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線束屏蔽線的原理與接法

發(fā)布時(shí)間:07/05 —— 2023 2240

絞線和屏蔽線有什么差別???感覺功能都是屏蔽? 


(絞線)


其實(shí),絞線和屏蔽線的屏蔽原理大不相同。


正如之前所說,絞線的屏蔽原理主要是抵消。下面,就讓我們仔細(xì)來了解一下屏蔽線吧。






屏蔽線定義





屏蔽線:導(dǎo)體外部有導(dǎo)體包裹的導(dǎo)線叫屏蔽線。





屏蔽層:包裹的導(dǎo)體叫屏蔽層,一般為編織銅網(wǎng)或銅泊(鋁)。屏蔽層需要接地,外來的干擾信號可被該層導(dǎo)入大地。

屏蔽線作用:避免干擾信號進(jìn)入內(nèi)層,導(dǎo)體干擾同時(shí)降低傳輸信號的損耗。

結(jié)構(gòu): 
1.(普通)絕緣層+屏蔽層+導(dǎo)線
2.(高級)絕緣層+屏蔽層+信號導(dǎo)線+屏蔽層接地導(dǎo)線

注意:屏蔽層接地導(dǎo)線的絕緣層有導(dǎo)電功能,可以與屏蔽層導(dǎo)通(有一定的電阻)
 


原理
屏蔽布線系統(tǒng)源于歐洲,它是在普通非屏蔽布線系統(tǒng)的外面加上金屬屏蔽層,利用金屬屏蔽層的反射、吸收趨膚效應(yīng)實(shí)現(xiàn)防止電磁干擾及電磁輻射的功能。

屏蔽系統(tǒng)綜合利用了雙絞線的平衡原理及屏蔽層的屏蔽作用,因而具有非常好的電磁兼容(EMC)特性。

趨膚效應(yīng):指電流在導(dǎo)體截面的分布隨頻率的升高而趨于導(dǎo)體表面分布,頻率越高,趨膚深度越小,即頻率越高,電磁波的穿透能力越弱)









電磁兼容(EMC)是指電子設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有一定的抵抗電磁干擾的能力,同時(shí)不能產(chǎn)生過量的電磁輻射。

也就是說,要求該設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠在比較惡劣的電磁環(huán)境中正常工作,同時(shí)又不能輻射過量的電磁波干擾周圍其它設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的正常工作。

U/UTP(非屏蔽)電纜的平衡特性并不只取決于部件本身的質(zhì)量(如絞對),而會受到周圍環(huán)境的影響。

因?yàn)閁/UTP(非屏蔽)周圍的金屬、隱蔽的“地”、施工中的牽拉、彎曲等等情況都會破壞其平衡特性,從而降低EMC性能。









所以,要獲得持久不變的平衡特性,只有一個(gè)解決方案:在所有芯線外加多一層鋁箔進(jìn)行接地。

鋁箔為脆弱的雙絞芯線增加了保護(hù),同時(shí)為U/UTP(非屏蔽)電纜人為的創(chuàng)造了一個(gè)平衡環(huán)境。從而形成我們現(xiàn)在所說的屏蔽線纜。

實(shí)驗(yàn)表明,頻率超過5MHz的電磁波只能透過38μm厚的鋁箔。如果讓屏蔽層的厚度超過38μm,就使能夠透過屏蔽層進(jìn)入電纜內(nèi)部的電磁干擾的頻率主要在5MHz以下。

而對于5MHz以下低頻干擾可應(yīng)用雙絞線的平衡原理有效的抵消。









根據(jù)布線最早的定義,分為非屏蔽線纜-UTP和屏蔽線纜-STP兩種。后來隨著技術(shù)的發(fā)展和各家不同的工藝,衍生出了很多不同屏蔽的種類:
1.F/UTP  Foil Screened Cable 單層的鋁箔屏蔽結(jié)構(gòu)
2.Foil and Braid Screened Cable 鋁箔和銅質(zhì)編織網(wǎng)雙層屏蔽結(jié)構(gòu)
  a) SF/UTP 鋁箔和銅質(zhì)編織網(wǎng)同時(shí)包裹在四對線的外層 
  b) S/FTP (PIMF) 線對單對鋁箔屏蔽加上包裹在四對線的外層的銅質(zhì)編織網(wǎng)   
      PIMF =Pair in Metal Foil。









屏蔽電纜抵抗外界干擾主要體現(xiàn)在:信號傳輸?shù)耐暾钥梢酝ㄟ^屏蔽系統(tǒng)得到一定的保證。屏蔽布線系統(tǒng)可以防止傳輸數(shù)據(jù)受到外界電磁干擾和射頻干擾的影響。

電磁干擾(EMI)主要是低頻干擾,馬達(dá)、熒光燈以及電源線是通常的電磁干擾源。
射頻干擾(RFI)高頻干擾,主要是無線頻率干擾,包括無線電、電視轉(zhuǎn)播、雷達(dá)及其他無線通信。


對于抵抗電磁干擾,選擇編織層屏蔽最為有效,也就是金屬網(wǎng)屏蔽,因其具有較低的臨界電阻。
對于射頻干擾,金屬箔層屏蔽最有效,因?yàn)榻饘倬W(wǎng)屏蔽所產(chǎn)生的縫隙可使得高頻信號自由地進(jìn)出。








對于高低頻混合的干擾場,則要采用金屬箔層加金屬網(wǎng)的組合屏蔽方式,也就是S/FTP形式的雙層屏蔽電纜,這樣可使得金屬網(wǎng)屏蔽適用于低頻范圍的干擾,金屬箔屏蔽適用于高頻范圍的干擾。

IBM ACS的屏蔽線纜中鋁箔屏蔽層單層厚度即達(dá)到50-62μm,起到了更完整的屏蔽效果。

同時(shí)由于只采用單層屏蔽,對于施工而言將更加簡單,便于安裝,不易在施工過程中造成人為的損壞,且鋁帛的厚度可以承受更大的破壞力。從而能給用戶提供更高品質(zhì)的傳輸性能。  
 

接法
屏蔽線的一端接地,另一端懸空 。

當(dāng)信號線傳輸距離比較遠(yuǎn)的時(shí)候,由于兩端的接地電阻不同或PEN線有電流,可能會導(dǎo)致兩個(gè)接地點(diǎn)電位不同,此時(shí)如果兩端接地,屏蔽層就有電流行成,反而對信號形成干擾。

因此這種情況下一般采取一點(diǎn)接地,另一端懸空的辦法,能避免此種干擾形成。 
兩端接地屏蔽效果更好,但信號失真會增大。
 
請注意:兩層屏蔽應(yīng)是相互絕緣隔離型屏蔽!如沒有彼此絕緣仍應(yīng)視為單層屏蔽!
 
最外層屏蔽兩端接地是由于引入的電位差而感應(yīng)出電流,因此產(chǎn)生降低源磁場強(qiáng)度的磁通,從而基本上抵消掉沒有外屏蔽層時(shí)所感應(yīng)的電壓。

而最內(nèi)層屏蔽一端接地,由于沒有電位差,僅用于一般防靜電感應(yīng)。下面的規(guī)范是最好的佐證!

《GB 50217-1994電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》
3.6.8 控制電纜金屬屏蔽的接地方式,應(yīng)符合下列規(guī)定:
(1)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的模擬信號回路控制電纜屏蔽層,不得構(gòu)成兩點(diǎn)或多點(diǎn)接地,宜用集中式一點(diǎn)接地。
(2)除(1)項(xiàng)等需要一點(diǎn)接地情況外的控制電纜屏蔽層,當(dāng)電磁感應(yīng)的干擾較大,宜采用兩點(diǎn)接地;靜電感應(yīng)的干擾較大,可用一點(diǎn)接地。
    雙重屏蔽或復(fù)合式總屏蔽,宜對內(nèi)、外屏蔽分用一點(diǎn),兩點(diǎn)接地。
(3)兩點(diǎn)接地的選擇,還宜考慮在暫態(tài)電流作用下屏蔽層不致被燒熔。

《GB50057-2000建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》
第6.3.1條規(guī)定:……當(dāng)采用屏蔽電纜時(shí)其屏蔽層應(yīng)至少在兩端等電位連接,當(dāng)系統(tǒng)要求只在一端做等電位連接時(shí),應(yīng)采用兩層屏蔽,外層屏蔽按前述要求處理。
其原理是:
1.單層屏蔽一端接地,不形成電位差,一般用于防靜電感應(yīng)。
2.雙層屏蔽,最外層屏蔽兩端接地,內(nèi)層屏蔽一端等電位接地。此時(shí),外層屏蔽由于電位差而感應(yīng)出電流,因此產(chǎn)生降低源磁場強(qiáng)度的磁通,從而基本上抵消掉沒有外屏蔽層時(shí)所感應(yīng)的電壓。









如果是防止靜電干擾,必須單點(diǎn)接地,不論是一層還是二層屏蔽。因?yàn)閱吸c(diǎn)接地的靜電放電速度是最快的。

但是,以下兩種情況除外

01
外部有強(qiáng)電流干擾,無法滿足最快放電

如果接地線截面積很大,能夠保證靜電最快放電的話,同樣也要單點(diǎn)接地。當(dāng)然了,真是那樣,也沒有必要選擇兩層屏蔽。


否則,必須兩層屏蔽,外層屏蔽主要是減少干擾強(qiáng)度,不是消除干擾,這時(shí)必須多點(diǎn)接地,雖然放不完,但必須盡快減弱。要減弱,多點(diǎn)接地是最佳選擇。

比如,企業(yè)中的電纜橋架其實(shí)就是外屏蔽層,它是必須多點(diǎn)接地的,第一道防線,減小干擾源的強(qiáng)度。

內(nèi)層屏蔽層(其實(shí),大家不會買雙層的電纜,一般是外層就是電纜橋架,內(nèi)層才是屏蔽電纜的屏蔽層)必須單點(diǎn)接地,因?yàn)橥獠繌?qiáng)度已經(jīng)減少,盡快放電,消除干擾才是內(nèi)層的目的。


02
外部點(diǎn)擊和防雷安全的要求

這種情況必須要兩層防護(hù),外層不是用來消除干擾的,是出于安全的考慮的,保證人身和設(shè)備安全的,必須多點(diǎn)接地。


內(nèi)層才是防止干擾的,所以必須單點(diǎn)接地。





作用
屏蔽線的作用是將電磁場噪聲源與敏感設(shè)備隔離,切斷噪聲源的傳播路徑。屏蔽分為主動(dòng)屏蔽和被動(dòng)屏蔽。

主動(dòng)屏蔽目的是為了防止噪聲源向外輻射,是對噪聲源的屏蔽。
被動(dòng)屏蔽目的是為了防止敏感設(shè)備遭到噪聲源的干擾,是對敏感設(shè)備的屏蔽。






屏蔽電纜的屏蔽層主要由銅、鋁等非磁性材料制成,并且厚度很薄,遠(yuǎn)小于使用頻率上金屬材料的集膚深度。

屏蔽層的效果主要不是由于金屬體本身對電場、磁場的反射、吸收而產(chǎn)生的,而是由于屏蔽層的接地產(chǎn)生的,接地的形式不同將直接影響屏蔽效果。

對于電場、磁場屏蔽層的接地方式不同??刹捎貌唤拥亍味私拥鼗螂p端接地。

總結(jié)
01
單點(diǎn)接地

1)屏蔽電纜的單端接地對于避免低頻電場的干擾是有幫助的。或者說它能夠避免波長 λ 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電纜長度 L 的頻率干擾。L<λ /20

2)電纜屏蔽層單端接地能夠避免屏蔽層上的低頻電流噪聲。這種電流在內(nèi)部導(dǎo)致共模干擾電壓并且有可能干擾模擬量設(shè)備。 

3)屏蔽層的單端接地對于那些對低頻干擾敏感的電路(模擬量電路)來說是可取的。

4) 連續(xù)測量值的上下波動(dòng)和永久偏差表示有低頻干擾。








02
雙端接地

1)確保到電控柜或者插頭(圓形接觸)的連接經(jīng)過一個(gè)大的導(dǎo)電區(qū)域(低感應(yīng)系數(shù))。選擇金屬在金屬上比非金屬在非金屬上要好。

2)由于有些模擬量模塊使用了脈沖技術(shù)(例如:處理器和 A/D 轉(zhuǎn)換器集成在同一模塊中),建議將模擬量信號彼此間屏蔽,確保正確的等電位連接,只有在這種情況下進(jìn)行雙端接地。

3)通常金屬箔屏蔽層的傳輸阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銅編織線的屏蔽層,其效果相差 5-10 倍,不能用作數(shù)字信號電纜。

4)偶爾的功能失靈表明有高頻干擾。這是導(dǎo)線等電位連接無法消除的。








5)除去電纜的端點(diǎn)以外,屏蔽層多點(diǎn)接地是有利的。

6)不要將屏蔽層接在插針上,避免“豬尾巴”現(xiàn)象。

7)要時(shí)刻注意屏蔽層的并聯(lián)阻抗應(yīng)該小于自身阻抗的 1/10。電纜橋架、機(jī)械框架、其它屏蔽層或者其它并行電纜都能夠使系統(tǒng)作到等電位。

8)如果當(dāng)屏蔽層雙端接地時(shí)電纜屏蔽層發(fā)熱,或者屏蔽層碰到電控柜外殼或者屏蔽總線時(shí)打火,說明等電位連接不可靠。











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