通信电缆工频条件下理想屏蔽系数测试系统

许 博， 毛庆传， 涂建坤， 甘 屹

(1.上海理工大学机械工程学院，上海200093;2.上海电缆研究所，上海200093)

0 引言

通信电缆的金属护层不仅具有一定的机械性能、密封性能和防腐蚀性能，而且具有一定的屏蔽外界电磁场干扰的作用。计算和测量通信电缆在工频(50 Hz)条件下各种金属护层的屏蔽特性，这对于通信电缆线路防护输电线路、电气化铁路和无线电台等干扰具有重要意义。

将通信电缆的金属护层和铠装钢带接地，便能屏蔽来自输电线路以及其他的外电磁场干扰。所谓通信电缆的理想屏蔽系数，就是假设电缆金属护层的接地电阻等于零(理想的接地条件)时的屏蔽系数。

本文设计和讨论的测试系统就是旨在测量工频下通信电缆的理想屏蔽系数，至于接地电阻对通信电缆屏蔽效果的影响，则不在本测量系统考虑范围之内。

1 通信电缆理想屏蔽系数的数学描述

通信电缆线路在与输电线路平行或交越时，在交变电磁场的作用下，往往通过通信线路与输电线路间的耦合电容和耦合电感(埋地电缆主要是通过耦合电感)对通信电缆线路产生电磁干扰并危及通信的安全。如图1所示，当干扰回路1有电流I1流过，若电缆金属护层两端接地电阻为零的理想情况时，在电缆护层上有感应电流I2流过。假定通信线路与输电线路邻近的长度为L，则通过干扰回路1、被干扰回路2，及其两回路构成的感应回路3之间的关系可由以下各式表示:

图1 通信电缆屏蔽原理

式中，Z2为电缆金属护层阻抗;Z12为干扰线路与电缆金属护层之间的互感阻抗;Z13为干扰线路与电缆导电线芯之间的互感阻抗;Z23为电缆金属护层与电缆导电线芯之间的互感阻抗;E3为电缆金属护层接地时电缆导电线芯上的感应纵向电动势。

假如电缆无金属护层时，电缆导电线芯上的感应电动势为E′3=I1Z13。但是，由于电缆具有接地的金属护层后，产生了与E′3方向相反的感应电动势E3，抵消输电线路的部分干扰作用，使导电线芯上的感应电动势降低，金属护层的这种作用，即为屏蔽作用。表征电缆金属护层对外界电磁场影响屏蔽效果的参数即为电缆金属护层的理想屏蔽系数，可由下式计算:

式中，r为接地电阻为零时的理想屏蔽系数;E3为电缆金属屏蔽护层接地时导电线芯上的感应纵向电动势;E′3为无金属屏蔽护层时导电线芯上的感应纵向电动势。

2 测试系统的实现方案

2.1 测试系统外电路

根据我国国家标准通信电缆试验方法，外电路接线方案如图2所示。

图2 测试系统外电路接线

图中，变频电源的容量为10 kVA，频率为50 Hz，电压可在0～300 V之间连续调节，目的是在一定电压可调范围内测量屏蔽层的电压值。升流器的容量同样为10 kVA，输出电压为4 V，它的作用是在回路中产生大电流，从而使电缆产生感应电压。通信电缆试样的长度为1.2 m，大电流框架回路能够很好地模拟埋地电缆的导电率。通过绝缘导线将镀银夹环与电缆连接，并保证使其具有很小的不变化的接触电阻;两电流夹环中心距离，即电缆的有效长度L1=1 m。此时，电缆上的感应电压为Vc，纵向干扰电压为Vs。由式(3)可知，其理想屏蔽系数为r=

2.2 控制系统硬件设计

如图3所示，本测试系统的硬件部分采用AT89C51为控制核心，由放大电路、正弦波转换有效值模块、A/D转换模块和RS232模块等部分组成。

图3 信号的采集与分析

信号采集使用的控制芯片是AT89C51单片机。Vc和Vs电压信号在几十毫伏到几百毫伏之间，所以为了能够达到单片机所能处理的信号，要首先接入放大电路。在进行A/D转换之前，需要将经过放大的交流电压信号转换为有效值。Vc和Vs两个电压信号经过上述转换后得到两个数字信号Dc和Ds，并通过RS232和计算机将所采集到的电压信号传输到计算机中，再由计算机求出比值Dc/Ds，即理想屏蔽系数。调节电源电压，重复上述过程，便可以得到在不同电压下的理想屏蔽系数曲线。

各个模块具体采用芯片如下:

在信号放大方面，硬件部分放大电路把mV级的输入电压通过LMC6062运算放大器放大到单片机能够处理的5 V电压。LMC6062是国家半导体公司生产的双CMOS运算放大器，最大额定电压为16 V，可在5～15 V单电源下工作，性能优良，保证了精度。

正弦波转换有效值芯片采用AD536AK芯片。AD536是美国AD公司推出的一种专门用于真有效值－直流转换的单片集成电路，它可直接计算出任何包含交流分量的复杂输入波形的真有效值，并将其转换成直流输出信号。高精度激光校正的最大误差为0.2%;450 kHz带宽时的输出电压有效值大于100 mV，2 MHz带宽时的输出电压有效值大于1 V。误差为±1%时，有效值输出范围0～7 V;对数输出范围60 dB;采用单路或双路电源供电工作。

AD芯片采用AD1674芯片。AD1674是美国AD公司推出的一种12位并行模/数转换的单片集成电路。它采用逐次逼近工作方式，转换速度快，采样频率可达100 kHz，且片内自带有采样/保持器和具有三态输出的缓冲器，能使电路设计更为简单且易与各种计算机连接。

在串口RS232通信中，为使干扰对数据传输的影响降到最低，将地线、数据连接完全隔开而实现绝缘，地线绝缘使得一个电路对电源震荡和附近电路共用的地线中的噪声干扰具有免疫能力，绝缘数据连接避免了噪声在连接和它所连接到的电路之间的耦合。

2.3 控制系统软件设计

本测试系统控制部分流程如图4所示。

2.4 操作界面与结果显示

本测试系统的操作界面由VC6.0编写，可对测试系统直接进行控制。其测试界面如图5所示，它测试的是某通信电缆的理想屏蔽系数。界面上可以控制系统的初始化，制定电压范围，选择连续或离散测试模式并能够保存和打印。

图4 控制部分流程图

测试结果可以保存并可导出各电压值下的理想屏蔽系数。以上述测试的某通信电缆的结果为例作如下说明。图5系统操作界面显示了该产品理想屏蔽系数曲线，通过该曲线可获得任意电压下电缆的理想屏蔽系数(见表1);其次，假定该产品技术要求规定理想屏蔽系数应小于0.6，则可在图中划出一条以理想屏蔽系数为0.6的标准合格线，若曲线均在合格线之下，就表明该产品合格。

表1 30～150 mV电压下电缆屏蔽层的理想屏蔽系数

3 结论

所研制的通信电缆工频条件下理想屏蔽系数测试系统符合国家相关标准，控制部分采用高速51内核，既满足了工程上的要求又有效控制了成本。通过与计算机的串口通信实现了PC对该系统数据采集的控制，并且通过专用的操作界面进行数据分析和图像化显示，便于操作和管理。实际工作表明，该系统运行稳定，精度符合要求。

图5 系统操作界面

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