西门子电缆的屏蔽与接地

电缆的屏蔽与接地
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 西门子通信电缆的屏蔽与接地
关键词 西门子系统、屏蔽、接地
Key Words Siemens cable Shield Ground
IA&DT Service & Support Page 2-40目录
1骚扰源的传输路径 .................................................................................................................... 4
1.1 导线的传导干扰 ............................................................................................................. 4
1.1.1传输线-短线与长线 ...................................................................................................... 4
1.1.2共阻抗耦合 .................................................................................................................. 6
1.1.3传输线的反射 .............................................................................................................. 8
1.1.4共模干扰与差模干扰 .................................................................................................. 10
1.2 骚扰通过空间传输 ....................................................................................................... 13
1.2.1天线效应 .................................................................................................................... 13
1.2.2近场电场耦合 ............................................................................................................ 17
1.2.3近场磁场耦合 ............................................................................................................ 18
2 屏蔽 .................................................................................................................................... 20
2．1 电场屏蔽 ....................................................................................................................... 21
2．2 磁场屏蔽 ....................................................................................................................... 23
3电缆的屏蔽接地 ...................................................................................................................... 27
3．1 电场的屏蔽接地 ............................................................................................................ 27
3.1.1屏蔽层不接地 ............................................................................................................ 27
3.1.2屏蔽层单端接地 ......................................................................................................... 27
3．2 磁场的屏蔽接地 ............................................................................................................ 28
3.2.1屏蔽层单端接地或不接地 .......................................................................................... 28
3．3 电缆屏蔽接地总结 ......................................................................................................... 31
4 PROFIBUS的安装要求 .......................................................................................................... 34
4．1 PROFIBUS的布线 ........................................................................................................... 34
4．2 PROFIBUS的屏蔽接地 .................................................................................................... 36
5 PROFINET的安装要求 ....................................................................................................... 38
5．1 PROFINET的布线 ........................................................................................................... 38
5．2 PROFINET的屏蔽接地 .................................................................................................... 40
IA&DT Service & Support Page 3-401骚扰源的传输路径
产生干扰的三个要素：干扰源、耦合路径、潜在的易受干扰的器件。骚扰源可以通过空
间的辐射、电磁耦合传递到敏感设备，也可以通过导线的传输进入敏感设备。
1.1 导线的传导干扰
信号通过导线传输，通常在理想情况下只考虑导线的电阻，但实际的传输导线都存在分
布电容和电感，尤其在传送频率高的情况下，就要考虑分布参数的影响。分布电容与电感的
乘积等于常数，它们与导体间介质的相对磁导率μ和介电常数ε有关：
L C = με=常数,
特性阻抗为Z0 = L/C 是电缆的物理特征，与传输线的电压电流无关。导线的传导
干扰绝大部分也是是由导线的分布参数引起得的。图1-1列出几种传输线的布置，(a)为导
线对；(b)为轨线与板；(c)为平行板，假设导线间距相同，三者的分布参数比较为：La >
Lb >Lc；Ca < Cb < Cc；Za > Zb > Zc；
图1-1几种传输线的布置
1.1.1传输线-短线与长线
线路中的分布电感、分布电容、分布电阻影响信号及电源的传输，根据传输线的长度与
传输信号频率的关系，将传输线分为短线（有的资料为电短）和长线（有的资料为电长），
如图1-2所示，如果s QZ
目的地) < 0.5倍的沿上升时间t ,就是短线。例如导线或者机械尺寸比波长小都可以视为短
f
线，系统内部的连续通常也视为短线。短线的特性为：在一条短线上，除了电流流动带来的
电压降外，各点电势相等，适用于集总等效电路分析。如果s >l (有的参考资料为大于l/4)
就是长线，例如机械尺寸比波长大，适用于分布参数电路分析，基耳霍夫电压定律不再适
用，因为电路中的电压和电流除了是时间的函数外，还是空间坐标的函数。同样一段传输
线，由于传输信号频率不同，有可能是短线，也有可能是长线。计算波长的公式如下：
V
l＝
f
l：波长
IA&DT Service & Support Page 4-40V:速度
f:信号频率
图1-2短线与长线
理想情况下，一截传输导线只考虑线上的电阻，但在实际情况下还要考虑到线上的分布参
数，如图1-3所示的等效电路：
图1-3传输线的等效电路
线上总的阻抗为：
Z = R + j2pfL
R > 2pfL (f < 3kHZ)
IA&DT Service & Support Page 5-40R < 2pfL (f > 3kHZ)
短线电路只考虑负载的阻抗，长线电路传输线的特征阻抗主导电路的特性，参考下面的
试验如图1-4所示：
图 1-4长线短线试验示例
高频信号发生器给S等于2米远的电灯供电，使用一根裸线靠近灯泡处与电灯组成短
线回路，由于短线只考虑负载电阻，裸线电阻非常小，灯泡被短路而熄灭，如果将裸线向电
源处移动，当与灯泡连线距离超过短线（l/10）距离后，线路上的感抗渐渐起主导作用，负
载电阻被忽略，灯泡逐渐由暗变亮，如果裸线与电源距离逐渐接近，直至小于短线距离，线
路上负载电阻渐渐起主导作用，感抗被忽略，电源被短路，灯泡逐渐由亮变暗，直到熄灭。
一条短的电路不会影响整个线路，所以干扰抑制元件要就近安装在干扰源端或被保护设备端
（距离1.1.2共阻抗耦合
当设备或元件共用电源或地线时，会产生共阻抗耦合。
1）共电源阻抗耦合
两个或多个相互独立的电路使用相同的电源线会产生共电源阻抗耦合，如图 1-5所示：
IA&DT Service & Support Page 6-40图 1-5共电源阻抗耦合
假设电源的内阻及线上阻抗为Zs，回路电流为Is，电源电压为Es，那么电路1、2的电
压为：
U = Es – Is Zs
如果在电路1中频率升高，电源内阻与线阻Zs将增加（感抗起作用），这样电路1中的
高频噪声、脉冲噪声以及浪涌产生压降叠加在电源上送给电路2，同样电路2也会对电路1
产生干扰。这种情况下电路必须各自供电。
2）共地线耦合
多个回路共用一个地线会产生共地线耦合，如图 1-6所示：
图 1-6共阻抗耦合
接地线的功能是保持零电位，应该没有电流，电路1、2不会产生干扰，但是实际上接地
线也有阻抗，电阻很小可以忽略不计，主要是高频产生的感抗，图 1-6中Zc为接地阻抗，
IA&DT Service & Support Page 7-40如果电路1产生高频噪声引起接地阻抗Zc的升高，在接地导线产生压降而影响电路2。同