CN113328767A - 恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法及其控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法及其控制装置，方法包括在电缆的抗干扰芯线导体与电缆屏蔽层导体之间施加直流电压，获得电缆轴线处的电位移；计算电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间径向位置的电场强度；计算电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间需修复的单位长度电缆内聚集的电荷；计算电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间的电容；计算电场纠偏能量，将电源能量与所述电场纠偏能量之和作为抗干扰总能量；对受到干扰信号影响产生变化的电场进行修复。本发明恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法，利用直流稳压电源或蓄电池的强大的纠偏能力使该电场保持恒定，消除环境中变化的电磁场对所传输信号的影响，确保通讯和通信质量。

Description

恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法及其控制装置
技术领域
本发明属于通信通讯技术领域，具体涉及恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法及其控制装置。
背景技术
目前的抗干扰措施主要通过电缆屏蔽层导体接地的方法，是被动的无源抗干扰措施，其缺点有：
1、对于金属网屏蔽层来说，总有特定频率或波长的干扰信号能够穿透屏蔽层，影响信号的传输质量和稳定性。
2、为防止屏蔽层形成接地环流，屏蔽层只能单端一点接地，当电缆达到一定的长度，例如长度达到或超过数百米、数千米、甚至数十千米，由于屏蔽层本身具有电阻和电感，离屏蔽层接地点较远处的屏蔽层电位与大地并不相同，离接地点越远，等效电阻与等效电感的值越大，对地电位越高；尤其是交流高频信号，频率越高电抗越大，屏蔽层对地电抗越高，干扰信号对地电位差越大, 屏蔽层对干扰信号的屏蔽效果越差，干扰信号对所传输信号影响和干扰越大。
3、由于屏蔽层等效电感的作用，具有典型交流特征的干扰信号接地电流在电感上被延时接地，无法及时将干扰信号消除。
4、屏蔽层对低频、超低频信号的屏蔽作用不明显，低频、超低频干扰信号波长较长，能够穿透屏蔽层，干扰所传输信号；电缆越长，屏蔽层接地电阻和接地电感就越大，对干扰信号的屏蔽作用就越差，因些需要研发一种新的主动抗干扰方法，来解决现有的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法，以解决特定频率或波长的干扰信号能够穿透屏蔽层，影响信号的传输质量和稳定性的问题，同时解决现有技术中接地点较远时抗干扰能力变差的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明的一种恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法，包括以下步骤：
S1、利用直流稳压电源或蓄电池在电缆的抗干扰芯线导体与电缆屏蔽层导体之间施加直流电压U0，获得电缆轴线处的电位移D E；
S2、根据电缆结构和所述直流电压U0，计算电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间 径向位置的电场强度
Figure 152600DEST_PATH_IMAGE001
；
S3、计算电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间需修复的单位长度电缆内聚集的电荷τ；
S4、计算电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间的电容；
S5、计算所述电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间储存的电场纠偏能量WE，将电源能量WP与所述电场纠偏能量WE之和作为抗干扰总能量W；根据所述抗干扰总能量W，对受到干扰信号影响产生变化的电场进行修复。
步骤S1中，所述电位移D E的计算方法为：
Figure 132057DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 741155DEST_PATH_IMAGE003
为方向向量，r为电缆的圆柱面半径，τ为电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线上 所集聚的电荷。
步骤S2中，所述电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间的电场强度
Figure 198681DEST_PATH_IMAGE004
的计算公式 为，
Figure 75370DEST_PATH_IMAGE005
；
以R2上的点为起点，R1上的点为终点，沿电场方向从起点到终点的路径上，电势变化的总和为所加的抗干扰电压U0，
Figure 163412DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 277384DEST_PATH_IMAGE007
为以自然对数为底数求对数的运算符号，
Figure 538601DEST_PATH_IMAGE008
为沿电场强度方向的电位移 路径，R1为电缆屏蔽层导体的内半径，R2为电缆抗干扰芯线导体的外半径；
得到不含方向电场强度E为
Figure 473059DEST_PATH_IMAGE009
。
步骤S3中，所述电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间需修复的单位长度电缆内聚集的电荷τ：
Figure 794319DEST_PATH_IMAGE010
当电缆长度为L时，在长度为L的电缆屏蔽层与抗干扰芯线导体上聚集的电荷为：
Figure 610966DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 115021DEST_PATH_IMAGE012
为在长度为L的电缆屏蔽层导体内半径处聚集的电荷，
Figure 966303DEST_PATH_IMAGE013
为在长度为L的 电缆抗干扰芯线外半径处聚集的电荷。
步骤S3中，所述电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间的电容计算公式为
Figure 458464DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，C为单位长度的电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间的电容，
当电缆长度为L时，长度为Ｌ的电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间的电容为
Figure 762406DEST_PATH_IMAGE015
，
其中，C L 为电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间的电容。
步骤S5中，所述电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间储存的电场纠偏能量为
Figure 303109DEST_PATH_IMAGE016
。
上述的一种恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法实现的控制装置，包括，
与电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体连接的双位置开关；
与双位置开关中工作位置连接，用于限制建立抗干扰电场时充电电流的充电限流电阻器；
与双位置开关中检修位置连接，用于限制消耗电场中储存的能量时放电电流的放电限流电阻器。
上述的一种恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法实现的控制装置，
所述双位置开关置于工作位置时，直流电压U0通过充电限流电阻器给电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体充电，刚接通电源时，电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体的电压为0，充电限流电阻器的发热功率最大，其值为：Pxc=U0 2/RC,流经充电限流电阻器的电流为Ixc=U0/RC；其中，Pxc代表充电限流电阻器的发热功率，RC代表充电限流电阻器的电阻，Ixc代表充电限流电阻器电流；
所述双位置开关置于检修位置时，电源被断开，刚接通放电限流电阻器时，电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体的电压为U0，放电限流电阻器的发热功率最大，其值为：Pxf=U0 2/Rx,流经放电限流电阻器的电流为Ixf=U0/Rx ，其中，Rx代表放电限流电阻器的电阻,Pxf代表放电限流电阻器的发热功率,Ixf 表示放电限流电阻器的电流。
本发明的技术效果和优点：该恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法，利用直流稳压电源或蓄电池的强大的纠偏能力使该电场保持恒定，消除环境中变化的电磁场对所传输信号的影响，确保通讯和通信质量；具体有如下优点：
1、抗干扰能力不受电缆长度的影响,因为电缆越长，电缆上积聚的静电荷越多，纠偏能量就越强大，遇外来干扰影响全部或局部电场的分布和稳定时，反应就越迅速，相对优势越明显；
2、抗干扰能力不受干扰信号的频率影响，不管干扰信号为高频、低频或中频时，储能系统都能迅速修复受影响的电场。
附图说明
图1为本发明的电缆剖面示意图；
图2为本发明中恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法结构示意图；
图3为本发明具体实施方法的结构示意图。
图中：1、电缆屏蔽层导体；2、抗干扰芯线导体；3、电源；4、信号芯线；7、双位置开关；8、充电限流电阻器；9、放电限流电阻器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了如图1-图2中所示的一种恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法，包括以下步骤：
S1、利用直流稳压电源或蓄电池在电缆的抗干扰芯线导体2与电缆屏蔽层导体1施之间加直流电压U0，获得电缆轴线处的电位移；
S2、根据电缆结构和所加直流电压U0，计算电缆屏蔽层导体1与抗干扰芯线导体2间的径向位置的电场强度；
S3、计算需修复的单位长度电缆内聚集的电荷；
S4、计算电缆屏蔽层导体1与抗干扰芯线导体2间的电容；
S5、所述电缆屏蔽层导体1与抗干扰芯线导体2间储存电场纠偏能量分布于电缆中，对受干扰信号影响产生变化的电场进行修复,其中直流电压由电源3提供，电源3以及连接电源3负极的电缆屏蔽层1和连接电源3正极的抗干扰芯线，本实施例中，抗干扰芯线是电缆内芯中的一根，该内芯只用于产生恒定的环境电场，不传输信号，在电缆屏蔽层1和抗干扰芯线之间的区域内，建立恒定的电场，信号在恒定电场中传输，环境维持稳定，不受外界影响；建立电场所需电源3的类型为蓄电池组或直流稳压电源，以保证在电缆中建立恒定而持续的电场；为建立电场所加电压U0与电缆内所传输信号的电平US有：U0 大于US；US为信号芯线4中的信号电平,电缆中所施加的屏蔽电压U0必须小于电缆的标称直流绝缘水平UP，且有：UP大于1.6倍的U0 ；电缆长度与电缆屏蔽层导体1外径D之比有，L>>D,且L/D>20 ；
本实施例中，电缆为圆柱形屏蔽电缆，电缆屏蔽层导体1的内半径为R1，抗干扰芯线的导体为半径为R2, 中间填充绝缘介质的等效平均介电常数为Ɛ，由于电缆中不同部位的绝缘介质并不相同，且还有其他信号芯线4，使用Ɛ为等效平均介电常数，在电缆屏蔽层导体1与抗干扰芯线导体2间加一电压U0，以电缆的轴线为电气轴心，以r为半径作一圆柱面，则离轴线r处的电位移公式为
优选的，所述步骤S1中，所述电位移的计算方法为：
Figure 775941DEST_PATH_IMAGE017
其中，D E为电位移，即沿电场方向电势的变化，
Figure 173424DEST_PATH_IMAGE018
为方向向量， r为电缆轴线为电 气轴心的圆柱面半径，D r为电位移；
所述步骤S2中，所述电缆屏蔽层导体1与抗干扰芯线导体间的电场强度的计算公式为，
Figure 167925DEST_PATH_IMAGE019
。
对电场方向路径积分
Figure 574636DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure 636395DEST_PATH_IMAGE021
为电场强度；ln为以自然对数为底数求对数的运算符号，R1为电缆屏蔽层 导体的内半径，R2为电缆抗干扰芯线导体的外半径，该公式的物理意义为：以R2上的点为起 点，R1上的点为终点，沿电场方向从起点到终点的路径上，电势变化的总和即为所加的抗干 扰电压U0。
可得到电场强度为
Figure 673621DEST_PATH_IMAGE022
其中，E为不含方向电场强度，τ为电缆屏蔽层导体1与抗干扰芯线上所集聚的电 荷；Dr为电位移；
Figure 686576DEST_PATH_IMAGE023
为沿电场强度方向的电位移路径，R1为电缆屏蔽层导体1的内半径，R2 为 抗干扰芯线导体2的半径；
优选的，所述步骤S3中，所述电缆屏蔽层导体1与抗干扰芯线导体2间单位长度电 缆内聚集的电荷的计算公式为；
Figure 896978DEST_PATH_IMAGE024
。
当电缆单位长度为L时，电缆内R1和R2处聚集的电荷的公式为：
Figure 311779DEST_PATH_IMAGE025
优选的，所述步骤S4中，所述单位长度的电缆屏蔽层1与抗干扰芯线导体2间的电容计算公式为
Figure 15512DEST_PATH_IMAGE026
当电缆长度为L时，所述长度为Ｌ的电缆屏蔽层导体1与抗干扰芯线导体2间的电容计算公式为
Figure 781342DEST_PATH_IMAGE027
。
优选的，所述步骤S5中，所述长度为Ｌ的电缆屏蔽层导体1与抗干扰芯线导体2间储存电场纠偏能量为
Figure 264276DEST_PATH_IMAGE028
。
优选的，所述储存电场纠偏能量与电源能量之和构成抗干扰总能量，
Figure 2425DEST_PATH_IMAGE029
其中，W为抗干扰总能量，WE为储存电场纠偏能量，WP为电源能量。
若电源3为蓄电池组，则WP=3600U0˙AH，其中AH为蓄电池组的AH数值;
若电源3为直流稳压电源，由于连接着电网，WP可以视为无穷大。
电源3的能量与电缆中储存的能量一起，共同维持电缆中电场的分布和稳定，且电源3往往能提供更大而持久的能量供应以用于及时纠偏受影响的电场和补充电场储能，而不受接地电阻、接地电感的影响，抗干扰能力不受电缆长度的影响；
本发明另提供一种恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法实现的控制装置，包括，
与电缆屏蔽层导体1与抗干扰芯线导体2连接的双位置开关7；
与双位置开关7中工作位置连接，用于限制建立抗干扰电场时的充电限流电阻器8；
与双位置开关7中检修位置连接，用于消耗电场中储存的能量的放电限流电阻器9；
为检修方便，需要为该电场能量提供释放通路和设备，如图3所示，
能量释放通路包含一台开关和一台放电限流电阻器9，放电限流电阻器9用以消耗电场中储存的能量。当需要检修时，双位置开关7置于检修位置，电源3被断开，电缆中储存的能量流经放电限流电阻器9，并发热消耗；
所述双位置开关7置于工作位置时，电缆屏蔽层导体1与抗干扰芯线的电压为U0，电阻的发热功率最大，直流电压U0通过充电限流电阻器8给电缆屏蔽层导体1与抗干扰芯线充电，刚接通电源3时，电缆屏蔽层导体1与抗干扰芯线的电压为0，充电限流电阻器8的发热功率最大，其值为：Pxc=U0 2/RC,流经充电限流电阻器8的电流为Ixc=U0/RC；随着能量的消耗，电压逐渐降低，流经充电限流电阻器8的电流逐渐减小，发热功率也逐渐降低，双位置开关7用K的电压等级应不小于U0，额定电流应不小于流经充电限流电阻器8的最大电流；Pxc代表充电限流电阻器8发热功率，RC代表充电限流电阻器8，Ixc代表充电限流电阻器8电流；
所述双位置开关7置于检修位置时，电源3被断开，刚接通放电限流电阻器9时，电缆屏蔽层导体1与抗干扰芯线的电压为U0，放电限流电阻器9的发热功率最大，其值为：Pxf=U0 2/Rx,流经放电限流电阻器9的电流为Ixf=U0/Rx，其中，Rx代表放电限流电阻器9,Pxf代表放电限流电阻器9的发热功率,Ixf 表示放电限流电阻器9的电流；
工作位置用于正常工作时建立电场并持续提供电源3，检修位用于检修前，释放电缆中储存的电能，以免施工时出现安全事故，开关的额定电流应不小于充电、放电电流值中较大的值，该开关设两位置能够最大可能避免使用过程中的操作错误和安全事故，操作简便，置工作位时自动给电缆充电储能，提供抗干扰能量；置检修位时自动断开电源3，自动接入放电通路，释放能量以免发生安全事故。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、利用直流稳压电源或蓄电池在电缆的抗干扰芯线导体与电缆屏蔽层导体之间施加直流电压U0，获得电缆轴线处的电位移D E；
S2、根据电缆结构和所述直流电压U0，计算电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间径向位 置的电场强度
Figure 102584DEST_PATH_IMAGE001
；
S3、计算电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间需修复的单位长度电缆内聚集的电荷τ；
S4、计算电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间的电容；
S5、计算所述电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间储存的电场纠偏能量WE，将电源能量WP与所述电场纠偏能量WE之和作为抗干扰总能量W；根据所述抗干扰总能量W，对受到干扰信号影响产生变化的电场进行修复。
2.根据权利要求1所述的一种恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法，其特征在于：步骤S1中，所述电位移D E的计算方法为：
Figure 90132DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 580019DEST_PATH_IMAGE003
为方向向量，r为电缆的圆柱面半径，τ为电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线上所集 聚的电荷。
3.根据权利要求1所述的一种恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法，其特征在于： 步骤S2中，所述电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间的电场强度
Figure 199438DEST_PATH_IMAGE004
的计算公式为，
Figure 811685DEST_PATH_IMAGE005
；
以R2上的点为起点，R1上的点为终点，沿电场方向从起点到终点的路径上，电势变化的总和为所加的抗干扰电压U0，
Figure 489791DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 845686DEST_PATH_IMAGE007
为以自然对数为底数求对数的运算符号，
Figure 89586DEST_PATH_IMAGE008
为沿电场强度方向的电位移路径， R1为电缆屏蔽层导体的内半径，R2为电缆抗干扰芯线导体的外半径；
得到不含方向电场强度E为
Figure 46303DEST_PATH_IMAGE009
。
4.根据权利要求3所述的一种恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法，其特征在于：步骤S3中，所述电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间需修复的单位长度电缆内聚集的电荷τ：
Figure 8442DEST_PATH_IMAGE010
当电缆长度为L时，在长度为L的电缆屏蔽层与抗干扰芯线导体上聚集的电荷为：
Figure 902449DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 469697DEST_PATH_IMAGE012
为在长度为L的电缆屏蔽层导体内半径处聚集的电荷，
Figure 892588DEST_PATH_IMAGE013
为在长度为L的电缆 抗干扰芯线外半径处聚集的电荷。
5.根据权利要求3所述的一种恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法，其特征在于：步骤S3中，所述电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间的电容计算公式为
Figure 109068DEST_PATH_IMAGE014
；
其中，C为单位长度的电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间的电容，
当电缆长度为L时，长度为Ｌ的电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间的电容为
Figure 541186DEST_PATH_IMAGE015
，
其中，C L 为电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间的电容。
6.根据权利要求3所述的一种恒定电场包围传输信号的主动抗干扰方法，其特征在于：步骤S5中，所述电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体间储存的电场纠偏能量为
Figure 697361DEST_PATH_IMAGE016
。
7.基于权利要求1-6任意一项所述的主动抗干扰方法的控制装置，其特征在于：包括，
与电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体连接的双位置开关；
与双位置开关中工作位置连接，用于限制建立抗干扰电场时充电电流的充电限流电阻器；
与双位置开关中检修位置连接，用于限制消耗电场中储存的能量时放电电流的放电限流电阻器。
8.根据权利要求7所述的控制装置，其特征在于：
所述双位置开关置于工作位置时，直流电压U0通过充电限流电阻器给电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体充电，刚接通电源时，电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体的电压为0，充电限流电阻器的发热功率最大，其值为：Pxc=U0 2/RC,流经充电限流电阻器的电流为Ixc=U0/RC；其中，Pxc代表充电限流电阻器的发热功率，RC代表充电限流电阻器的电阻，Ixc代表充电限流电阻器电流；
所述双位置开关置于检修位置时，电源被断开，刚接通放电限流电阻器时，电缆屏蔽层导体与抗干扰芯线导体的电压为U0，放电限流电阻器的发热功率最大，其值为：Pxf=U0 2/Rx,流经放电限流电阻器的电流为Ixf=U0/Rx ，其中，Rx代表放电限流电阻器的电阻,Pxf代表放电限流电阻器的发热功率,Ixf 表示放电限流电阻器的电流。
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