舱室电源电缆对屏蔽双绞线线束的电磁干扰研究*

平碧波　宋文武　王　春

(中国舰船研究设计中心　武汉　430064)

PING Bibo　SONG Wenwu　WANG Chun

(China Ship Development and Design Center, Wuhan　430064)



舱室电源电缆对屏蔽双绞线线束的电磁干扰研究*

平碧波宋文武王春

(中国舰船研究设计中心武汉430064)

现代舰船舱室中密集而又复杂的电缆布局常常会带来电磁兼容性问题，论文从传输线理论、屏蔽理论出发，分析电源电缆对舱室屏蔽双绞线线束的电磁干扰情况。在屏蔽室环境下对电源电缆和屏蔽双绞线线束直接的电磁干扰进行了实际测试。结果表明，外屏蔽层双端接地有着较低的电磁干扰，而外屏蔽层非测试端接地有着最大的干扰。在实际敷设电缆时应考虑舱室接地板地电流的影响，尽可能共接地点，并保证屏蔽层两端接地良好。

屏蔽双绞线线束; 屏蔽理论; 传输线理论; 电磁兼容

PING BiboSONG WenwuWANG Chun

(China Ship Development and Design Center, Wuhan430064)

Class NumberTM937

1　引言

现代舰船在狭窄的空间中配置大量的电子电气系统和设备，设备之间通过传输、控制线缆实现互连。线缆通常捆扎成束，便于固定和维修。相互靠近的线缆彼此之间会产生电磁耦合，通常称之为串扰[1～2]。这种电磁耦合会通过电缆向其他设备传导和辐射电磁信号，可能导致电磁兼容性问题[3]。

2　舱室线缆耦合模型分析

EMC分析过程中，常常将电磁兼容问题分解为电磁干扰源、干扰传播途径、敏感设备三个环节，并有针对性的进行分析和解决。随着计算电磁学的快速发展，电磁兼容问题的研究可以使用计算机进行定性、定量的仿真研究[4～6]。本文的研究过程主要使用实验测试[7～9]的方式，能够比较好地还原实际环境。论文研究的课题中舱室电源电缆为主要的干扰源，其通常工作在50Hz下，工作过程中可能产生高频干扰信号，本文研究的频率范围为50Hz～100KHz。干扰的主要传播路径为线缆之间的容、感性耦合；此外，船舶敷设的电缆由于处于金属板附近，往往还需要考虑其相应的电磁散射。受扰对象为单根屏蔽双绞线和37芯屏蔽双绞线线束，对于37芯屏蔽线束其剖切面示意图如图1所示，舱室电缆敷设模拟图如图2所示。

当屏蔽电缆处于外界电磁环境中时，外部电场和磁场就会穿透非理想的电缆屏蔽层，在内导体上产生干扰电压和电流[10]。外部电磁场对内部导体进行耦合干扰的主要方式有：屏蔽材料对电场的散射；电磁场穿过编织网型屏蔽体的网孔的透射；编织网各线或线束的重叠引起的复杂电感。

图1　37芯屏蔽双绞线线束剖切面示意图

图2　舱室电缆布置模拟图

屏蔽体的感应特性可以用其转移阻抗和转移导纳来进行描述，转移阻抗为内部电场强度Ei同屏蔽层电流强度Is之比。相应的，转移导纳为其对偶参数，描述的是屏蔽层上的部分电荷流至内部导线的过程。

图3　EMC问题的典型电路连接形式

电缆屏蔽层和内部导体以及外部地面之间分别形成两个耦合电路，其单位长度耦合示意图如图4、5所示。对于双线的情形，外部屏蔽体的电流Is与电压Vs及内部导体上的电流Ii与电压Vi可以用微分方程组进行描述。

内部电路：

(1)

(2)

外部电路：

(3)

(4)

图4　屏蔽层与内部导体间单位长度回路图

图5　屏蔽层与地之间单位长度回路图

(5)

(6)

(7)

(8)

对于屏蔽双绞线线束在外层使用屏蔽层包裹构成的统一结构，其电磁兼容性更加复杂。本文提出一种在屏蔽室环境下模拟舱室环境的电磁干扰测试系统，研究了线束在端接不同负载、屏蔽层不同接地方式、电源电缆和线束距金属底板不同高度下的电磁耦合量。

测试在屏蔽室下进行，屏蔽室外壳接地，以此模拟舱室金属环境。信号源产生的信号通过低频功放输送至电源电缆，且电源电缆往返线路距离足够远以避免方向相反的信号在受扰线上产生的干扰互相抵消。标称1Ω、200W大功率电阻能够起到定标电流的作用，每次测试均需使用GB-9B型高精度电压表检定该定标电阻上的电压，保证其工作在相同的电压下。对于网状结构的外屏蔽层，需要将所有屏蔽金属丝捆扎固定并利用屏蔽胶带紧密包裹并接在接地板上，避免与内层屏蔽层或者负载金属结构相接触，影响测试结果。

图6　模拟舱室环境下电源电缆与屏蔽双绞线线束电磁耦合测试示意图

3　模拟舱室环境下的电磁耦合测试结果及分析

测试用线有效长度(电源电缆和受扰线近距离接触长度)均为12m，以下结果描述过程中，对于线缆布置参数一律采用下述定义：

线缆间距d，电源电缆距离金属底板高度h_source，受扰线距离金属底板高度h_victim。

3.1单芯电缆测试结果

对于单芯屏蔽双绞线，主要研究了在电源电缆和受扰测试线在不同间距、不同高度、以及屏蔽层不同接地方式下的互耦大小。测试结果如图7～图12所示，图中四条曲线为相同测试布置下不同屏蔽形式下的测试结果。

图7　d=50cm,h_source=0cm,h_victim=0cm测试结果

从图7～图9(或图10～图12)可以看出，在相同间距情况下，测试高度在10cm时，电磁耦合结果较高度为0时更大。这很容易理解，在高度为0时来自金属板的反射更少，而在具有一定高度的情况下，金属板的反射似的耦合更加严重。对比图7和图12、图8和图11、图9和图10可以看到，线缆间距越小，电磁耦合量更大。对图7～图12各图中的四条曲线，可以发现测试端屏蔽层接地时的电磁耦合最小，非测试端屏蔽层接地时的电磁耦合最大，两端屏蔽层接地则比两端不接地时的电磁耦合小。

图8　d=50cm,h_source=10cm,h_victim=0cm的结果

图9　d=50cm,h_source=10cm,h_victim=10cm的结果

图10　d=25cm,h_source=10cm,h_victim=10cm的结果

图11　d=25cm,h_source=10cm,h_victim=0cm的结果

图12　d=25cm,h_source=0cm,h_victim=0cm测试结果

3.2多芯电缆测试结果

对于多芯双层屏蔽双绞线的情况，外层屏蔽层始终接地。主要研究的是不同电缆间距、不同电缆高度、内屏蔽层不同接地方式下的耦合特性。测试结果如图13～图16所示，其中FA为频谱仪。

图13　d=50cm,h_source=18.5cm,h_victim=18.5cm测试结果

图14　d=50cm,h_source=18.5cm,h_victim=0cm的结果

图15　d=25cm,h_source=18.5cm,h_victim=18.5cm测试结果

图16　d=25cm,h_source=18.5cm,h_victim=0cm测试结果

从结果中可以看到非测试端内屏蔽层接地时的耦合最大，测试端内屏蔽层接地的耦合最小，内屏蔽层两端接地的耦合结果则比两端不接地时的结果稍大一些，而频谱仪与公共接地点之家有小的间隔(10cm)时，测试结果偏大。

4　结语

从实验结果来看，不论是单屏蔽层线缆还是多层屏蔽电缆，对于非测试端屏蔽层接地时的耦合总是最大，而两端屏蔽层均接地耦合次之，两端屏蔽层不接地稍小，测试端屏蔽层接地时耦合最小。这可以从图13～图16中看出，测试端内屏蔽层接地点与频谱仪接地点不同时，测量结果较二者接地点相同时更大。测量结果的差异这种表明接地点之间存在着电位差。非测试端屏蔽层接地时耦合最大，这表明内屏蔽层对于经过外屏蔽层剩余的电磁耦合起到的屏蔽效果小于地电流的干扰。在舱室接地板上存在着电位差时，对于屏蔽双绞线，我们需要尽可能让接地点相同。

[1] C. R. Paul. Introduction to electromagnetic compatibility[M].Hoboken,NJ:Wiley,2006.

[2] F. M. Tesche. EMC Anasis Methods And Computational Models[M].New Jersey:Wiley,1997.

[3] 马伟明,张磊.独立电力系统及其电力电子装置的电磁兼容[M].北京：科学出版社，2007.

[4] NAVE M J. A novel differential mode rejection network for conducted emission diagnostic [C]//IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility，1989：223-227.

[5] MENG J，MA W M. A new technique for modeling and analysis of mixed-mode conducted EMI noise[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2004， 19(6)：1679-1687.[6] 张玉莲.电磁兼容仿真建模技术研究[D].西安：西安电子科技大学大学硕士学位论文,2006.

[7] 钱振宇.3C认证中的电磁兼容测试与对策[M].北京：电子工业出版社.

[8] 陈淑凤，马蔚宇，马晓庆.电磁兼容试验技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2001.

[9] Morgan. A handbook for EMC Testing and Measurement [M].IEEE Electrical Measurement Series 8, Peter Peregrinus, London,1994.

[10] Schelkunoff S.A. Theory of Lines and shields [J].Bell Syst. Tech. J.,1934,13:522-579.

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，硕士研究生，研究方向：电磁兼容。宋文武，男，博士，研究员，研究方向：电磁兼容。王春，男，博士，高级工程师，研究方向：电磁兼容、电磁场与微波技术。

TM937

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.046