西門(mén)子電纜的屏蔽與接地

電纜的屏蔽與接地
Cable Shield and ground
User Guide Edition (2009－6)
https://support.industry.siemens.com/cs/cn/zh/view/109481350
IA&DT Service & Support Page 1-40摘 要 西門(mén)子通信電纜的屏蔽與接地
關(guān)鍵詞 西門(mén)子系統(tǒng)、屏蔽、接地
Key Words Siemens cable Shield Ground
IA&DT Service & Support Page 2-40目錄
1騷擾源的傳輸路徑 .................................................................................................................... 4
1.1 導(dǎo)線(xiàn)的傳導(dǎo)干擾 ............................................................................................................. 4
1.1.1傳輸線(xiàn)-短線(xiàn)與長(zhǎng)線(xiàn) ...................................................................................................... 4
1.1.2共阻抗耦合 .................................................................................................................. 6
1.1.3傳輸線(xiàn)的反射 .............................................................................................................. 8
1.1.4共模干擾與差模干擾 .................................................................................................. 10
1.2 騷擾通過(guò)空間傳輸 ....................................................................................................... 13
1.2.1天線(xiàn)效應(yīng) .................................................................................................................... 13
1.2.2近場(chǎng)電場(chǎng)耦合 ............................................................................................................ 17
1.2.3近場(chǎng)磁場(chǎng)耦合 ............................................................................................................ 18
2 屏蔽 .................................................................................................................................... 20
2．1 電場(chǎng)屏蔽 ....................................................................................................................... 21
2．2 磁場(chǎng)屏蔽 ....................................................................................................................... 23
3電纜的屏蔽接地 ...................................................................................................................... 27
3．1 電場(chǎng)的屏蔽接地 ............................................................................................................ 27
3.1.1屏蔽層不接地 ............................................................................................................ 27
3.1.2屏蔽層單端接地 ......................................................................................................... 27
3．2 磁場(chǎng)的屏蔽接地 ............................................................................................................ 28
3.2.1屏蔽層單端接地或不接地 .......................................................................................... 28
3．3 電纜屏蔽接地總結(jié) ......................................................................................................... 31
4 PROFIBUS的安裝要求 .......................................................................................................... 34
4．1 PROFIBUS的布線(xiàn) ........................................................................................................... 34
4．2 PROFIBUS的屏蔽接地 .................................................................................................... 36
5 PROFINET的安裝要求 ....................................................................................................... 38
5．1 PROFINET的布線(xiàn) ........................................................................................................... 38
5．2 PROFINET的屏蔽接地 .................................................................................................... 40
IA&DT Service & Support Page 3-401騷擾源的傳輸路徑
產(chǎn)生干擾的三個(gè)要素：干擾源、耦合路徑、潛在的易受干擾的器件。騷擾源可以通過(guò)空
間的輻射、電磁耦合傳遞到敏感設(shè)備，也可以通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)的傳輸進(jìn)入敏感設(shè)備。
1.1 導(dǎo)線(xiàn)的傳導(dǎo)干擾
信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)傳輸，通常在理想情況下只考慮導(dǎo)線(xiàn)的電阻，但實(shí)際的傳輸導(dǎo)線(xiàn)都存在分
布電容和電感，尤其在傳送頻率高的情況下，就要考慮分布參數(shù)的影響。分布電容與電感的
乘積等于常數(shù)，它們與導(dǎo)體間介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率μ和介電常數(shù)ε有關(guān)：
L C = με=常數(shù),
特性阻抗為Z0 = L/C 是電纜的物理特征，與傳輸線(xiàn)的電壓電流無(wú)關(guān)。導(dǎo)線(xiàn)的傳導(dǎo)
干擾絕大部分也是是由導(dǎo)線(xiàn)的分布參數(shù)引起得的。圖1-1列出幾種傳輸線(xiàn)的布置，(a)為導(dǎo)
線(xiàn)對(duì)；(b)為軌線(xiàn)與板；(c)為平行板，假設(shè)導(dǎo)線(xiàn)間距相同，三者的分布參數(shù)比較為：La >
Lb >Lc；Ca < Cb < Cc；Za > Zb > Zc；
圖1-1幾種傳輸線(xiàn)的布置
1.1.1傳輸線(xiàn)-短線(xiàn)與長(zhǎng)線(xiàn)
線(xiàn)路中的分布電感、分布電容、分布電阻影響信號(hào)及電源的傳輸，根據(jù)傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度與
傳輸信號(hào)頻率的關(guān)系，將傳輸線(xiàn)分為短線(xiàn)（有的資料為電短）和長(zhǎng)線(xiàn)（有的資料為電長(zhǎng)），
如圖1-2所示，如果s QZ
目的地) < 0.5倍的沿上升時(shí)間t ,就是短線(xiàn)。例如導(dǎo)線(xiàn)或者機(jī)械尺寸比波長(zhǎng)小都可以視為短
f
線(xiàn)，系統(tǒng)內(nèi)部的連續(xù)通常也視為短線(xiàn)。短線(xiàn)的特性為：在一條短線(xiàn)上，除了電流流動(dòng)帶來(lái)的
電壓降外，各點(diǎn)電勢(shì)相等，適用于集總等效電路分析。如果s >l (有的參考資料為大于l/4)
就是長(zhǎng)線(xiàn)，例如機(jī)械尺寸比波長(zhǎng)大，適用于分布參數(shù)電路分析，基耳霍夫電壓定律不再適
用，因?yàn)殡娐分械碾妷汉碗娏鞒耸菚r(shí)間的函數(shù)外，還是空間坐標(biāo)的函數(shù)。同樣一段傳輸
線(xiàn)，由于傳輸信號(hào)頻率不同，有可能是短線(xiàn)，也有可能是長(zhǎng)線(xiàn)。計(jì)算波長(zhǎng)的公式如下：
V
l＝
f
l：波長(zhǎng)
IA&DT Service & Support Page 4-40V:速度
f:信號(hào)頻率
圖1-2短線(xiàn)與長(zhǎng)線(xiàn)
理想情況下，一截傳輸導(dǎo)線(xiàn)只考慮線(xiàn)上的電阻，但在實(shí)際情況下還要考慮到線(xiàn)上的分布參
數(shù)，如圖1-3所示的等效電路：
圖1-3傳輸線(xiàn)的等效電路
線(xiàn)上總的阻抗為：
Z = R + j2pfL
R > 2pfL (f < 3kHZ)
IA&DT Service & Support Page 5-40R < 2pfL (f > 3kHZ)
短線(xiàn)電路只考慮負(fù)載的阻抗，長(zhǎng)線(xiàn)電路傳輸線(xiàn)的特征阻抗主導(dǎo)電路的特性，參考下面的
試驗(yàn)如圖1-4所示：
圖 1-4長(zhǎng)線(xiàn)短線(xiàn)試驗(yàn)示例
高頻信號(hào)發(fā)生器給S等于2米遠(yuǎn)的電燈供電，使用一根裸線(xiàn)靠近燈泡處與電燈組成短
線(xiàn)回路，由于短線(xiàn)只考慮負(fù)載電阻，裸線(xiàn)電阻非常小，燈泡被短路而熄滅，如果將裸線(xiàn)向電
源處移動(dòng)，當(dāng)與燈泡連線(xiàn)距離超過(guò)短線(xiàn)（l/10）距離后，線(xiàn)路上的感抗?jié)u漸起主導(dǎo)作用，負(fù)
載電阻被忽略，燈泡逐漸由暗變亮，如果裸線(xiàn)與電源距離逐漸接近，直至小于短線(xiàn)距離，線(xiàn)
路上負(fù)載電阻漸漸起主導(dǎo)作用，感抗被忽略，電源被短路，燈泡逐漸由亮變暗，直到熄滅。
一條短的電路不會(huì)影響整個(gè)線(xiàn)路，所以干擾抑制元件要就近安裝在干擾源端或被保護(hù)設(shè)備端
（距離1.1.2共阻抗耦合
當(dāng)設(shè)備或元件共用電源或地線(xiàn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生共阻抗耦合。
1）共電源阻抗耦合
兩個(gè)或多個(gè)相互獨(dú)立的電路使用相同的電源線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生共電源阻抗耦合，如圖 1-5所示：
IA&DT Service & Support Page 6-40圖 1-5共電源阻抗耦合
假設(shè)電源的內(nèi)阻及線(xiàn)上阻抗為Zs，回路電流為Is，電源電壓為Es，那么電路1、2的電
壓為：
U = Es – Is Zs
如果在電路1中頻率升高，電源內(nèi)阻與線(xiàn)阻Zs將增加（感抗起作用），這樣電路1中的
高頻噪聲、脈沖噪聲以及浪涌產(chǎn)生壓降疊加在電源上送給電路2，同樣電路2也會(huì)對(duì)電路1
產(chǎn)生干擾。這種情況下電路必須各自供電。
2）共地線(xiàn)耦合
多個(gè)回路共用一個(gè)地線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生共地線(xiàn)耦合，如圖 1-6所示：
圖 1-6共阻抗耦合
接地線(xiàn)的功能是保持零電位，應(yīng)該沒(méi)有電流，電路1、2不會(huì)產(chǎn)生干擾，但是實(shí)際上接地
線(xiàn)也有阻抗，電阻很小可以忽略不計(jì)，主要是高頻產(chǎn)生的感抗，圖 1-6中Zc為接地阻抗，
IA&DT Service & Support Page 7-40如果電路1產(chǎn)生高頻噪聲引起接地阻抗Zc的升高，在接地導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)生壓降而影響電路2。同