电缆转移阻抗测量方法及实践

陈渊硕

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240）

在电气系统及电子系统领域，电缆能够将两个或多个不同的系统联系起来，起到能量传递和信息传送的作用.目前，电缆的电磁兼容主要存在两个问题：外界对电缆传输线的耦合;电缆传输线对外的辐射.［1］这两个问题主要取决于电缆的屏蔽效能，［2］也就是电缆屏蔽层的作用.随着电磁兼容方面的要求与日俱增，光靠理论分析已不能得到精确的结论，而测量转移阻抗是一种有效的度量屏蔽效能的方法.［3-4］本文通过实际测量转移阻抗，探索了提高电缆屏蔽效能的方法.

1 三同轴测试方法

转移阻抗是一个比值，在获得单位长度的电缆屏蔽层与电缆芯线上的电压降U以及屏蔽层上流经的感应电流I0这两项参数后，相除即可得到.转移阻抗是一项参数值，用于评估外界电磁波通过电缆屏蔽层的指标.电缆屏蔽层有3个作用：一是减少外界电磁场对电缆的干扰;二是减少相邻电缆间的耦合;三是减少电缆自身对外界的辐射.屏蔽电缆转移阻抗的最普遍形式为：［5］

式中：I0——电缆屏蔽层上流过的电流;

d U/d x——单位长度的电缆屏蔽层与电缆芯线上的电压降;

I——电缆芯线上流过的电流.

三同轴测量方法是一种比较快速有效的测量转移阻抗的方法，［6］可用于测量同轴电缆、类同轴屏蔽对称电缆、屏蔽多芯电缆等多种型号的电缆.所谓三同轴就是在被测电缆外部安装一根外回流圆管，将被测电缆套在里面，由被测电缆芯线、被测电缆屏蔽层和外屏蔽层（外回流圆管）构成三同轴的结构，如图1所示.

图1 三同轴测试系统示意

三同轴测量方法所需的条件是一个相对理想化的状态，且该方法是针对同轴电缆制定的，其测试结构要求严格.三同轴测量方法在适应频率范围上较有优势，可以随被测电缆长度的变化而发生改变.［7］一般而言，如果被测电缆的长度为1 m，可用于测量的频率应低于30 MHz;如果被测电缆的长度为0.3 m，可用于测量的频率应低于100 MHz.

由于其所需条件相对理想化而不易满足，因此在实际实验过程中要对三同轴法作改良.改良的方法如下：将测量线的l端点与驱动线的2端点短接，使被测电缆的芯线与被测电缆的屏蔽层构成内部回路，而测量工具与被测电缆的屏蔽层构成外部回路.这样的改良处理存在一定的缺陷，由于l端点与2端点短接后，会造成被测电缆的芯线上流过的电流分配不均匀，从而使测量的频率范围有所减小，但仍能够完成测试.［8］

2 实验装置搭建及实验结果分析

2.1 实验装置搭建

本实验中，采用一根长钢管作为外回流管.由于被测电缆的芯线与屏蔽层本身已经在被测电缆中形成了二同轴，加套一个外回流圆管后即构成三同轴的结构.由于钢管比较长，可在钢管中每隔一段距离架上支架，尽量使被测电缆与外回流管在同一轴线上.

为了模拟实际工程中的外部干扰对电缆内部芯线的耦合程度，需要选择激励源.可以向电缆屏蔽层注入冲击电流，选择冲击电流发生器，并采用8/20μs波形的冲击电流.

具体接线情况如下：在电源端，将电缆芯线与电缆屏蔽层焊在一起;将冲击电流正极接在电缆芯线及屏蔽层上，负极连在外回流圆管上;在测量端，用手工将电缆屏蔽层和电缆芯线分离，并分开放置;将电缆芯线接在示波器上，并将外回流圆管与屏蔽层连接在一起;将测量端的示波器的信号输入端接在电缆芯线上，而地线就接在电缆屏蔽层与外回流管的连线上.［9］

2.2 实验结果及分析

每注入一次冲击电流后，分别记录电源端和测试端示波器的波形，对采集到的波形进行滤波处理.滤波后，对波形进行傅立叶分解，得到电压和电流的频谱分析.将两者相除后，即可得到转移阻抗的值.［10］图2和图3分别为两种不同型号的电缆在无分流情况下得到的转移阻抗波形图.

图2 jvvp电缆无分流情况下转移阻抗波形

从图2和图3可以看出，在低频下转移阻抗总体变化不大，其原因是在这个频段里，影响转移阻抗的重要因素是电缆屏蔽层的分离作用，表现为电缆屏蔽层的直流电阻;而在高频下，外界电磁场能量经由电缆屏蔽层上的孔洞与电缆芯线形成耦合作用，随着频率的增加，转移阻抗迅速增加.［11］比较jvvp电缆和kvv22电缆的转移阻抗波形可以发现，前者较为曲折而后者较为光滑，这是由于两种电缆的屏蔽层结构不同所致.由于jvvp电缆的编织网形电缆屏蔽层是密集孔结构，［12］较易为外力作用所改变，因此电磁能量在耦合过程中的路径存在多变性;kvv22电缆的钢铠屏蔽层质地较为厚实，是缝结构，且不易发生形变，因此电磁能量在耦合过程中的路径比较有规律性.

图3 kvv22电缆无分流情况下转移阻抗波形

在无法改变电缆内部屏蔽层的前提下，可以为屏蔽层添加分流物，以提高电缆的抗干扰能力.在上述所做的实验中，冲击电流只打在电缆芯线与屏蔽层上，而并联分流物后，外部进入的冲击电流将打在电缆芯线、屏蔽层及分流物上，冲击电流势必会从分流物上分流掉一部分.测量这种接线方式下的电缆转移阻抗，可以选择不同的分流物，观察分流物的分流能力.在本实验中对电缆屏蔽层加装铜带或扁钢分流，即在外回流管中铺设铜带或扁钢，接线示意图如图4所示.

图4 用扁钢或铜带作为分流线的接线示意

图5和图6分别为同型号电缆加分流物后得到的转移阻抗波形图，可以看出，用扁钢或铜带作分流后，所得到的转移阻抗值确实比无分流情况下的转移阻抗值小.其主要原因是经过分流物与电缆屏蔽层的并联分流后，电缆上的冲击电流比无分流时少了很多，降低了电缆芯线上耦合出的电压，使得电缆末端感应电压明显减小，对电缆造成的干扰也相应减小，从而提高了电缆的屏蔽效果.也就是说，外加分流物可以改进电缆的屏蔽效果.而通过扁钢分流的转移阻抗值比通过铜带分流的转移阻抗值小，这说明扁钢分流比铜带能更好地增强屏蔽效能.

图5 kvv22电缆铜带分流情况下转移阻抗波形

图6 kvv22电缆扁钢分流情况下转移阻抗波形

理论上，为了得到更好的屏蔽效果，可以采取几种分流物组合在一起的方法，［13］例如扁钢与铜带并联分流，但需要考虑扁钢与铜带之间的谐振问题.

3 结论

（1）三同轴测量转移阻抗方法效果较好，经过简单改进的三同轴装置比较容易实现.

（2）电缆的屏蔽效果由屏蔽层的性质所决定，孔结构电缆屏蔽层易发生形变，且屏蔽效果不稳定，而钢铠结构屏蔽层不易形变，且屏蔽效果相对较稳定.在实际应用中，应根据电磁兼容方面的要求，结合设计成本等因素加以考虑，选择合适的电缆.

（3）外加分流物可以有效减小转移阻抗数值，增强屏蔽效果，如扁钢分流比铜带分流的效果更好.在实际应用中，如果使用外加分流物增强屏蔽效果，须结合实际情况，并考虑安全因素.

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