通信電纜工頻條件下理想屏蔽系數(shù)測(cè)試系統(tǒng)

許 博， 毛慶傳， 涂建坤， 甘 屹

(1.上海理工大學(xué)機(jī)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(hù)層不僅具有一定的機(jī)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(chǎng)干擾的作用。計(jì)算和測(cè)量通信電纜在工頻(50 Hz)條件下各種金屬護(hù)層的屏蔽特性，這對(duì)于通信電纜線路防護(hù)輸電線路、電氣化鐵路和無(wú)線電臺(tái)等干擾具有重要意義。

將通信電纜的金屬護(hù)層和鎧裝鋼帶接地，便能屏蔽來(lái)自輸電線路以及其他的外電磁場(chǎng)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(hù)層的接地電阻等于零(理想的接地條件)時(shí)的屏蔽系數(shù)。

本文設(shè)計(jì)和討論的測(cè)試系統(tǒng)就是旨在測(cè)量工頻下通信電纜的理想屏蔽系數(shù)，至于接地電阻對(duì)通信電纜屏蔽效果的影響，則不在本測(cè)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(shí)，在交變電磁場(chǎng)的作用下，往往通過(guò)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(guò)耦合電感)對(duì)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(guò)，若電纜金屬護(hù)層兩端接地電阻為零的理想情況時(shí)，在電纜護(hù)層上有感應(yīng)電流I2流過(guò)。假定通信線路與輸電線路鄰近的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則通過(guò)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(hù)層阻抗;Z12為干擾線路與電纜金屬護(hù)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(hù)層與電纜導(dǎo)電線芯之間的互感阻抗;E3為電纜金屬護(hù)層接地時(shí)電纜導(dǎo)電線芯上的感應(yīng)縱向電動(dòng)勢(shì)。

假如電纜無(wú)金屬護(hù)層時(shí)，電纜導(dǎo)電線芯上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E′3=I1Z13。但是，由于電纜具有接地的金屬護(hù)層后，產(chǎn)生了與E′3方向相反的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(dòng)勢(shì)降低，金屬護(hù)層的這種作用，即為屏蔽作用。表征電纜金屬護(hù)層對(duì)外界電磁場(chǎng)影響屏蔽效果的參數(shù)即為電纜金屬護(hù)層的理想屏蔽系數(shù)，可由下式計(jì)算:

式中，r為接地電阻為零時(shí)的理想屏蔽系數(shù);E3為電纜金屬屏蔽護(hù)層接地時(shí)導(dǎo)電線芯上的感應(yīng)縱向電動(dòng)勢(shì);E′3為無(wú)金屬屏蔽護(hù)層時(shí)導(dǎo)電線芯上的感應(yīng)縱向電動(dòng)勢(shì)。

2 測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案

2.1 測(cè)試系統(tǒng)外電路

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

圖2 測(cè)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(cè)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)度L1=1 m。此時(shí)，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(jì)

如圖3所示，本測(cè)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(hào)的采集與分析

信號(hào)采集使用的控制芯片是AT89C51單片機(jī)。Vc和Vs電壓信號(hào)在幾十毫伏到幾百毫伏之間，所以為了能夠達(dá)到單片機(jī)所能處理的信號(hào)，要首先接入放大電路。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前，需要將經(jīng)過(guò)放大的交流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為有效值。Vc和Vs兩個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)上述轉(zhuǎn)換后得到兩個(gè)數(shù)字信號(hào)Dc和Ds，并通過(guò)RS232和計(jì)算機(jī)將所采集到的電壓信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，再由計(jì)算機(jī)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(guò)程，便可以得到在不同電壓下的理想屏蔽系數(shù)曲線。

各個(gè)模塊具體采用芯片如下:

在信號(hào)放大方面，硬件部分放大電路把mV級(jí)的輸入電壓通過(guò)LMC6062運(yùn)算放大器放大到單片機(jī)能夠處理的5 V電壓。LMC6062是國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的雙CMOS運(yùn)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(guó)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(jì)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(hào)。高精度激光校正的最大誤差為0.2%;450 kHz帶寬時(shí)的輸出電壓有效值大于100 mV，2 MHz帶寬時(shí)的輸出電壓有效值大于1 V。誤差為±1%時(shí)，有效值輸出范圍0～7 V;對(duì)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(guó)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(dá)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(jì)更為簡(jiǎn)單且易與各種計(jì)算機(jī)連接。

在串口RS232通信中，為使干擾對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懡档阶畹?，將地線、數(shù)據(jù)連接完全隔開而實(shí)現(xiàn)絕緣，地線絕緣使得一個(gè)電路對(duì)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(jì)

本測(cè)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(cè)試系統(tǒng)的操作界面由VC6.0編寫，可對(duì)測(cè)試系統(tǒng)直接進(jìn)行控制。其測(cè)試界面如圖5所示，它測(cè)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(cè)試模式并能夠保存和打印。

圖4 控制部分流程圖

測(cè)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(cè)試的某通信電纜的結(jié)果為例作如下說(shuō)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(guò)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(cè)試系統(tǒng)符合國(guó)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(guò)與計(jì)算機(jī)的串口通信實(shí)現(xiàn)了PC對(duì)該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的控制，并且通過(guò)專用的操作界面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和圖像化顯示，便于操作和管理。實(shí)際工作表明，該系統(tǒng)運(yùn)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(cè)量及瞬態(tài)分析［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005(6):119-123.

［2］沈遠(yuǎn)茂，石 丹，高攸綱.屏蔽電纜屏蔽特性測(cè)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(yàn)方法 工頻條件下理想屏蔽系數(shù)試驗(yàn)［S］.

［4］嚴(yán)晉德.通信電纜固有屏蔽系數(shù)的測(cè)量和近似計(jì)算［J］.電子學(xué)報(bào)，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(cè)試課題組.通信電纜金屬護(hù)層理想屏蔽系數(shù)的理論計(jì)算和測(cè)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(ài)琴，王 雷.AT89系列單片機(jī)原理與接口技術(shù)［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2004.