V1M欧500欧Sd图2.5 采用屏蔽的效果要比拉开间距显著图2.5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（实验数据见表2.1），用编织网进行屏蔽的话，感应出的噪声很小。若用增加

9、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。表2.1 加大线间间距与屏蔽抑制噪声的效果对比线间距离d(mm)感应的噪声电压导线编织网屏蔽导线040V90V0.25V0.7V17012V30V0.15V0.6V5107V20V0.05V0.3V2.2 电感性耦合噪声和其抑制方法2.2.1 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

10、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。图2.6 电感性耦合的原理图图2.6是两个回路间的电感性耦合的原理图。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： （2.7） 由式（2.7）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

11、使用。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，按式（2.7），则信号线上感应的干扰电压为 UN =23.14500.10000/220 =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。2.2.2 回路之间的相对位置与耦合程度的关系图2.7和图2.8是回路之间的相对位置与耦合程度关系的两个对比例子，由图可知，图2.8的情况比图2.7更恶劣。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。 I5A10A15AUab40mV85mV130mV图2.

12、7 回路之间的相对位置 I5A10A15AUab100mV190mV280mV图2.8 回路之间的相对位置2.2.3 对作为噪声源的导线施行的电磁屏蔽当图2.9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负载图2.9 作为噪声源的导体如果对导线AB增加屏蔽体，并按图2.10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干扰源负载图2.10 对作为噪声源导体的电磁屏蔽如果将干扰源和负载都接地（见图2.11），当信号源和负载都接

13、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。图2.11 干扰源和负载都接地时屏蔽效果受影响如果沿接地环路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： （2.8）由式2.8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。2.2.4

14、对作为信号线路施行的电磁屏蔽信号线路防磁场干扰的最好方法是减小接收环路的面积。这里所说的面积是指信号电路中电流所封闭包围起来的全部面积，值得考虑的是电流回到源处所走的路径。图2.12是几种情况的对比，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。负载负载信号源a)b)c)d)信号源负载信号源负载信号源

15、图2.12 屏蔽对信号电路环路面积的影响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。2.2.5 双绞线的电磁屏蔽原理及其应用 双绞线也是电磁屏蔽的一种形式。它对屏蔽噪声源发出的磁通以及屏蔽信号线使其不受外界磁通干扰，都是有效果的。现分两种情况进行讨论。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图2.13 双绞线对噪声源的导线实施电磁屏蔽图2.13是双绞线作为噪声源的导线实施电磁屏蔽的原理图。当双绞

16、线中有电流流过时，在各个导线绞合所组成的面积很小的环路内，产生相应的磁通。而在环路外，由于两边导线流过的电流方向相反，产生的磁通方向相反而大部分被抵消。这种屏蔽方式常用于供电线路上。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图2.14 双绞线对信号线实施电磁屏蔽图2.14是双绞线对信号线实施电磁屏蔽的原理图。双绞线在噪声的磁通中，每根导线均被感应出噪声电流，其电流方向如图所示。这样，同一根导线在相邻两个环的两段上流过的噪声电流大小相等方向相反，因而被抵消。所以在总的效果上，导线并没有感应噪声电流。3）不同双绞线的屏蔽效果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2

17、.2）。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。表2.2 几种不同双绞线的效果比较试验条件噪声衰减度比例dB平行导线10双绞线（1绞/101.6mm)14：123双绞线（1绞/76.2mm)71：137双绞线（1绞/50.8mm)112：141双绞线（1绞/25.4mm)141：

18、143金属导管内平行线22：1272.2.6 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。导线的屏蔽要十分注意屏蔽体的接地问题。在图2.11中，当频率低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，因而不能起到屏蔽作用。所以在低频时不宜将屏蔽体两端接地。图2.15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

19、，影响屏蔽的效果。表2.3是比较单端接地和双端接地的效果。所以如果在实际应用时，需要两端都接地时，那一定要切断对地回路。主要措施是使用隔离变压器或光电隔离器。 图2.15 低频时屏蔽双绞线和同轴电缆的接地方法表2.3 屏蔽双绞线和同轴电缆一端接地和两接地的效果比较一端接地两端接地80dB27dB70dB13dB由式（2.8）可知，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。2.

20、2.7 电容性耦合与电感性耦合噪声的比较电容性耦合噪声与电感性耦合噪声有时是同时存在的，两者很容易相互混淆。表2.4是区分这两种噪声的大致原则，从上述的讨论是不难得到这个判别方法的。表2.4电容性耦合噪声与电感性耦合噪声的比较判断方法噪声变化情况说明电感性耦合电容性耦合减小受干扰的信号回路的负载阻抗不变变化见式（2.2）如电缆屏蔽层单端接地，将接地端断开不变变化见2.1.4章节噪声源回路的负载变化变化不变因为di/dt发生变化 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

21、噪声。2.3 电磁场耦合噪声和其抑制方法2.3.1 近场和远场（感应场和辐射场） 辐射源附近称近场，距离大于/2（为电磁波的波长）的地方称远场，这是一种约定。波长和传播速度以及频率的关系如下式所示。 =c/f 式中：c-传播速度（3m/s）； f-频率（Hz）。 例如，10MHz的电磁干扰的远场界区约为5m左右，30MHz的电磁干扰的远场界区约为3m左右，100MHz的电磁干扰的远场界区约为0.5m左右。如果30kHz,近场范围可达1.6公里。在近场中，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。在远场中，对控制系统的干扰是通过能量向四方的辐射方式进行的。2.3.2

22、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。 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场也相应发生变化，这种变化在空间中的传播就是电磁波，它的传播速度等于光速。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。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，我们把电场强度E和磁场强度H的比值定义为波阻抗Z，

23、即Z=E/H（欧）式中 E电场强度（伏/米）；H磁场强度（安/米）。 对近场而言，波阻抗取决于干扰源的特性以及离干扰源的距离。如干扰源为大电流低电压的情况，则近场主要为磁场，波阻抗呈低阻抗特性，以电感性耦合的噪声为主。如干扰源为高电压小电流的情况，则近场主要为电场，波阻抗呈高阻抗特性，以电容性耦合的噪声为主。令离干扰源的距离和波长之比为 （2.9）式中r-干扰源和观察点之间的距离；- 电磁波的波长。 在近场时，干扰源主要为电场时波阻抗为： （2.10）干扰源主要为磁场时波阻抗为： （2.11）在远场时，波阻抗Z=E/H是一个常数为120，即377欧。所以用场强仪只要测出一个场的强度，另一个场强

24、就可以计算出来。波阻抗Z和离干扰源距离r的关系如图2.16所示。近场377欧远场Log rLog Z电场性高阻抗发生源磁场性低阻抗发生源图2.16 波阻抗Z和离干扰源距离r的关系2.3.3 电磁场耦合的感应噪声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U （2.12）式中 -比例常数，也称天线的有效高度。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100mV/m时，长度为10cm的垂直导体，可以产生5mV的感应电动势。2.3.4 抑制电磁波传播的主要方法屏蔽 抑制电磁波传播的

25、主要方法就是屏蔽，远场中的屏蔽包括如下两个方面： 1）用金属屏蔽体把电磁场包容起来，不让它向外扩散； 2）对受干扰对象如系统、元件、电缆进行屏蔽，使之不受电磁场的影响。 屏蔽效果取决于： 1）频率； 2）屏蔽体的几何形状； 3）材料性质。在分析这些因素并在实际应用屏蔽措施时，一定要弄清楚金属屏蔽体对辐射电磁波的衰减作用的机理。金属屏蔽体对辐射电磁波的衰减过程如图2.17所示。图2.17 金属屏蔽体对入射电磁波的衰减过程当电磁波Ei入射到金属板上时，一部分先由其表面被反射。另一部分进入金属体内，其中一部分在屏蔽体内部经多次反射并衰减，还有一部分透过屏蔽体出来。金属屏蔽体的屏蔽效果是透过金属屏蔽体

26、后的电磁波Et和入射波Ei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。S=20 lg (Ei/Et)=A+R+B (dB) （2.13）式中：Ei-入射波强度； Et-穿透过屏蔽体后的波强度； A -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； R -由于反射作用造成的入射波的损耗，称反射损耗； B -因入射波在金属屏蔽体内多次反射造成的损耗（一般可忽略）。其中 （dB) （2.14）式中：t-屏蔽体厚度mm； f-频率MHz； -相对导磁率； G-相对于铜的导电率。在金属材料的导体情况下，反射损耗为 （dB) （2.15） 厚度为10微米的几种金属箔的屏

27、蔽效果见表2.5（单位为dB)。三种材料的反射损耗曲线和在远场内厚度为0.508mm的铜屏蔽的效果见图2.18和图2.19。由表2.5可知：1）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射损耗R所决定的。 2）反射损耗R随频率增加而降低；而吸收损耗A随频率增加而增加，即低频时的大量衰减是由于反射损耗，而高频时大量损耗是由于吸收损耗。 3）最小的屏蔽效果（R和A之和）在中频段。表2.5 几种金属箔的屏蔽效果频率50Hz100kHz1MHz10MHz100MHz1000MHz铜箔反射损耗R151118108988878吸收损耗A0.0090.4141342铝箔反射损耗R149116106

28、968676吸收损耗A0.0070.3131032钢箔反射损耗R1138070605040吸收损耗A0.151754171 542 图2.18 三种材料的反射损耗曲线图2.19 远场内厚度为0.508mm的铜屏蔽的效果2.4外部信号线缆的选择和敷设 2.4.1 信号线缆的选择 信号线缆的选择应从实用、经济和抗干扰这三个方面考虑，其中应以抗干扰能力放在首位。 目前，在工程界，无论是模拟信号或数字信号，也无论是(0-5)V、（4-20）mA的大信号或mV级的热电偶小信号，乃至电源电缆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。我们已在前面介绍了不同双绞线的屏蔽效果（见表2.2）。不

29、同的屏蔽结构其性能如表2.6所示。表2.6 不同的屏蔽结构的性能屏蔽结构干扰衰减比屏蔽效果特点铜网（密度85%）103：140.3dB电缆的可挠性好铜带迭卷（密度90%）376：151.5dB带有焊药，便于接地铝聚酯树脂带迭卷6610：176.4dB抗干扰效果好2.4.2 信号电缆和电力电缆平行敷设的最小距离 众所周知，不同种类的信号，不应共用一根电缆。信号电缆宜穿金属保护管或敷设在带盖的金属汇线桥架内。信号电缆与电力电缆交叉敷设时，宜成直角；与电力电缆平行敷设时，两者之间的最小距离应符合表2.7所示的要求。该表的信号电缆均相对于屏蔽双绞电缆。 表2.7 信号电缆和电力电缆平行敷设的最小距离(mm)电力电缆的电压与工作电流信号电缆和电力电缆平行敷设的长度m100250500125V，10A50(mm)1002001200250V，50A1502004501200200400V，100A2004506001200400500V，200A3006009001200300010000V，800A600900120