機(jī)車電氣設(shè)備屏蔽電纜端接技術(shù)分析及設(shè)計(jì)

姚平剛 劉學(xué)全

【摘要】通過(guò)對(duì)屏蔽電纜端接的詳細(xì)分析和論述，介紹了影響表面轉(zhuǎn)移阻抗的技術(shù)因素，并詳細(xì)介紹了有關(guān)機(jī)車內(nèi)電氣設(shè)備屏蔽電纜的端接設(shè)計(jì)方法與技術(shù)，為工程師提供了電纜屏蔽的設(shè)計(jì)參考。

【關(guān)鍵詞】機(jī)車;電纜;端接;屏蔽;搭接;轉(zhuǎn)移阻抗

1.引言

機(jī)車上使用的電氣設(shè)備因?yàn)樾盘?hào)互聯(lián)的需要，使用了大量不同類型電纜，例如同軸電纜、雙絞屏蔽電纜等。因?yàn)楸粋鬏斝盘?hào)的不同，它們呈現(xiàn)出大不相同的電磁特性。尤其是考慮到電磁兼容性，不同的屏蔽電纜被用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)。屏蔽電纜的效用最大化，除了根據(jù)應(yīng)用選擇合適的屏蔽類型，也依賴于屏蔽電纜的正確端接。但在實(shí)踐中，因?yàn)樾盘?hào)互聯(lián)及設(shè)備應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，屏蔽電纜的端接是一個(gè)始終困擾工程師的難題。屏蔽電纜何時(shí)單端/雙端接地以及如何端接，在不同的行業(yè)、不同的設(shè)備上一直有很大爭(zhēng)議。

在鐵路標(biāo)準(zhǔn)《TB/T 3153-2007鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛布線規(guī)則》和《TB/T 1759-2003鐵道客車配線布線規(guī)則》中，亦述及屏蔽電纜的端接，但因其是標(biāo)準(zhǔn)，不能給出具體可操作的設(shè)計(jì)方法，也未能深入進(jìn)行技術(shù)分析，工程師難以理解電纜屏蔽端接的技術(shù)含義。所以，有必要對(duì)屏蔽電纜的端接技術(shù)進(jìn)行深入剖析，為工程師進(jìn)行屏蔽電纜端接設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考和支持。

2.屏蔽電纜的端接

在什么地方以及如何端接屏蔽電纜是實(shí)現(xiàn)屏蔽電纜性能的關(guān)鍵因素。屏蔽電纜的資料一般僅給出電纜屏蔽材料本身的特性，并不考慮電纜屏蔽層的端接對(duì)整體轉(zhuǎn)移阻抗的影響。在一個(gè)屏蔽系統(tǒng)中，沿電纜屏蔽層傳導(dǎo)的RF電流很容易從沒(méi)有正確端接的電纜上的任何一個(gè)點(diǎn)耦合到系統(tǒng)，尤其是暴露在高強(qiáng)射頻電磁磁場(chǎng)中的系統(tǒng)。

不合理的端接不僅可能影響電路的屏蔽，而且可能因?yàn)殡娎|屏蔽與電路信號(hào)導(dǎo)體的相互作用而產(chǎn)生二次效應(yīng)。通常，這種相互影響被歸罪于屏蔽層，而不是不合理的電路接地拓?fù)?。所以，工程師?huì)因此斷開(kāi)屏蔽層，而不是去檢查流進(jìn)敏感電路的電流路徑。所以，若要維持電纜的屏蔽效能，必須提供低阻抗的電纜屏蔽層端接。

2.1 什么是端接

“端接”是工程師比較熟悉的術(shù)語(yǔ)。電路端接是為了消除/減小信號(hào)反射以提高信號(hào)傳輸質(zhì)量，而屏蔽電纜的端接則是為了滿足：（1）實(shí)現(xiàn)屏蔽，滿足電磁兼容要求;（2）實(shí)現(xiàn)信號(hào)功能，滿足設(shè)備性能要求。

屏蔽電纜的端接是指采用一定的方法或技術(shù)將電纜的屏蔽層與設(shè)備的參考基準(zhǔn)（或地）連接在一起，滿足屏蔽及信號(hào)傳輸?shù)男枰?。屏蔽電纜的端接通常采用兩種方法：（1）“豬尾巴”法;（2）360°環(huán)接法。

2.2 屏蔽層端接的作用

屏蔽電纜的屏蔽層由銅、鋁等非磁性材料制成，其厚度一般遠(yuǎn)小于使用頻率上金屬材料的集膚深度，它的屏蔽效能主要不是因?yàn)槠帘螌硬牧系姆瓷?、吸收產(chǎn)生，而是因屏蔽層的端接產(chǎn)生（即接地）的。不同的端接形式將直接影響屏蔽效果，對(duì)于電場(chǎng)和磁場(chǎng)，屏蔽層的端接方式亦不同。

如果屏蔽電纜的屏蔽層不端接（不接地）或不正確端接，都可能會(huì)產(chǎn)生干擾問(wèn)題，甚至影響功能的實(shí)現(xiàn)。圖1是電纜屏蔽層不接地所帶來(lái)的影響，圖中為等效電路。

圖1 屏蔽層不端接——電場(chǎng)干擾

干擾電壓Uq經(jīng)過(guò)分布電容Ck耦合到屏蔽電纜屏蔽層上的A點(diǎn)，并經(jīng)由分布電容Ca耦合到屏蔽電纜的芯線，從而干擾有用信號(hào)。如果將A點(diǎn)接地，則UA為零，不再有干擾信號(hào)耦合至芯線。

其他端接方式對(duì)不同干擾信號(hào)的影響本文不再贅述，有興趣的讀者可參考相關(guān)資料。

2.3 屏蔽層表面轉(zhuǎn)移阻抗

屏蔽層表面轉(zhuǎn)移阻抗用來(lái)衡量電纜的屏蔽效能，這一參數(shù)是電纜屏蔽層本身的特性——表示中心導(dǎo)體和屏蔽層之間的開(kāi)路電壓（單位長(zhǎng)度）與屏蔽層電流之間的關(guān)系。屏蔽層表面轉(zhuǎn)移阻抗可寫成（1-1）的簡(jiǎn)化形式：

（1-1）

式中的是轉(zhuǎn)移阻抗，用Ω/m表示;IS是屏蔽層上的電流;V是內(nèi)導(dǎo)體與屏蔽層之間感應(yīng)的電壓;l是電纜長(zhǎng)度，用m表示。

屏蔽電纜的表面轉(zhuǎn)移阻抗還可采用更為精確的方式描述并加以分析。當(dāng)外界的電磁場(chǎng)與不完美的屏蔽電纜相互作用時(shí)，在電纜屏蔽層上可產(chǎn)生電流IS（x）和電壓VS（x），如圖2（a）所示，由此在電纜內(nèi)的任一芯線上產(chǎn)生感應(yīng)電流Ii（x）和電壓Vi（x）。外向內(nèi)到屏蔽電纜的場(chǎng)耦合有兩種方式：屏蔽材料的散射、屏蔽層空隙的穿透。這兩類方式的耦合可能發(fā)生在整個(gè)電纜上（分布式耦合）或電纜上隔開(kāi)的一些點(diǎn)，例如連接器的存在或屏蔽層本身的局部質(zhì)量缺陷所處的位置。

圖2 與屏蔽電纜分析相關(guān)的電壓與電流

對(duì)于分布式源電流，芯線上感應(yīng)的電壓與電流可采用傳輸線方程計(jì)算。如果屏蔽層上有某種開(kāi)孔，例如編織類型的屏蔽層，傳輸線方程將包括分布式并聯(lián)電流源和串聯(lián)電壓源。分布式源電壓是屏蔽層特性與屏蔽層電流的函數(shù)，分布式源電流取決于屏蔽層的特性與結(jié)構(gòu)，包括作為屏蔽層電流回路的信號(hào)參考平面。

如圖2（b）所示，長(zhǎng)度無(wú)限短的傳輸線包括一個(gè)分布式電壓源Ex（x）=ZT×IO（x）（式中的Io（x）是屏蔽層電流）和一個(gè)分布式電流源J（x）=-YT×VO（x）（式中的VO（x）是屏蔽層上的外部電壓）。屏蔽層特性與外部結(jié)構(gòu)被考慮進(jìn)轉(zhuǎn)移阻抗ZT和YT轉(zhuǎn)移導(dǎo)納，那么內(nèi)部感應(yīng)電壓Vi與感應(yīng)電流Ii的差分方程如（1-2）所示。

（1-2）

式中的Z是芯線和屏蔽層所形成的傳輸線的單位長(zhǎng)度的串聯(lián)阻抗，Y是其單位長(zhǎng)度的并聯(lián)導(dǎo)納。Ex（x）是單位長(zhǎng)度的電壓源，J（x）是單位長(zhǎng)度的電流源。對(duì)于電短的電纜，源端與負(fù)載端的端接阻抗分別為ZG和ZL，那么在端接阻抗上感應(yīng)的電流和電壓可用下式表示。

（1-3）

從（1-3）可以看出，如果IS×ZT>>VS×YT ×Z1，2，那么轉(zhuǎn)移導(dǎo)納可忽略不計(jì)。這一條件在屏蔽層電壓VS可忽略不計(jì)時(shí)成立（即屏蔽層端接的低阻抗外部電路），或者YT足夠小，也或源和負(fù)載阻抗足夠小（即低阻抗內(nèi)部電路）。低頻時(shí)，表面轉(zhuǎn)移阻抗等于屏蔽層的直流電阻;高頻（大于MHz）時(shí)，由于趨膚效應(yīng)，表面轉(zhuǎn)移阻抗下降，電纜屏蔽效能增大。趨膚效應(yīng)使噪聲電流只在屏蔽層外表面上流動(dòng)，而信號(hào)電流在內(nèi)表面上，消除了兩個(gè)電流間的公共阻抗耦合。

還有一種比較典型的不采用連接器的電纜端接法如圖11所示，它采用導(dǎo)電襯墊、簧片或其他類似的輔助夾具實(shí)現(xiàn)與外殼的360°搭接，這種設(shè)計(jì)實(shí)際上相當(dāng)于上面方法的一種擴(kuò)展。

圖11 導(dǎo)電襯墊法電纜屏蔽層端接

這種設(shè)計(jì)方法盡管接近于360°的導(dǎo)電連接，但其屏蔽效果受到較大限制，例如電纜粗細(xì)不一、電纜位置移動(dòng)等，都可能影響最終的屏蔽性能。

4.3 “豬尾巴”端接法

盡管“豬尾巴”端接是不推薦使用的設(shè)計(jì)方法，但在實(shí)踐中，因?yàn)橐恍┛陀^原因，它仍然有被采用的可能，在這種情況下，應(yīng)當(dāng)采取一些措施盡量降低“豬尾巴”連接的射頻阻抗，以降低對(duì)電纜屏蔽效能的影響，例如縮短連接線長(zhǎng)度。典型的“豬尾巴”式端接如圖12所示。

圖12 “豬尾巴”式端接典型應(yīng)用

4.4 電纜屏蔽層端接的實(shí)施

從技術(shù)角度看，屏蔽層的端接是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一部分，所以在實(shí)施時(shí)，應(yīng)符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)要求?；旧希瑧?yīng)主要考慮：1）根據(jù)產(chǎn)品情況設(shè)計(jì)合理的方案;2）設(shè)法降低搭接阻抗使轉(zhuǎn)移阻抗最小化;3）考慮環(huán)境防腐要求;4）加工、安裝等工藝環(huán)節(jié)應(yīng)確保實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。

在最終的電氣設(shè)備上，電纜的屏蔽性能與屏蔽層端接的正確實(shí)施有很大關(guān)系，而它的正確實(shí)施則取決于以下條件：

（1）前提——正確、全面的電纜屏蔽層端接設(shè)計(jì)方案;

（2）程序文件——應(yīng)有必要的程序文件進(jìn)行管理;

（3）技術(shù)規(guī)范——在加工、生產(chǎn)、安裝、驗(yàn)收的每一個(gè)環(huán)節(jié)，應(yīng)有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)章對(duì)與端接有關(guān)的技術(shù)要求進(jìn)行規(guī)范;

（4）人員——相關(guān)人員應(yīng)有必要的技術(shù)培訓(xùn)。

4.5 機(jī)車內(nèi)設(shè)備屏蔽電纜端接現(xiàn)狀

在機(jī)車內(nèi)的電氣設(shè)備中，上文述及的設(shè)計(jì)方法都有被工程師采用，多數(shù)設(shè)計(jì)也都體現(xiàn)了電磁兼容的設(shè)計(jì)思想，但因?yàn)樾盘?hào)接口的特殊需要，屏蔽電纜的端接普遍存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）屏蔽層端接的搭接技術(shù)要求得不到貫徹，例如搭接面的清潔、連接器外殼與屏蔽層的有效接觸，都得不到保證;

（2）存在較多的使用“豬尾巴”式端接的信號(hào)電纜;

（3）端接線的長(zhǎng)度沒(méi)有明確、統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)定，較為混亂;

（4）在管理上，沒(méi)有管控文件對(duì)搭接提出技術(shù)要求，不能有效控制端接設(shè)計(jì)的實(shí)際效果。

在未來(lái)產(chǎn)品的屏蔽電纜端接設(shè)計(jì)上，應(yīng)貫徹和實(shí)施相關(guān)的電磁兼容規(guī)范要求，按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)有效、合理的屏蔽電纜端接，從而提高設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

5.結(jié)語(yǔ)

電纜作為機(jī)車內(nèi)電氣產(chǎn)品信號(hào)互聯(lián)的重要載體，并且因?yàn)槠淇赡艿拈L(zhǎng)度和空間敷設(shè)，它的電磁兼容性能對(duì)系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行顯得尤為重要。屏蔽電纜作為實(shí)現(xiàn)電磁兼容的重要工具，它的合理、正確的端接是決定屏蔽電纜實(shí)際屏蔽效能的關(guān)鍵因素。本文詳細(xì)論述了端接阻抗對(duì)電纜屏蔽效能的影響，為機(jī)車內(nèi)的電氣產(chǎn)品的電纜屏蔽層端接設(shè)計(jì)提供了一些設(shè)計(jì)方法和技術(shù)要求，為工程師設(shè)計(jì)電磁兼容性高的設(shè)備提供了有價(jià)值的參考資料。但由于電磁兼容工程的復(fù)雜性，一些具體的設(shè)計(jì)方法有待進(jìn)一步的研究和分析，例如多層屏蔽電纜的端接設(shè)計(jì)。

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作者簡(jiǎn)介：

姚平剛（1981—），男，湖南華容人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，主要從事研發(fā)管理及硬件可靠性相關(guān)工作。

劉學(xué)全（1981—），男，江西興國(guó)人，大學(xué)本科，工程師，現(xiàn)供職于南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，主要從事硬件可靠性相關(guān)工作。