CN105788746B - 一种防电磁干扰的混合电缆 - Google Patents
一种防电磁干扰的混合电缆 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种防电磁干扰的混合电缆。所述电缆直接将电力电缆和通信电缆集成在一起，由具有电磁干扰屏蔽功能的电力电缆、具有防电磁干扰能力的信号电缆和保护套构成，保护套包裹住通信电缆和电力电缆，信号电缆和电力电缆根数不限，由使用需求决定。本发明的电力电缆和通信电缆各自通过磁屏蔽材料屏蔽其电磁干扰，主要用于强、弱电系统紧密平行布线，且弱电系统对强电干扰屏蔽要求较高的情况中。
Description
技术领域
本发明属于电力电缆领域，尤其是一种防电磁干扰的混合电缆。
背景技术
随着经济的快速发展，电缆的需求也越来越多，不同的工作环境下电缆也不相同。在电气或电子系统中，电缆主要用于联接不同的系统，并实现不同系统之间能量与信息的有效传输。而随着工作电缆的变多，电磁环境越来越变得复杂，电缆之间的相互干扰也变得十分复杂。
现在电气化设备中，工作电缆主要分为电力电缆和通信电缆。而且由于设备的体积所限，电缆通常为电缆束的形式存在。电力电缆在电路中的作用主要是用于传输电能，由麦克斯韦理论我们知道电力电缆中流通的电流会在周围空间中产生磁场，并且电流越大，磁场也越大。而电力电缆产生的磁场也会在与电力电缆平行布线的通信电缆上产生一个感应电动势，感应电动势随磁场的大小成正比。而通信电缆中大部分传输的信号为弱电信号，实质为弱电电压。电力电缆对通信电缆产生的磁耦合感应电压将会对通信电缆中传输的弱电信号造成干扰，影响通信电缆的正常工作。这是明显的强电系统对弱电系统的电磁干扰。
而现有的电力电缆中大部分未进行自身磁屏蔽的设计，仅有的一些磁屏蔽电力电缆使用的屏蔽层为金属丝网，成本较高，且对实际传输电能过程中产生的低频磁场无磁屏蔽效果，电力电缆的使用受到限制。
发明内容
为了解决背景技术中存在的磁屏蔽问题，本发明提出了一种防电磁干扰的混合电缆，直接将电力电缆和通信电缆集成在一起，电力电缆和通信电缆各自通过磁屏蔽材料屏蔽其电磁干扰，主要用于强、弱电系统紧密平行布线，且弱电系统对强电干扰屏蔽要求较高的情况中。
平行布线时，强电电路中的电流I对弱电信号回路系统中的感生电动势由法拉第电磁感应定律为：其中为回路所包围的磁通量。因此减少强电回路对弱电回路的干扰可以是减少弱电回路中所包围的磁通量，而磁通量由强电回路产生，即需要减少电力电缆对外界所产生的磁通量。由公式可以知道，当电缆位置确定，即闭合环路面积固定，此时磁通量与磁场密度线性相关。
一种防电磁干扰的混合电缆，其特征在于：具有电磁干扰屏蔽功能的电力电缆、具有防电磁干扰能力的信号电缆和保护套构成，保护套包裹住通信电缆和电力电缆，信号电缆和电力电缆根数不限，由使用需求决定。
进一步，所述的电磁干扰屏蔽功能的电力电缆，其特征在于：导体芯线为三相多线制结构，导体芯线全部被磁屏蔽层包覆，所述的磁屏蔽层为相对磁导率为1000～20000的软磁合金材料，屏蔽层厚度为10～40μm。
进一步，所述的电磁干扰屏蔽功能的电力电缆，其特征在于：
1)单线线路通过高磁导率的磁屏蔽层时，由于磁屏蔽材料的低磁阻性，磁场聚集在磁屏蔽材料低磁阻通道内；单线线路在磁屏蔽层内的磁通量大小为：
其中为磁屏蔽层内的磁通量，为单线线路产生的磁通量，μr为磁屏蔽层材料的相对磁导率；单线线路产生的磁通量为：
其中为磁通密度，为磁通面积；
磁通密度大小：
I为线路中的电流大小，r为距任意一点单线线路的距离，为磁通密度的方向；
2)三相线路A、B、C工作时，在磁屏蔽层内的总磁通量为：
而
分别为三相线路A、B、C中的相电流值；
三相电电流相量和为零
则
即A、B、C三相线路中产生的磁通在通过软磁合金材料的磁通相互抵消之后为0，电缆外部不存在磁通，起到磁屏蔽功能；
对于软磁合金材料外侧，A、B、C三相线路的磁通量在通过软磁合金材料的磁通量也会相互抵消，因此采用该种磁屏蔽结构的电力电缆可以有效的减少对外界环境干扰的磁通大小。
进一步，所述的具有防电磁干扰能力的信号电缆，其特征在于：由内到外依次为芯线、绝缘层、电导率屏蔽材料、绝缘层、磁导率屏蔽材料；芯线与电导率屏蔽材料一端接负载串联构成信号回路。
进一步，所述的具有防电磁干扰能力的信号电缆，其特征在于，通过以下步骤来实现：
1)一般情况下回路面积
S1＝a·b
其中a为信号电缆在电路中的长度，b为电缆与信号地之间的距离。
而采用芯线与电导率屏蔽材料端接负载串联构成信号回路，确保信号电流只在芯线和电导率屏蔽材料中流通而不流通信号地，此时耦合面积为
S2＝a·2c
c为芯线中心与电导率屏蔽材料之间的距离，即为导体芯线直径加上芯线与电导率屏蔽材料之间绝缘层的厚度。
此时产生的磁屏蔽效能
2)在使用减小信号面积S的方法后，使用磁导率屏蔽材料进行磁屏蔽减小磁感应强度B在未使用高磁导率屏蔽材料时磁感应强度
B1＝μ0H1
μ0表示真空磁导率，H1为未使用高磁导率屏蔽材料时的磁场强度。，此时在信号回路中的磁感应强度
μr表示相对磁导率，h表示磁导率材料的厚度，D表示磁导率材料所包覆的半径。
此时产生的磁屏蔽效能
3)总的磁屏蔽效能为
通过减小芯线与电导率屏蔽材料之间的距离c以及磁导率材料所包覆的半径D；增大磁导率材料的μr和厚度h，获得好的屏蔽效果。
进一步，磁导率屏蔽材料为软磁合金，其相对磁导率μr为200-200000，厚度h为5～100μm。
进一步，绝缘层材料及厚度、导体芯线和电导率屏蔽材料的电导率、芯线与电导率屏蔽材料之间的距离c、磁导率屏蔽材料所包覆的半径D为GB/T11322.1-1997中电缆结构常数所确定。
进一步，在使用过程中，将高电导率结构层一端与导体芯线与负载相串联，构成信号回路，外层的高磁导率结构层对信号回路产生低频磁场屏蔽。
进一步，金属屏蔽层应为高磁导率材料结构层在外层，并需要对信号回路进行包覆，防止出现漏磁等影响磁屏蔽的情况出现。
本发明提出的具有电磁干扰屏蔽功能的电力电缆，其磁屏蔽技术方案如下：电缆的导体为三相多线制结构，每根芯线外包覆一层绝缘层，芯线彼此之间相互绝缘；导体结构外为一层具有磁分流功能的金属屏蔽层，金属屏蔽层为具有高磁导率的软磁合金材料。导体结构和高磁导率金属屏蔽层组合使用才具有磁屏蔽功能。
本发明提出的具有防电磁干扰能力的信号电缆，采用特殊金属屏蔽层结构主要是因为：高导电率结构层可以有效的对电场耦合以及高频磁场耦合进行抑制，且能有效地减少信号回路的面积；而高磁导率材料可以有效的对低频磁场进行磁分路而产生抑制效果。
进一步，本发明将电力电缆导体线芯设计为三相多线结构而不使用单线形式，主要是因为高磁导率金属屏蔽层对单芯线路所产生的磁通只具有磁分路的效果，并不能根本地减少磁通大小。而三相电结构可以有效的减少磁通大小。
进一步，本发明电力电缆具有的磁屏蔽效果为导体三相电结构形式和高磁导率金属屏蔽层共同作用而得到，两者相互配合才能达到理想的屏蔽效果。
进一步，本方面将电力电缆和信号电缆集成为一根混合电缆，通过磁屏蔽手段消除其中电力电缆对信号电缆的干扰，非常适用于强、弱电系统紧密平行布线的场合。
本发明通过采用以上技术方案，达到以下有益效果。
1.可以有效减少电力电缆中工作电流产生的磁场对周围敏感体的影响。
2.可以有效地对电磁干扰起到屏蔽效果，保证弱电信号传输。
3.运用范围广，可以在复杂电路环境下使用。
4.造价较低，经济效益高。
5.结构简单，生产方便。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1为本发明防电磁干扰的混合电缆结构示意图。
图2为本发明电力电缆的磁屏蔽结构示意图。
图3为本发明的磁屏蔽结构原理图。
图4为本发明具有防电磁干扰能力的信号电缆的磁屏蔽结构图。
图5为本发明具有防电磁干扰能力的信号电缆的芯线、高电导率材料和负载串联示意图。
图6为本发明高磁导率材料分流磁通示意图。
以上图1中为：1、电力电缆(不限于3根)，2、保护套层，3、信号电缆(不限于10根)。
以上图2、图3中为：11、导体，12、绝缘层，13、高磁导率金属屏蔽层，14、保护层，A、B、C为三相芯线，阴影部分表示为磁通。
以上图4～图6中为：31、导体芯线，32和34、绝缘层，33、高导电率材料屏蔽层，35、高磁导率材料屏蔽层，36、外护套，37、磁通，38、负载，阴影表示信号回路面积，b、电缆与信号地之间的距离，c、芯线中心与高电导率屏蔽材料之间的距离，D、高磁导率材料所包覆的半径，h、高磁导率材料的厚度。
具体实施方式
在图1所示中，根据实际需求将不同根数电力电缆和信号电缆集成在一起，外层和电缆之间的空隙填充保护材料。
在图2所示中，11为三相导体，A、B、C分别为三相芯线；13为高磁导率金属屏蔽层。高磁导率金属屏蔽层13对三相导体11进行全包覆，防止电力电缆工作时产生的磁通发生漏磁而影响磁屏蔽效果。
在图3(a)中，A相线路外包覆高磁导率金属屏蔽层，磁通只是在高磁导率金属屏蔽层进行磁分路，磁通量并未变少；在图3(b)中由于三相电的相量和为0，产生的磁通在高磁导率金属屏蔽层内产生抵消，屏蔽层内部净磁通为0，电力电缆的外部不存在磁通量，起到磁屏蔽功能。
在图4所示的抗磁感应耦合信号电缆的磁屏蔽结构图中，31为导体芯线，保证信号的传输；金属屏蔽层包括33和35，分别为高导电率材料屏蔽层和高磁导率屏蔽层。32为芯线31与屏蔽层33之间的绝缘层；34为屏蔽层33和35之间的绝缘层。
图5为抗磁感应耦合信号电缆的磁屏蔽原理图。可以看到导体芯线31和高导电率材料屏蔽层33和负载38构成了信号回路。
图6为高磁导率材料分流磁通示意图。当信号电缆实际工作中，如未使用高磁导率材料屏蔽层35，则外界干扰磁场会在信号回路中产生干扰，表现为在回路中产生感生电动势，感生电动势会对信号电缆中传输的原始弱电信号造成干扰从而影响回路中的信号传输，造成信号的误码或失真。图6中所示的磁屏蔽原理则为具有高磁导率的结构层35可以对外界磁场产生磁旁路作用，磁通37将集中在高磁导率结构层35的低磁阻磁通路内，减少干扰磁场对信号回路的干扰，保证电信号在信号回路内正常的进行传输。
本发明具有电磁干扰屏蔽功能的电力电缆附图只有三相线，但同样地原理也可以运用于三相多线制电力电缆，同样地需将所有芯线包覆于高磁导率磁屏蔽层内部。
本发明电力电缆使用的磁屏蔽结构，有效的减少了电力电缆对周围环境的磁污染，降低了强电线路对弱电线路的干扰。屏蔽层材料为高磁导率的金属材料，较其他屏蔽材料经济环保，具有很高的运用价值。
本发明具有防电磁干扰能力的信号电缆的使用方法为：使用时高导电率结构层33需要与导体31串联构成一个信号回路，而高磁导率结构层35作为一个磁屏蔽层，在信号回路外围包覆形成低频磁分路。这样大大减小外界干扰磁场对信号电缆的磁耦合干扰。
Claims (3)
1.一种防电磁干扰的混合电缆，其特征在于：具有电磁干扰屏蔽功能的电力电缆、具有防电磁干扰能力的信号电缆和保护套构成，保护套包裹住信号电缆和电力电缆，信号电缆和电力电缆根数不限；
每根电力电缆由内到外依次为导线、绝缘层、磁屏蔽层、保护层；导线为三相多线制结构；
每根信号电缆由内到外依次为芯线、绝缘层、电导率屏蔽材料、绝缘层、磁导率屏蔽材料、外护套；
电力电缆工作时外部磁场大小为0，实现方法如下所示：
a)单线线路在磁屏蔽层内的磁通量大小为：
其中为磁屏蔽层内的磁通量，为单线线路产生的磁通量，μr为磁屏蔽层材料的相对磁导率；单线线路产生的磁通量为：
其中为磁通密度，为磁通面积；
磁通密度大小：
I为线路中的电流大小，r为任意一点距单线线路的距离，为磁通密度的方向；
b)三相线路A、B、C工作时，在磁屏蔽层内的总磁通量为：
而
分别为三相线路A、B、C中的相电流值；
三相电电流相量和为零
<mrow>
<msub>
<mover>
<mi>I</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mi>A</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mover>
<mi>I</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mi>B</mi>
</msub>
<mo>+</mo>
<msub>
<mover>
<mi>I</mi>
<mo>&CenterDot;</mo>
</mover>
<mi>C</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mn>0</mn>
</mrow>
则
即A、B、C三相线路中产生的磁通在通过软磁合金材料的磁通相互抵消之后为0，电缆外部不存在磁通，起到磁屏蔽功能；
信号电缆内部芯线受外界磁场感应耦合量为0，实现方法如下：
芯线与电导率屏蔽材料一端接负载串联构成信号回路，确保信号电流只在芯线与电导率屏蔽材料中流通，减小信号回路面积S，之后使用磁导率屏蔽材料进行磁屏蔽减小磁感应强度B；
此时在信号回路中的磁感应强度
<mrow>
<mi>B</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>2</mn>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mn>0</mn>
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<mi>D</mi>
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<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>D</mi>
<mo>+</mo>
<msup>
<msub>
<mi>&mu;</mi>
<mi>r</mi>
</msub>
<mi>h</mi>
</msup>
</mrow>
</mfrac>
<msub>
<mi>H</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mrow>
μ0表示真空磁导率，H1为未使用磁导率屏蔽材料时的磁场强度；μr表示相对磁导率，h表示磁导率屏蔽材料的厚度，D表示磁导率屏蔽材料所包覆的半径；
总的磁屏蔽效能为
<mrow>
<mi>S</mi>
<mi>E</mi>
<mo>=</mo>
<mn>20</mn>
<mi>lg</mi>
<mo>&lsqb;</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>1</mn>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
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<mi>r</mi>
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<mi>h</mi>
</msup>
</mrow>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>D</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>&CenterDot;</mo>
<mfrac>
<mi>b</mi>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>c</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>&rsqb;</mo>
</mrow>
b为电缆与信号地之间的距离，通过减小芯线与电导率屏蔽材料之间的距离c以及磁导率屏蔽材料所包覆的半径D；增大磁导率屏蔽材料的μr和厚度h，提高屏蔽效果。
2.根据权利要求1所述的防电磁干扰的混合电缆，其特征在于：电力电缆中所述的磁屏蔽层为相对磁导率为1000～20000的软磁合金材料，磁屏蔽层厚度为10μm～40μm。
3.根据权利要求1所述的防电磁干扰的混合电缆，其特征在于：磁导率屏蔽材料为软磁合金，其相对磁导率μr为200-200000，厚度h为5～100μm。
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