西門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 西門子通信電纜的屏蔽與接地
關鍵詞 西門子系統(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 導線的傳導干擾 ............................................................................................................. 4
1.1.1傳輸線-短線與長線 ...................................................................................................... 4
1.1.2共阻抗耦合 .................................................................................................................. 6
1.1.3傳輸線的反射 .............................................................................................................. 8
1.1.4共模干擾與差模干擾 .................................................................................................. 10
1.2 騷擾通過空間傳輸 ....................................................................................................... 13
1.2.1天線效應 .................................................................................................................... 13
1.2.2近場電場耦合 ............................................................................................................ 17
1.2.3近場磁場耦合 ............................................................................................................ 18
2 屏蔽 .................................................................................................................................... 20
2．1 電場屏蔽 ....................................................................................................................... 21
2．2 磁場屏蔽 ....................................................................................................................... 23
3電纜的屏蔽接地 ...................................................................................................................... 27
3．1 電場的屏蔽接地 ............................................................................................................ 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 ......................................................................................................... 31
4 PROFIBUS的安裝要求 .......................................................................................................... 34
4．1 PROFIBUS的布線 ........................................................................................................... 34
4．2 PROFIBUS的屏蔽接地 .................................................................................................... 36
5 PROFINET的安裝要求 ....................................................................................................... 38
5．1 PROFINET的布線 ........................................................................................................... 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。騷擾源可以通過空
間的輻射、電磁耦合傳遞到敏感設備，也可以通過導線的傳輸進入敏感設備。
1.1 導線的傳導干擾
信號通過導線傳輸，通常在理想情況下只考慮導線的電阻，但實際的傳輸導線都存在分
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)，它們與導體間介質的相對磁導率μ和介電常數(shù)ε有關：
L C = με=常數(shù),
特性阻抗為Z0 = L/C 是電纜的物理特征，與傳輸線的電壓電流無關。導線的傳導
干擾絕大部分也是是由導線的分布參數(shù)引起得的。圖1-1列出幾種傳輸線的布置，(a)為導
線對；(b)為軌線與板；(c)為平行板，假設導線間距相同，三者的分布參數(shù)比較為：La >
Lb >Lc；Ca < Cb < Cc；Za > Zb > Zc；
圖1-1幾種傳輸線的布置
1.1.1傳輸線-短線與長線
線路中的分布電感、分布電容、分布電阻影響信號及電源的傳輸，根據(jù)傳輸線的長度與
傳輸信號頻率的關系，將傳輸線分為短線（有的資料為電短）和長線（有的資料為電長），
如圖1-2所示，如果s QZ
目的地) < 0.5倍的沿上升時間t ,就是短線。例如導線或者機械尺寸比波長小都可以視為短
f
線，系統(tǒng)內部的連續(xù)通常也視為短線。短線的特性為：在一條短線上，除了電流流動帶來的
電壓降外，各點電勢相等，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)
就是長線，例如機械尺寸比波長大，適用于分布參數(shù)電路分析，基耳霍夫電壓定律不再適
用，因為電路中的電壓和電流除了是時間的函數(shù)外，還是空間坐標的函數(shù)。同樣一段傳輸
線，由于傳輸信號頻率不同，有可能是短線，也有可能是長線。計算波長的公式如下：
V
l＝
f
l：波長
IA&DT Service & Support Page 4-40V:速度
f:信號頻率
圖1-2短線與長線
理想情況下，一截傳輸導線只考慮線上的電阻，但在實際情況下還要考慮到線上的分布參
數(shù)，如圖1-3所示的等效電路：
圖1-3傳輸線的等效電路
線上總的阻抗為：
Z = R + j2pfL
R > 2pfL (f < 3kHZ)
IA&DT Service & Support Page 5-40R < 2pfL (f > 3kHZ)
短線電路只考慮負載的阻抗，長線電路傳輸線的特征阻抗主導電路的特性，參考下面的
試驗如圖1-4所示：
圖 1-4長線短線試驗示例
高頻信號發(fā)生器給S等于2米遠的電燈供電，使用一根裸線靠近燈泡處與電燈組成短
線回路，由于短線只考慮負載電阻，裸線電阻非常小，燈泡被短路而熄滅，如果將裸線向電
源處移動，當與燈泡連線距離超過短線（l/10）距離后，線路上的感抗?jié)u漸起主導作用，負
載電阻被忽略，燈泡逐漸由暗變亮，如果裸線與電源距離逐漸接近，直至小于短線距離，線
路上負載電阻漸漸起主導作用，感抗被忽略，電源被短路，燈泡逐漸由亮變暗，直到熄滅。
一條短的電路不會影響整個線路，所以干擾抑制元件要就近安裝在干擾源端或被保護設備端
（距離1.1.2共阻抗耦合
當設備或元件共用電源或地線時，會產(chǎn)生共阻抗耦合。
1）共電源阻抗耦合
兩個或多個相互獨立的電路使用相同的電源線會產(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
假設電源的內阻及線上阻抗為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，電源內阻與線阻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也會對電路1
產(chǎn)生干擾。這種情況下電路必須各自供電。
2）共地線耦合
多個回路共用一個地線會產(chǎn)生共地線耦合，如圖 1-6所示：
圖 1-6共阻抗耦合
接地線的功能是保持零電位，應該沒有電流，電路1、2不會產(chǎn)生干擾，但是實際上接地
線也有阻抗，電阻很小可以忽略不計，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，在接地導線產(chǎn)生壓降而影響電路2。同