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电线电缆在电磁兼容方面的设计要点

日期:2019-10-09    来源:《电气技术》  作者:张立伟

国际电力网

2019
10/09
11:46

关键词: 电磁兼容技术 电线电缆 电磁干扰

   从电磁兼容技术的根本任务和研究方向出发,进行归纳整理了电线电缆在电磁兼容方面的研究方向,包括不同屏蔽形式,传输模型,电线电缆接地及试验等。讨论了与电线电缆相关的屏蔽、滤波、接地抑制电磁干扰的三大技术,最后指出三大技术也是相互补充和相互关联的,没有包罗万象的统一方法,非常有必要从不同方面进行研究。
  1 引言
  电磁兼容技术起源于人们对电磁干扰现象的认识和研究,并在控制、对抗电磁干扰的过程中逐步发展。电磁兼容技术已经发展成为一门新兴的、独立的综合性学科。作为一门独立的学科,它有自己独立的理论体系;但是,作为一门新兴学科,它的形成又还处于发展和完善的过程中,其理论体系尚不够严密、系统和成熟。这就决定了电磁兼容学科具有一些有别于其它学科的特点。
  1)大量引用无线电技术的感念和术语。例如,用电设备对干扰信号的影响应称为“敏感”和“接受”;导线和导线相互之间的耦合,有时被称为“串扰或串音”,交流电磁场使导线产生的感应电势称为“电场激励”把相互垂直的两个电场分量的矢量随时间变化的形态称为“极化”等。
  2)理论体系主要以电磁场理论和电路理论为基础构成。
  3)主要以分贝(dB)作为度量单位。
  4)电磁兼容性已经成为产品可靠性指标的重要组成部分。
  2 根本任务和研究方向
  2.1 电磁兼容技术的根本任务和研究方向
  电磁兼容技术的根本任务是使处于同一电磁环境中的各种电气、电子设备或系统能够互不干扰正常工作,达到所谓的“兼容”状态。电磁兼容技术的研究则是紧密围绕形成电磁干扰的三要素而进行的,即研究干扰的机理、干扰源的发射特性以及如何抑制干扰的发射;研究干扰以何种方式、通过什么途径传播,以及如何切断这些传播通道;研究干扰接收器对干扰产生何种响应,以及如何降低其干扰敏感度,增强抗干扰能力。
  基于此,可以进行如下研究方向:电磁干扰三要素特性的分析;电磁兼容性分析预测技术;电磁兼容设计技术;电磁干扰抑制(也是电磁兼容控制)技术;电磁兼容性测量和试验技术;电磁脉冲干扰及其防护技术;信息设备电磁泄漏及其防护技术;电磁兼容标准、规范的研究制定与工程管理。
  2.2 电线电缆在电磁兼容方面的研究方向
  电缆屏蔽结构的研究,包括各类电缆屏蔽材料、形式或组合结构,大致包括:金属管状结构;金属丝编织(不同编织密度)结构;金属丝缠绕(不同密度)结构;金属薄膜压边缠绕(或纵包)结构;钢带铠装结构;金属镀层(包括物理或化学镀层)结构;半导电屏蔽材料的屏蔽作用;导电漆膜结构;以上组合结构。
  1)不同电缆屏蔽结构在不同频段或不同场源情况下的屏蔽效果的数学模型及工程计算方法;
  电线电缆的不同传输形式,包括:对绞;对绞屏蔽;星绞;星绞屏蔽;同轴结构;双同轴对称射频结构(分屏蔽后加总屏蔽)三同轴结构;漏泄电缆的耦合(利用电磁耦合);
  2)不同电缆传输形式下如何接地及接地效果;
  3)电磁兼容类试验,包括:电磁干扰测试、电磁敏感度测试、屏蔽效能测试。
  3 屏蔽技术
  3.1 屏蔽的目的和作用原理
  屏蔽有两个目的,一是限制内部辐射的电磁能量泄漏出内部区域,二是防止外来的辐射干扰进入某一区域。屏蔽作用是通过一个将上述区域封闭起来的壳体实现的。这个壳体可以做成实心板式,网状眼孔式以及金属编织式,结构形状可以是平面体状,圆柱体,球壳形或几种组合形状。其所有材料可以是导电的,导磁的,介质的,也可以是带有非金属吸收填料的。
  关于作用原理可以有两种解释。第一种解释是:由场源引起的一次场作用下,屏蔽体表面感应而产生电荷,屏蔽体内壁产生电流和磁极化。这些电荷、电流和极化作用产生二次场,二次场与一次场叠加形成合成场,在被防护区域的合成场必然弱于一次场。第二种解释是:利用屏蔽体反射,衰减并引导场源所产生的电磁能流使它不被进入防护区。
  第一种解释比较简单,但它的不足之处是叙述某些物理概念过程方面有缺陷。第二种解释观点比较易于接受,其不足之处是这种概念不适于静态场。两种解释形式不同,但其本质是相同的,因为金属结构对于电磁能流的反射和引导作用的机理本身,与这些结构表面上和内壁的电荷、电流和磁极化的产生有着不可分割的联系。
  3.2 屏蔽的分类
  根据屏蔽的对象不同,可以把屏蔽分为主动屏蔽和被动屏蔽。主动屏蔽的对象是干扰源,限制由干扰源产生的有害电磁能量向外扩散。被动屏蔽的对象是敏感体,以防止外部电磁干扰对它产生有害影响。
  根据屏蔽的作用原理,可以分为静电屏蔽、磁屏蔽、电磁屏蔽。
  静电屏蔽的屏蔽体用良导体制作,并有良好的接地。这样就把电场终止于导体表面,并通过地线中和导体表面上感应电荷,从而防止由静电耦合产生的相互干扰。
  磁屏蔽主要用于低频下,屏蔽体用于高导磁率材料构成低磁阻通路,把磁力线封闭在屏蔽体内,从而阻挡内部磁场向外扩散或外界磁场干扰进入,有效防止低频磁场的干扰。
  电磁屏蔽主要用于高频下,利用电磁波在导体表面上的反射和导体中传播的急剧衰减来隔离时变电磁场的相互耦合,从而防止高频电磁场的干扰。
  实际上我们不必把这三种类型的屏蔽进行对比,正如静电场和静磁场是电磁场的特殊情况一样,静电屏蔽和静磁屏蔽是电磁屏蔽的一种特殊类型。
  3.3 电线电缆关于屏蔽效能的指标
  电线电缆行业中表示抗电磁干扰的指标很多,最重要的是屏蔽衰减的分贝指标。因介绍的资料较多,本文不深入介绍,可以参看相关文献。指标描述主要包括:屏蔽衰减;屏蔽系数;反射系数;转移阻抗;串音衰减;串音防卫度。
  4 滤波技术
  4.1 滤波器概述及定义
  滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰;以实现这两种不同功能为目标而设计的网络分别称为信号选择滤波器和电磁干扰滤波器。
  实践表明,即使一个经过很好设计并且具有合适的屏蔽与接地措施的系统,也仍然会有传导干扰发射或有传导干扰进入此系统。滤波是压缩信号回路干扰频谱的一种方法,当干扰频谱成为不同于有用信号的频带时,就可以用滤波器将无用的干扰过滤减小到一定程度,使传出系统的干扰不至于超出给定的规范,使传入系统的干扰不至于引起系统误动作。
  滤波器将有用信号和干扰频谱隔离得越充分,它对减小有用信号回路内干扰得效果就越好。因此,恰当地设计选择和正确地使用滤波器对抑制传导干扰是极为重要地。
  滤波器的主要特性参数有额定电压、额定电流、输入输出阻抗、插入损耗、功率损耗、相位延迟、重量大小、可靠性、工作温度和其他环境条件等。其中最重要、最有意义的是作为频率函数的插入损耗。
  4.2 滤波器分类
  插入损耗的大小是随工作频率的不同而变化的,通常把插入损耗随频率的变化曲线称为滤波器的频率特性。按频率特性,可把滤波器大体分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器4种类型,如图1所示。
  
  当然,滤波器也可以按其他原则分类。例如:按滤波机理分,分为反射型滤波器和吸收型滤波器,其中反射型滤波器按结构形式又可分为T型、π型、C型、L型等;按频率动态响应特性分,可分为巴特沃斯滤波器、贝塞尔滤波器、巴特沃斯-汤普森滤波器和椭圆响应滤波器;按滤波器应用目的分,可分为电源滤波器和信号滤波器等。
  反射式滤波器存在一个缺点:当它和信号源不匹配时,一部分有用信号将被反射回信号源,从而导致干扰电平的增加,而不是减小。在这种情况下,可采用吸收式滤波器来抑制不需要的频率分量,将这部分能量以热损耗形式被消耗掉,而仅让有用频率分量通过。
  吸收式滤波器也叫损耗滤波器或穿心滤波器,这种滤波器通常采用铁氧体材料或其它材料做成介质传输线形式。例如,一种吸收式滤波器是在铁氧体管的内外涂以导电材料做成的。
  铁氧体在交变磁场的作用下,会产生涡流损耗、磁滞损耗和剩磁损耗,这些损耗随着磁场频率的升高而增大。正是利用铁氧体的这一特,使吸收式滤波器可以消耗掉无用的信号分量。这种滤波器在电力系统以及某些需要消耗掉干扰而不是反射干扰的应用中非常有用。
  4.3 滤波器结构及应用
  电缆滤波器将铁氧体材料直接填充在电缆里,就可以制成电缆滤波器,其典型结构如图2(a)所示。电缆滤波器的特点是体积小,可以获得理想的高频衰减特性,只要较短的一段电缆就可以起到预期的低通滤波效果。
  滤波连接器是将铁氧体直接装到电缆连接器内而制成的,其结构如图2(b)所示,它在100MHz~10GHz的很宽范围内可以获得60dB以上的衰减。
  磁环扼流圈是一种铁氧体制成的圆形磁环,结构极其简单,如图2(c)所示。这种磁环套在信号线上,由于导线穿过磁环后,在磁环附近的一段导线具有单匝扼流圈的特性,其阻抗将随着导线屏蔽的升高而增大,所以对导线中的高频分量具有抑制和衰减作用。这是一种简单而经济的损耗式滤波器方法,通常它广泛用于电源线上滤波,在数字信号线中有时也采用。
  穿心电容器通常是由金属薄膜卷绕而成,如图2(d)所示,其中一个端片和中心导电杆焊在一起,另一端片与电容器外壳焊接在一起作为接地端。这是一种短引线电容,它的特殊结构使其自谐振频率达1GHz以上,因此可以用于高频滤波。
  它通常安装在用电设备的外壳上,并将其外壳与设备的接地金属外壳连接,而将其导电杆串接在导线上,使电容器形成对干扰信号的旁路作用。穿心电容器价格低廉,安装方便,在电磁兼容中常用作电源中共模干扰的高频滤波。实际使用中常把穿心电容与磁环结合起来使用,构成高频滤波电路,用于抑制电源中的共模高频干扰。
  有时将吸收式滤波器与反射式滤波器串联起来组合应用,可以得到更好的多滤波效果。按这种方法构成的滤波器,既有陡峭的频率特性,又有很高的阻带衰减。大大改善了阻带的衰减性能,使总的特性更趋理想。
  
  进入20世纪90年代以来,研究开发宽频带全方位抗EMI新型材料及相应器件已经成为国内外电磁兼容领域的热点之一。其主要研究方向,是利用软磁材料的阻抗及损耗随频率变化的特性,开发出各种无源EMI滤波器。作为抗EMI的软磁性材料,必须具有以下特点:
  1) 导磁体μi较高,一般μi应为100~1500;而在用于滤除频率较低的EMI信号或在电源滤波器中使用时,要求μi更高,在5000以上。
  2) 具有某一特定的损耗——频率响应特性。在需要衰减EMI信号的频段内损耗较大,足以把EMI衰减到最低允许电平;而在需要传输信号的频段内损耗很小,使信号能顺利通过。
  3) 额定温度、饱和磁通密度和电阻率值高,以便在高温、直流偏置下能正常工作。
  目前,主要的抗EMI软磁性材料有两类;铁氧体软磁材料和非晶态纳米晶软磁材料。
  5 接地与搭接技术
  接地与搭接技术是防止电磁干扰、增加电子设备电磁兼容能力的重要方法之一。如果接地方法使用恰当,搭接可靠,既可减少设备产生的对外干扰,又可使设备免受外来干扰。搭接和接地的基本原则是实现低阻抗连接,最好是零阻抗连接(当然,实际不可能)。下面简单分析电缆屏蔽层的接地,其它相关内容可以查阅有关文献资料。
  电缆屏蔽层接地正确与否关系到屏蔽作用地好坏。不正确的接地会使屏蔽效果变差,甚至无屏蔽效果,最坏的还有可能比不屏蔽时还要糟糕。屏蔽电缆一般分为低频电缆和高频电缆,对于低频信号电缆屏蔽层通常应单点接地;对于高频信号电缆和电力电缆的屏蔽层至少应在电缆两端接地,最好多点接地。
  低频电路接地时,关键应考虑如何避免接地环路。而在高频时,由于趋肤效应使信号电路在屏蔽层上分层流动,因此同轴电缆屏蔽层与地面构成接地环路时,对信号影响不大,造成干扰较小。下面列出低频情况下,采用不同电缆形式(对绞、屏蔽对绞、同轴),不同接地方式(单端、双端、线芯是否接地)的抗干扰程度,见图3。图右方的数字是相对基准电压的dB值,实际应为负值。
  
  A、B、F图为同轴电缆,C、G图为非屏蔽双绞线,D、E、H、I、J图为屏蔽双绞线。
  A图为“单线——大地”回路系统,假设这种接法的地环路干扰电压作为基准值(相比其它接法,电压值最大)。B图为同轴回路接法,外导体双端接地。F图与B图基本类似,但仅单端接地,抗干扰能力相当强。
  C图为双绞线并且双端接地。G图为单端接地,抗干扰能力提高。
  D、E、H、I、J图均为屏蔽双绞线,接地方式不同,抗干扰能力也不同,J图的测试结果最好,但一般电气人员选用H图的接地方式。
  6 结论
  屏蔽、滤波、接地是抑制电磁干扰的三大技术,这是电子设备和系统在进行电磁兼容性设计过程中通用的三种主要的电磁干扰抑制方法。虽然每一种方法在电路和系统设计中都有其独特的作用,但它们有时也是相互关联的。譬如,设备接地良好,可以降低设备对屏蔽的要求;而良好的屏蔽,也可以对滤波的要求低些。
  电磁兼容设计所涉及的内容极其广泛,而且不同的系统在设计方法上也可能完全不一样。因此,目前并没有经典的,包罗万象的设计方法可循。
  我国的电磁兼容研究起步比较晚,与国外发达国家相比有一定的差距,国内产品电磁兼容性能的整体技术水平还有待进一步提高。电磁兼容的技术特点决定了产品的电磁兼容技术复杂和质量控制的一致性要求高,企业应引起足够的重视,从设计开发到生产过程适时加以控制。电线电缆企业应抓住时机,与时俱进,加快科技创新,开发出适应市场需求的电磁兼容类电线电缆产品。
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