机车电气设备屏蔽电缆端接技术分析及设计.docx

机车电气设备屏蔽电缆端接技术分析及设计 姚平刚 刘学全【摘要】通过对屏蔽电缆端接的详细分析和论述，介绍了影响表面转移阻抗的技术因素，并详细介绍了有关机车内电气设备屏蔽电缆的端接设计方法与技术，为工程师提供了电缆屏蔽的设计参考。【关键词】机车;电缆;端接;屏蔽;搭接;转移阻抗1.引言机车上使用的电气设备因为信号互联的需要，使用了大量不同类型电缆，例如同轴电缆、双绞屏蔽电缆等。因为被传输信号的不同，它们呈现出大不相同的电磁特性。尤其是考虑到电磁兼容性，不同的屏蔽电缆被用于产品设计。屏蔽电缆的效用最大化，除了根据应用选择合适的屏蔽类型，也依赖于屏蔽电缆的正确端接。但在实践中，因为信号互联及设备应用环境的复杂性，屏蔽电缆的端接是一个始终困扰工程师的难题。屏蔽电缆何时单端/双端接地以及如何端接，在不同的行业、不同的设备上一直有很大争议。在铁路标准TB/T 3153-2007铁路应用机车车辆布线规则和TB/T 1759-2003铁道客车配线布线规则中，亦述及屏蔽电缆的端接，但因其是标准，不能给出具体可操作的设计方法，也未能深入进行技术分析，工程师难以理解电缆屏蔽端接的技术含义。所以，有必要对屏蔽电缆的端接技术进行深入剖析，为工程师进行屏蔽电缆端接设计提供技术参考和支持。2.屏蔽电缆的端接在什么地方以及如何端接屏蔽电缆是实现屏蔽电缆性能的关键因素。屏蔽电缆的资料一般仅给出电缆屏蔽材料本身的特性，并不考虑电缆屏蔽层的端接对整体转移阻抗的影响。在一个屏蔽系统中，沿电缆屏蔽层传导的RF电流很容易从没有正确端接的电缆上的任何一个点耦合到系统，尤其是暴露在高强射频电磁磁场中的系统。不合理的端接不仅可能影响电路的屏蔽，而且可能因为电缆屏蔽与电路信号导体的相互作用而产生二次效应。通常，这种相互影响被归罪于屏蔽层，而不是不合理的电路接地拓扑。所以，工程师会因此断开屏蔽层，而不是去检查流进敏感电路的电流路径。所以，若要维持电缆的屏蔽效能，必须提供低阻抗的电缆屏蔽层端接。2.1 什么是端接“端接”是工程師比较熟悉的术语。电路端接是为了消除/减小信号反射以提高信号传输质量，而屏蔽电缆的端接则是为了满足：（1）实现屏蔽，满足电磁兼容要求;（2）实现信号功能，满足设备性能要求。屏蔽电缆的端接是指采用一定的方法或技术将电缆的屏蔽层与设备的参考基准（或地）连接在一起，满足屏蔽及信号传输的需要。屏蔽电缆的端接通常采用两种方法：（1）“猪尾巴”法;（2）360环接法。2.2 屏蔽层端接的作用屏蔽电缆的屏蔽层由铜、铝等非磁性材料制成，其厚度一般远小于使用频率上金属材料的集肤深度，它的屏蔽效能主要不是因为屏蔽层材料的反射、吸收产生，而是因屏蔽层的端接产生（即接地）的。不同的端接形式将直接影响屏蔽效果，对于电场和磁场，屏蔽层的端接方式亦不同。如果屏蔽电缆的屏蔽层不端接（不接地）或不正确端接，都可能会产生干扰问题，甚至影响功能的实现。图1是电缆屏蔽层不接地所带来的影响，图中为等效电路。图1 屏蔽层不端接电场干扰干扰电压Uq经过分布电容Ck耦合到屏蔽电缆屏蔽层上的A点，并经由分布电容Ca耦合到屏蔽电缆的芯线，从而干扰有用信号。如果将A点接地，则UA为零，不再有干扰信号耦合至芯线。其他端接方式对不同干扰信号的影响本文不再赘述，有兴趣的读者可参考相关资料。2.3 屏蔽层表面转移阻抗屏蔽层表面转移阻抗用来衡量电缆的屏蔽效能，这一参数是电缆屏蔽层本身的特性表示中心导体和屏蔽层之间的开路电压（单位长度）与屏蔽层电流之间的关系。屏蔽层表面转移阻抗可写成（1-1）的简化形式：（1-1）式中的是转移阻抗，用/m表示;IS是屏蔽层上的电流;V是内导体与屏蔽层之间感应的电压;l是电缆长度，用m表示。屏蔽电缆的表面转移阻抗还可采用更为精确的方式描述并加以分析。当外界的电磁场与不完美的屏蔽电缆相互作用时，在电缆屏蔽层上可产生电流IS（x）和电压VS（x），如图2（a）所示，由此在电缆内的任一芯线上产生感应电流Ii（x）和电压Vi（x）。外向内到屏蔽电缆的场耦合有两种方式：屏蔽材料的散射、屏蔽层空隙的穿透。这两类方式的耦合可能发生在整个电缆上（分布式耦合）或电缆上隔开的一些点，例如连接器的存在或屏蔽层本身的局部质量缺陷所处的位置。图2 与屏蔽电缆分析相关的电压与电流对于分布式源电流，芯线上感应的电压与电流可采用传输线方程计算。如果屏蔽层上有某种开孔，例如编织类型的屏蔽层，传输线方程将包括分布式并联电流源和串联电压源。分布式源电压是屏蔽层特性与屏蔽层电流的函数，分布式源电流取决于屏蔽层的特性与结构，包括作为屏蔽层电流回路的信号参考平面。如图2（b）所示，长度无限短的传输线包括一个分布式电压源Ex（x）=ZTIO（x）（式中的Io（x）是屏蔽层电流）和一个分布式电流源J（x）=-YTVO（x）（式中的VO（x）是屏蔽层上的外部电压）。屏蔽层特性与外部结构被考虑进转移阻抗ZT和YT转移导纳，那么内部感应电压Vi与感应电流Ii的差分方程如（1-2）所示。（1-2）式中的Z是芯线和屏蔽层所形成的传输线的单位长度的串联阻抗，Y是其单位长度的并联导纳。Ex（x）是单位长度的电压源，J（x）是单位长度的电流源。对于电短的电缆，源端与负载端的端接阻抗分别为ZG和ZL，那么在端接阻抗上感应的电流和电压可用下式表示。（1-3）从（1-3）可以看出，如果ISZTVSYT Z1，2，那么转移导纳可忽略不计。这一条件在屏蔽层电压VS可忽略不计时成立（即屏蔽层端接的低阻抗外部电路），或者YT足够小，也或源和负载阻抗足够小（即低阻抗内部电路）。低频时，表面转移阻抗等于屏蔽层的直流电阻;高频（大于MHz）时，由于趋肤效应，表面转移阻抗下降，电缆屏蔽效能增大。趋肤效应使噪声电流只在屏蔽层外表面上流动，而信号电流在内表面上，消除了两个电流间的公共阻抗耦合。还有一种比较典型的不采用连接器的电缆端接法如图11所示，它采用导电衬垫、簧片或其他类似的辅助夹具实现与外壳的360搭接，这种设计实际上相当于上面方法的一种扩展。图11 导电衬垫法电缆屏蔽层端接这种设计方法尽管接近于360的导电连接，但其屏蔽效果受到较大限制，例如电缆粗细不一、电缆位置移动等，都可能影响最终的屏蔽性能。4.3 “猪尾巴”端接法尽管“猪尾巴”端接是不推荐使用的设计方法，但在实践中，因为一些客观原因，它仍然有被采用的可能，在这种情况下，应当采取一些措施尽量降低“猪尾巴”连接的射频阻抗，以降低对电缆屏蔽效能的影响，例如缩短连接线长度。典型的“猪尾巴”式端接如图12所示。图12 “猪尾巴”式端接典型应用4.4 电缆屏蔽层端接的实施从技术角度看，屏蔽层的端接是结构设计的一部分，所以在实施时，应符合结构设计技术要求。基本上，应主要考虑：1）根据产品情况设计合理的方案;2）设法降低搭接阻抗使转移阻抗最小化;3）考虑环境防腐要求;4）加工、安装等工艺环节应确保实现设计要求。在最终的电气设备上，电缆的屏蔽性能与屏蔽层端接的正确实施有很大关系，而它的正确实施则取决于以下条件：（1）前提正确、全面的电缆屏蔽层端接设计方案;（2）程序文件应有必要的程序文件进行管理;（3）技术规范在加工、生产、安装、验收的每一个环节，应有相应的技术规章对与端接有关的技术要求进行规范;（4）人员相关人员应有必要的技术培训。4.5 机车内设备屏蔽电缆端接现状在机车内的电气设备中，上文述及的设计方法都有被工程师采用，多数设计也都体现了电磁兼容的设计思想，但因为信号接口的特殊需要，屏蔽电缆的端接普遍存在以下几个问题：（1）屏蔽层端接的搭接技术要求得不到贯彻，例如搭接面的清洁、连接器外壳与屏蔽层的有效接触，都得不到保证;（2）存在较多的使用“猪尾巴”式端接的信号电缆;（3）端接线的长度没有明确、统一的技术规定，较为混乱;（4）在管理上，没有管控文件对搭接提出技术要求，不能有效控制端接设计的实际效果。在未来产品的屏蔽电缆端接设计上，应贯彻和实施相关的电磁兼容规范要求，按照相关技术规范进行设计，实现有效、合理的屏蔽电缆端接，从而提高设备的运行稳定性和可靠性。5.结语电缆作为机车内电气产品信号互联的重要载体，并且因为其可能的长度和空间敷设，它的电磁兼容性能对系统的可靠、稳定运行显得尤为重要。屏蔽电缆作为实现电磁兼容的重要工具，它的合理、正确的端接是决定屏蔽电缆实际屏蔽效能的关键因素。本文详细论述了端接阻抗对电缆屏蔽效能的影响，为机车内的电气产品的电缆屏蔽层端接设计提供了一些设计方法和技术要求，为工程师设计电磁兼容性高的设备提供了有价值的参考资料。但由于电磁兼容工程的复杂性，一些具体的设计方法有待进一步的研究和分析，例如多层屏蔽电缆的端接设计。参考文献1陈穷主编.电磁兼容性工程设计手册M.国防工业出版社（第一版），1993，10.2A John Wiley & Sons，Grounds for grounding a circuit-to-system handbook，Elya B. Joffe，Kai-Sang Lock，IEEE Press，Inc.，Publication，ISBN 978-0471-66008-8.3Ralph Morrison，Grounding And Shielding Circuits and Interference，IEEE Press，ISBN 978-0-470-09772-4.4Keith Armstrong，Design Techniques for EMC Part 2-Cables and Connectors，EMC Journal Issue 65/64 2006.5Keith Armstrong，Design Techniques for EMC Part 4-Shielding（screening），EMC Journal Issue 70 2007.6邱成悌，趙惇殳，蒋全兴等.电子设备结构设计原理M.东南大学出版社，ISBN：9787810507646，2005. -全文完-