通信電纜工頻條件下理想屏蔽系數(shù)測試系統(tǒng)

許 博， 毛慶傳， 涂建坤， 甘 屹

(1.上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院，上海200093;2.上海電纜研究所，上海200093)

0 引言

通信電纜的金屬護層不僅具有一定的機械性能、密封性能和防腐蝕性能，而且具有一定的屏蔽外界電磁場干擾的作用。計算和測量通信電纜在工頻(50 Hz)條件下各種金屬護層的屏蔽特性，這對于通信電纜線路防護輸電線路、電氣化鐵路和無線電臺等干擾具有重要意義。

將通信電纜的金屬護層和鎧裝鋼帶接地，便能屏蔽來自輸電線路以及其他的外電磁場干擾。所謂通信電纜的理想屏蔽系數(shù)，就是假設(shè)電纜金屬護層的接地電阻等于零(理想的接地條件)時的屏蔽系數(shù)。

本文設(shè)計和討論的測試系統(tǒng)就是旨在測量工頻下通信電纜的理想屏蔽系數(shù)，至于接地電阻對通信電纜屏蔽效果的影響，則不在本測量系統(tǒng)考慮范圍之內(nèi)。

1 通信電纜理想屏蔽系數(shù)的數(shù)學(xué)描述

通信電纜線路在與輸電線路平行或交越時，在交變電磁場的作用下，往往通過通信線路與輸電線路間的耦合電容和耦合電感(埋地電纜主要是通過耦合電感)對通信電纜線路產(chǎn)生電磁干擾并危及通信的安全。如圖1所示，當(dāng)干擾回路1有電流I1流過，若電纜金屬護層兩端接地電阻為零的理想情況時，在電纜護層上有感應(yīng)電流I2流過。假定通信線路與輸電線路鄰近的長度為L，則通過干擾回路1、被干擾回路2，及其兩回路構(gòu)成的感應(yīng)回路3之間的關(guān)系可由以下各式表示:

圖1 通信電纜屏蔽原理

式中，Z2為電纜金屬護層阻抗;Z12為干擾線路與電纜金屬護層之間的互感阻抗;Z13為干擾線路與電纜導(dǎo)電線芯之間的互感阻抗;Z23為電纜金屬護層與電纜導(dǎo)電線芯之間的互感阻抗;E3為電纜金屬護層接地時電纜導(dǎo)電線芯上的感應(yīng)縱向電動勢。

假如電纜無金屬護層時，電纜導(dǎo)電線芯上的感應(yīng)電動勢為E′3=I1Z13。但是，由于電纜具有接地的金屬護層后，產(chǎn)生了與E′3方向相反的感應(yīng)電動勢E3，抵消輸電線路的部分干擾作用，使導(dǎo)電線芯上的感應(yīng)電動勢降低，金屬護層的這種作用，即為屏蔽作用。表征電纜金屬護層對外界電磁場影響屏蔽效果的參數(shù)即為電纜金屬護層的理想屏蔽系數(shù)，可由下式計算:

式中，r為接地電阻為零時的理想屏蔽系數(shù);E3為電纜金屬屏蔽護層接地時導(dǎo)電線芯上的感應(yīng)縱向電動勢;E′3為無金屬屏蔽護層時導(dǎo)電線芯上的感應(yīng)縱向電動勢。

2 測試系統(tǒng)的實現(xiàn)方案

2.1 測試系統(tǒng)外電路

根據(jù)我國國家標(biāo)準(zhǔn)通信電纜試驗方法，外電路接線方案如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)外電路接線

圖中，變頻電源的容量為10 kVA，頻率為50 Hz，電壓可在0～300 V之間連續(xù)調(diào)節(jié)，目的是在一定電壓可調(diào)范圍內(nèi)測量屏蔽層的電壓值。升流器的容量同樣為10 kVA，輸出電壓為4 V，它的作用是在回路中產(chǎn)生大電流，從而使電纜產(chǎn)生感應(yīng)電壓。通信電纜試樣的長度為1.2 m，大電流框架回路能夠很好地模擬埋地電纜的導(dǎo)電率。通過絕緣導(dǎo)線將鍍銀夾環(huán)與電纜連接，并保證使其具有很小的不變化的接觸電阻;兩電流夾環(huán)中心距離，即電纜的有效長度L1=1 m。此時，電纜上的感應(yīng)電壓為Vc，縱向干擾電壓為Vs。由式(3)可知，其理想屏蔽系數(shù)為r=

2.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

如圖3所示，本測試系統(tǒng)的硬件部分采用AT89C51為控制核心，由放大電路、正弦波轉(zhuǎn)換有效值模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和RS232模塊等部分組成。

圖3 信號的采集與分析

信號采集使用的控制芯片是AT89C51單片機。Vc和Vs電壓信號在幾十毫伏到幾百毫伏之間，所以為了能夠達到單片機所能處理的信號，要首先接入放大電路。在進行A/D轉(zhuǎn)換之前，需要將經(jīng)過放大的交流電壓信號轉(zhuǎn)換為有效值。Vc和Vs兩個電壓信號經(jīng)過上述轉(zhuǎn)換后得到兩個數(shù)字信號Dc和Ds，并通過RS232和計算機將所采集到的電壓信號傳輸?shù)接嬎銠C中，再由計算機求出比值Dc/Ds，即理想屏蔽系數(shù)。調(diào)節(jié)電源電壓，重復(fù)上述過程，便可以得到在不同電壓下的理想屏蔽系數(shù)曲線。

各個模塊具體采用芯片如下:

在信號放大方面，硬件部分放大電路把mV級的輸入電壓通過LMC6062運算放大器放大到單片機能夠處理的5 V電壓。LMC6062是國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的雙CMOS運算放大器，最大額定電壓為16 V，可在5～15 V單電源下工作，性能優(yōu)良，保證了精度。

正弦波轉(zhuǎn)換有效值芯片采用AD536AK芯片。AD536是美國AD公司推出的一種專門用于真有效值－直流轉(zhuǎn)換的單片集成電路，它可直接計算出任何包含交流分量的復(fù)雜輸入波形的真有效值，并將其轉(zhuǎn)換成直流輸出信號。高精度激光校正的最大誤差為0.2%;450 kHz帶寬時的輸出電壓有效值大于100 mV，2 MHz帶寬時的輸出電壓有效值大于1 V。誤差為±1%時，有效值輸出范圍0～7 V;對數(shù)輸出范圍60 dB;采用單路或雙路電源供電工作。

AD芯片采用AD1674芯片。AD1674是美國AD公司推出的一種12位并行模/數(shù)轉(zhuǎn)換的單片集成電路。它采用逐次逼近工作方式，轉(zhuǎn)換速度快，采樣頻率可達100 kHz，且片內(nèi)自帶有采樣/保持器和具有三態(tài)輸出的緩沖器，能使電路設(shè)計更為簡單且易與各種計算機連接。

在串口RS232通信中，為使干擾對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懡档阶畹停瑢⒌鼐€、數(shù)據(jù)連接完全隔開而實現(xiàn)絕緣，地線絕緣使得一個電路對電源震蕩和附近電路共用的地線中的噪聲干擾具有免疫能力，絕緣數(shù)據(jù)連接避免了噪聲在連接和它所連接到的電路之間的耦合。

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

本測試系統(tǒng)控制部分流程如圖4所示。

2.4 操作界面與結(jié)果顯示

本測試系統(tǒng)的操作界面由VC6.0編寫，可對測試系統(tǒng)直接進行控制。其測試界面如圖5所示，它測試的是某通信電纜的理想屏蔽系數(shù)。界面上可以控制系統(tǒng)的初始化，制定電壓范圍，選擇連續(xù)或離散測試模式并能夠保存和打印。

圖4 控制部分流程圖

測試結(jié)果可以保存并可導(dǎo)出各電壓值下的理想屏蔽系數(shù)。以上述測試的某通信電纜的結(jié)果為例作如下說明。圖5系統(tǒng)操作界面顯示了該產(chǎn)品理想屏蔽系數(shù)曲線，通過該曲線可獲得任意電壓下電纜的理想屏蔽系數(shù)(見表1);其次，假定該產(chǎn)品技術(shù)要求規(guī)定理想屏蔽系數(shù)應(yīng)小于0.6，則可在圖中劃出一條以理想屏蔽系數(shù)為0.6的標(biāo)準(zhǔn)合格線，若曲線均在合格線之下，就表明該產(chǎn)品合格。

表1 30～150 mV電壓下電纜屏蔽層的理想屏蔽系數(shù)

3 結(jié)論

所研制的通信電纜工頻條件下理想屏蔽系數(shù)測試系統(tǒng)符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，控制部分采用高速51內(nèi)核，既滿足了工程上的要求又有效控制了成本。通過與計算機的串口通信實現(xiàn)了PC對該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的控制，并且通過專用的操作界面進行數(shù)據(jù)分析和圖像化顯示，便于操作和管理。實際工作表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，精度符合要求。

圖5 系統(tǒng)操作界面

［1］齊 磊，崔 翔，盧鐵兵，等.屏蔽電纜的分布參數(shù)測量及瞬態(tài)分析［J］.中國電機工程學(xué)報，2005(6):119-123.

［2］沈遠(yuǎn)茂，石 丹，高攸綱.屏蔽電纜屏蔽特性測試方法的比較和分析［J］.現(xiàn)代傳輸，2006(4):54-57.

［3］GB 5441.9-1985通信電纜試驗方法 工頻條件下理想屏蔽系數(shù)試驗［S］.

［4］嚴(yán)晉德.通信電纜固有屏蔽系數(shù)的測量和近似計算［J］.電子學(xué)報，1964(1):103-108.

［5］Balint T，Szentkuti.Shielding quality of cables and connectors:some basics for better understanding of test methods［J］.IEEE International Sympo sium on Electromagnetic Compatibility，1992，(1):294-301.

［6］于 漲.送電線路良導(dǎo)體屏蔽線的工頻理想磁屏蔽系數(shù)曲線分析［J］.電力建設(shè)，1995，(4):15-16.

［7］上海電纜研究所屏蔽系數(shù)測試課題組.通信電纜金屬護層理想屏蔽系數(shù)的理論計算和測量［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，1978(2):22-34.

［8］王幸之，鐘愛琴，王 雷.AT89系列單片機原理與接口技術(shù)［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2004.