艦船艙室中電纜串擾分析

秦萌濤，宋文武，王冬冬

(電磁兼容性國防科技重點實驗室，湖北 武漢 430064)

現代艦船包含大量的電氣電子系統和設備，它們通過各種不同類型的傳輸、控制電纜實現互連和通信。通常將電纜捆成一束束的，這樣既整齊美觀，又便于固定，而且還便于維護檢查和損壞時的維修。但由于電纜敷設密集，電纜之間的耦合串擾帶來的電磁兼容性問題會嚴重影響系統和設備性能。如果系統出現電磁兼容性問題，則90%的可能性是由電纜或互連線之間的串擾引起的[1]。因此，預測分析艙室環境下電纜之間的串擾有重要的意義，也是迫切的課題。

對于電纜串擾的估算，通常有兩種模型：

(1)低頻時，可認為容性(電場)耦合和感性(磁場)耦合的參數大小僅與干擾電纜和被干擾電纜之間的等效電路形式有關而與頻率無關，此時可采用集總參數模型[1]，該模型用電報方程來描述。如果電纜的阻抗矩陣以及相互耦合參數矩陣已知，可以根據等效電路得到串擾值的精確解，這對理解串擾作用的機制以及數值仿真驗證都有幫助。

(2)對于更高的頻率，可建立基于多導體傳輸線理論電纜串擾模型[2-3]。對于一個N根電纜的系統，其相互間的串擾決定于分布參數的N×N的阻抗矩陣和導納矩陣、工作頻率、相互位置以及終端阻抗的大小。

本文分別建立了共地的基于多導體傳輸線理論的電力電纜對屏蔽同軸線(SCC)，非屏蔽雙絞線(UTP)和屏蔽雙絞線(STP)的電纜耦合模型，在此基礎上在CST-CS中建立其等效電路模型，并仿真分析了對應的串擾值?？紤]到實際艙室電纜總是多根相鄰成束，因此還仿真分析了多根電力電纜對多根傳輸或控制電纜的耦合干擾情況。

1 串擾的耦合機制

當兩根或多根電纜相互鄰近時，它們之間存在分布的互電容和互電感，這是電纜之間耦合的“源”。根據耦合的途徑可將串擾分為容性耦合與感性耦合。

考慮最簡單的三導體傳輸線模型，如圖1所示。

圖1 三導體傳輸線的典型串擾模型

其中,Vs表示干擾電纜的驅動源，Rs是其驅動源，RL是終端阻抗。被干擾電纜的近端負載為RNE，遠端負載為RFE。Ii(z,t)和Vi(z,t)分別表示被干擾電纜的感應電流和電壓。VNE和VFE分別表示被干擾電纜近端和遠端的電壓值。

圖1所示的模型的單位長等效電路如圖2所示。

圖2 三導體傳輸線模型單位長等效電路

根據電報方程，當Δz趨于零時，有：

單位長分布參數矩陣為:

對于無耗傳輸線，弱耦合的情況，容易得到被干擾電纜近端和遠端串擾值[4-5]。并且頻率越高，電纜越長，串擾值越大。感性耦合在低阻抗負載時占主導地位，高阻抗負載時容性耦合則占主導地位。

在實際的模型中，相互之間的耦合參數Lm、Cm以及電纜到參考地的距離h、電纜之間間距d直接影響串擾值的大小。

從已有的一些公式和研究結果[6-9]可看出,互電感隨著d的增加而減小，隨著h的增加而增加，互電容隨著d的增加而減小，而h對其無顯著影響。

經過以上分析，很容易理解屏蔽層是如何保護電纜不受外界干擾的以及雙絞線在減小串擾方面的優勢。

(1)如果電纜帶有屏蔽層，則屏蔽層能完全消除容性耦合，但只有兩端均接地并且在某一截止頻率之上能夠一定程度地減小感性耦合。

(2)如果被干擾電纜是雙絞線，一方面回路面積很小可減小感性耦合；另一方面雙絞線的兩根芯線的感應電流不僅方向相反，而且由于對稱結構使得感應電流的大小也幾乎相等。因此可最大限度地減小相互之間的耦合。

2 艙室環境下電纜串擾模型的建立

通常將最近的金屬平面作為接地面，因此可將艙室壁作為參考地平面。這樣，理論分析時可首先采用如下模型進行簡化分析。

假設模型兩根電纜的間距為d,距離參考地面的距離為h，其截面如圖3所示。

圖3 串擾電纜的橫截面示意圖

該模型中電力電纜為四芯電纜，其中一根芯線為接地線，另外三根芯線分別由對稱三相交流電來驅動，驅動電源均包含內阻,且各相終端都接相應的終端阻抗。

設電力電纜各相芯線兩端的電壓分別為：VA(0)、VA(L)、VB(0)，VB(L)和 VC(0)、VC(L)；被干擾電纜兩端連接對應的終端阻抗為Zr(0)和Zr(L)。建立此模型的目的是為了估算該電纜兩端的對地電壓Vr(0)和Vr(L)以及流入參考地的電流值 Ir(0)和 Ir(L)，即串擾值。

根據多導體傳輸線理論和網絡理論，可建立相應的鏈參方程為(假設電纜都是均勻的)：

同理V(L)、I(L)為電力電纜各芯線和被干擾電纜遠端電壓、電流值組成的矩陣即：

計算出整個線長的鏈參矩陣后，引入終端條件即可確定電纜的串擾值。而終端條件可根據Thevenin定理得到近端終端方程：

同理，遠端終端方程為：

其中，V^P為驅動源組成的矩陣即:(0)和(L)為近端和遠端終端阻抗矩陣。

聯立式(1)、式(2)和式(3)可得到遠端和近端的電纜串擾值。

在建立以上模型的基礎上，可將艦船艙室中的電纜分為幾段均勻傳輸電纜(單位長度分布參數不隨位置變化而變化)，并分別對每段應用以上多導體傳輸線模型進行串擾的估算。

電纜沿艙室壁布置，分為三段，每段可認為是均勻傳輸線，在連接處可認為電壓、電流值連續。采用多導體傳輸線理論分析時，整個電纜的鏈參矩陣可由三段的鏈參 矩 陣(L1),(L2)和(L3)表 示 為 方 程(4)：

得到整個電纜的鏈參矩陣后再應用如圖2的電路配置建立近端和遠端的終端方程進而計算被干擾電纜上耦合的串擾值。

對于多根電力電纜與多根被干擾傳輸電纜之間的串擾建模，其方法與以上介紹的相同，但模型復雜度尤其是電路配置的復雜度會增加很多，鏈式方程中各矩陣的階數將會增加，因而計算復雜度也將加大。本文僅對2根電纜與3根被干擾電纜耦合情形進行了仿真。

3 CST-CS仿真實驗結果

實際的電力電纜外有聚乙烯材料保護層,厚t1=5 mm；芯線內導體材料均為銅,驅動源各相芯線直徑φ1=5 mm，接地線芯線直徑為φ2=2.7 mm；芯線外層包有橡膠絕緣材料,厚 t2=1.1 mm；整個電力電纜的外直徑為 φ3=26.4 mm。其橫截面如圖4所示。

電纜長度L1=L2=L3=1；兩電纜間距d=50 mm,到艙室壁的距離h=50 mm；計算頻率為 0～100 MHz。

(1)電力電纜為單根，仿真被干擾電纜為單根SCC、STP和UTP時的電纜串擾值。近端測試結果如圖5所示。

圖4 電力電纜橫截面示意圖

圖5 三種被干擾電纜近端串擾電平

從圖5可看出，屏蔽電纜比非屏蔽電纜的串擾值低大約50 dB。并且在計算工作頻率為0～100 MHz范圍內，非屏蔽雙絞線和屏蔽同軸電纜均出現了幾個諧振頻率點，而屏蔽雙絞線未出現，這是由模型中的不同傳輸線的分布參數矩陣決定的，說明非屏蔽雙絞線和屏蔽同軸電纜易受到低端頻率的干擾。

(2)電力電纜為 2根，被干擾電纜為 3根，分別仿真被干擾電纜為單根SCC、STP和UTP時的電纜串擾值。電纜的布置具體位置如圖6所示。

圖6 多電纜布置的相對位置

電纜的相對位置參數：d1=29 mm,d2=49.8 mm,d3=8 mm。

當被干擾電纜為屏蔽同軸電纜(SCC)時，3根SCC近端的串擾電平值如圖7所示。

圖7 3根被干擾SCC近端串擾電平

當被干擾電纜為STP時，3根STP近端的串擾電平值如圖8所示。

圖8 3根被干擾STP近端串擾電平

當被干擾電纜為UTP時，3根STP近端的串擾電平值如圖9所示。

圖9 3根被干擾UTP近端串擾電平

從圖7、圖8和圖9可看出，多電纜串擾時，隨著頻率的增高，低頻端的串擾值也隨之增加。耦合諧振頻率增加了許多，也說明多電纜相互串擾機制更加復雜。

依據電纜間的耦合機制和模型的仿真結果，可采取以下措施來抑制串擾：

(1)電纜束布置應盡量靠近艙室壁，這一方面可以增加電纜對地的電容，從而減小相互之間的容性耦合；另一方面可以減小回路面積，從而減小電纜之間的感性耦合。

(2)電纜之間應保持一定的間距，特別是強電輸電線路應與弱電傳輸線分別捆成束。

(3)如果條件允許,可以在電纜束中增加一條參考地電纜,這樣可減少信號或控制傳輸電纜之間的相互干擾。

本文依據多導體傳輸線理論建立了艦船艙室中電纜串擾的模型，并以此模型為基礎在CST-CS中對各電纜進行了實際的電路配置，仿真了單根電力電纜與單根SCC、STP、UTP之間的串擾。結果表明屏蔽電纜比非屏蔽電纜的串擾值低大約50 dB，并且平衡傳輸屏蔽雙絞線在頻率低端不易受到干擾。此外，本文對多根電纜串擾的仿真表明，被干擾電纜耦合的諧振頻率增多，耦合機制更加復雜。綜上所述，本文的結果對艦船電纜的串擾分析以及實際布置有一定的指導作用。

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