艙室電源電纜對屏蔽雙絞線線束的電磁干擾研究*

平碧波　宋文武　王　春

(中國艦船研究設(shè)計中心　武漢　430064)

PING Bibo　SONG Wenwu　WANG Chun

(China Ship Development and Design Center, Wuhan　430064)

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艙室電源電纜對屏蔽雙絞線線束的電磁干擾研究*

平碧波宋文武王春

(中國艦船研究設(shè)計中心武漢430064)

現(xiàn)代艦船艙室中密集而又復(fù)雜的電纜布局常常會帶來電磁兼容性問題，論文從傳輸線理論、屏蔽理論出發(fā)，分析電源電纜對艙室屏蔽雙絞線線束的電磁干擾情況。在屏蔽室環(huán)境下對電源電纜和屏蔽雙絞線線束直接的電磁干擾進(jìn)行了實(shí)際測試。結(jié)果表明，外屏蔽層雙端接地有著較低的電磁干擾，而外屏蔽層非測試端接地有著最大的干擾。在實(shí)際敷設(shè)電纜時應(yīng)考慮艙室接地板地電流的影響，盡可能共接地點(diǎn)，并保證屏蔽層兩端接地良好。

屏蔽雙絞線線束; 屏蔽理論; 傳輸線理論; 電磁兼容

PING BiboSONG WenwuWANG Chun

(China Ship Development and Design Center, Wuhan430064)

Class NumberTM937

1　引言

現(xiàn)代艦船在狹窄的空間中配置大量的電子電氣系統(tǒng)和設(shè)備，設(shè)備之間通過傳輸、控制線纜實(shí)現(xiàn)互連。線纜通常捆扎成束，便于固定和維修。相互靠近的線纜彼此之間會產(chǎn)生電磁耦合，通常稱之為串?dāng)_[1～2]。這種電磁耦合會通過電纜向其他設(shè)備傳導(dǎo)和輻射電磁信號，可能導(dǎo)致電磁兼容性問題[3]。

2　艙室線纜耦合模型分析

EMC分析過程中，常常將電磁兼容問題分解為電磁干擾源、干擾傳播途徑、敏感設(shè)備三個環(huán)節(jié)，并有針對性的進(jìn)行分析和解決。隨著計算電磁學(xué)的快速發(fā)展，電磁兼容問題的研究可以使用計算機(jī)進(jìn)行定性、定量的仿真研究[4～6]。本文的研究過程主要使用實(shí)驗(yàn)測試[7～9]的方式，能夠比較好地還原實(shí)際環(huán)境。論文研究的課題中艙室電源電纜為主要的干擾源，其通常工作在50Hz下，工作過程中可能產(chǎn)生高頻干擾信號，本文研究的頻率范圍為50Hz～100KHz。干擾的主要傳播路徑為線纜之間的容、感性耦合；此外，船舶敷設(shè)的電纜由于處于金屬板附近，往往還需要考慮其相應(yīng)的電磁散射。受擾對象為單根屏蔽雙絞線和37芯屏蔽雙絞線線束，對于37芯屏蔽線束其剖切面示意圖如圖1所示，艙室電纜敷設(shè)模擬圖如圖2所示。

當(dāng)屏蔽電纜處于外界電磁環(huán)境中時，外部電場和磁場就會穿透非理想的電纜屏蔽層，在內(nèi)導(dǎo)體上產(chǎn)生干擾電壓和電流[10]。外部電磁場對內(nèi)部導(dǎo)體進(jìn)行耦合干擾的主要方式有：屏蔽材料對電場的散射；電磁場穿過編織網(wǎng)型屏蔽體的網(wǎng)孔的透射；編織網(wǎng)各線或線束的重疊引起的復(fù)雜電感。

圖1　37芯屏蔽雙絞線線束剖切面示意圖

圖2　艙室電纜布置模擬圖

屏蔽體的感應(yīng)特性可以用其轉(zhuǎn)移阻抗和轉(zhuǎn)移導(dǎo)納來進(jìn)行描述，轉(zhuǎn)移阻抗為內(nèi)部電場強(qiáng)度Ei同屏蔽層電流強(qiáng)度Is之比。相應(yīng)的，轉(zhuǎn)移導(dǎo)納為其對偶參數(shù)，描述的是屏蔽層上的部分電荷流至內(nèi)部導(dǎo)線的過程。

圖3　EMC問題的典型電路連接形式

電纜屏蔽層和內(nèi)部導(dǎo)體以及外部地面之間分別形成兩個耦合電路，其單位長度耦合示意圖如圖4、5所示。對于雙線的情形，外部屏蔽體的電流Is與電壓Vs及內(nèi)部導(dǎo)體上的電流Ii與電壓Vi可以用微分方程組進(jìn)行描述。

內(nèi)部電路：

(1)

(2)

外部電路：

(3)

(4)

圖4　屏蔽層與內(nèi)部導(dǎo)體間單位長度回路圖

圖5　屏蔽層與地之間單位長度回路圖

(5)

(6)

(7)

(8)

對于屏蔽雙絞線線束在外層使用屏蔽層包裹構(gòu)成的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，其電磁兼容性更加復(fù)雜。本文提出一種在屏蔽室環(huán)境下模擬艙室環(huán)境的電磁干擾測試系統(tǒng)，研究了線束在端接不同負(fù)載、屏蔽層不同接地方式、電源電纜和線束距金屬底板不同高度下的電磁耦合量。

測試在屏蔽室下進(jìn)行，屏蔽室外殼接地，以此模擬艙室金屬環(huán)境。信號源產(chǎn)生的信號通過低頻功放輸送至電源電纜，且電源電纜往返線路距離足夠遠(yuǎn)以避免方向相反的信號在受擾線上產(chǎn)生的干擾互相抵消。標(biāo)稱1Ω、200W大功率電阻能夠起到定標(biāo)電流的作用，每次測試均需使用GB-9B型高精度電壓表檢定該定標(biāo)電阻上的電壓，保證其工作在相同的電壓下。對于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的外屏蔽層，需要將所有屏蔽金屬絲捆扎固定并利用屏蔽膠帶緊密包裹并接在接地板上，避免與內(nèi)層屏蔽層或者負(fù)載金屬結(jié)構(gòu)相接觸，影響測試結(jié)果。

圖6　模擬艙室環(huán)境下電源電纜與屏蔽雙絞線線束電磁耦合測試示意圖

3　模擬艙室環(huán)境下的電磁耦合測試結(jié)果及分析

測試用線有效長度(電源電纜和受擾線近距離接觸長度)均為12m，以下結(jié)果描述過程中，對于線纜布置參數(shù)一律采用下述定義：

線纜間距d，電源電纜距離金屬底板高度h_source，受擾線距離金屬底板高度h_victim。

3.1單芯電纜測試結(jié)果

對于單芯屏蔽雙絞線，主要研究了在電源電纜和受擾測試線在不同間距、不同高度、以及屏蔽層不同接地方式下的互耦大小。測試結(jié)果如圖7～圖12所示，圖中四條曲線為相同測試布置下不同屏蔽形式下的測試結(jié)果。

圖7　d=50cm,h_source=0cm,h_victim=0cm測試結(jié)果

從圖7～圖9(或圖10～圖12)可以看出，在相同間距情況下，測試高度在10cm時，電磁耦合結(jié)果較高度為0時更大。這很容易理解，在高度為0時來自金屬板的反射更少，而在具有一定高度的情況下，金屬板的反射似的耦合更加嚴(yán)重。對比圖7和圖12、圖8和圖11、圖9和圖10可以看到，線纜間距越小，電磁耦合量更大。對圖7～圖12各圖中的四條曲線，可以發(fā)現(xiàn)測試端屏蔽層接地時的電磁耦合最小，非測試端屏蔽層接地時的電磁耦合最大，兩端屏蔽層接地則比兩端不接地時的電磁耦合小。

圖8　d=50cm,h_source=10cm,h_victim=0cm的結(jié)果

圖9　d=50cm,h_source=10cm,h_victim=10cm的結(jié)果

圖10　d=25cm,h_source=10cm,h_victim=10cm的結(jié)果

圖11　d=25cm,h_source=10cm,h_victim=0cm的結(jié)果

圖12　d=25cm,h_source=0cm,h_victim=0cm測試結(jié)果

3.2多芯電纜測試結(jié)果

對于多芯雙層屏蔽雙絞線的情況，外層屏蔽層始終接地。主要研究的是不同電纜間距、不同電纜高度、內(nèi)屏蔽層不同接地方式下的耦合特性。測試結(jié)果如圖13～圖16所示，其中FA為頻譜儀。

圖13　d=50cm,h_source=18.5cm,h_victim=18.5cm測試結(jié)果

圖14　d=50cm,h_source=18.5cm,h_victim=0cm的結(jié)果

圖15　d=25cm,h_source=18.5cm,h_victim=18.5cm測試結(jié)果

圖16　d=25cm,h_source=18.5cm,h_victim=0cm測試結(jié)果

從結(jié)果中可以看到非測試端內(nèi)屏蔽層接地時的耦合最大，測試端內(nèi)屏蔽層接地的耦合最小，內(nèi)屏蔽層兩端接地的耦合結(jié)果則比兩端不接地時的結(jié)果稍大一些，而頻譜儀與公共接地點(diǎn)之家有小的間隔(10cm)時，測試結(jié)果偏大。

4　結(jié)語

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，不論是單屏蔽層線纜還是多層屏蔽電纜，對于非測試端屏蔽層接地時的耦合總是最大，而兩端屏蔽層均接地耦合次之，兩端屏蔽層不接地稍小，測試端屏蔽層接地時耦合最小。這可以從圖13～圖16中看出，測試端內(nèi)屏蔽層接地點(diǎn)與頻譜儀接地點(diǎn)不同時，測量結(jié)果較二者接地點(diǎn)相同時更大。測量結(jié)果的差異這種表明接地點(diǎn)之間存在著電位差。非測試端屏蔽層接地時耦合最大，這表明內(nèi)屏蔽層對于經(jīng)過外屏蔽層剩余的電磁耦合起到的屏蔽效果小于地電流的干擾。在艙室接地板上存在著電位差時，對于屏蔽雙絞線，我們需要盡可能讓接地點(diǎn)相同。

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EMI Between Cabin Power Cables and Shielded Twisted-Pair Bundle*

Electromagnetic compatibility problems occur when complex and dense cables lay in modern ship cabin. This paper tries to analyze the EMI between cabin power cable and shielded twisted-pair bundle with the shielding theory and transmission line theory. An experiment in the shielded room on the EMI between the cabin power cable and shielded twisted-pair bundle is taken. The results show that the electromagnetic interference is relatively low when both ends of the external shield is grounded, and the EMI will be the highest when only the non-tested end is grounded. The current is taken on the metal ground board into consideration and all the ground in same position. Otherwise, the shields should be grounded well.

shielded twisted-pair bundle, shielding theory, transmission line theory, EMC

2016年2月11日,

2016年3月19日

平碧波，男，碩士研究生，研究方向：電磁兼容。宋文武，男，博士，研究員，研究方向：電磁兼容。王春，男，博士，高級工程師，研究方向：電磁兼容、電磁場與微波技術(shù)。

TM937

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.046