CN105575543A - 一种抗磁感应耦合信号电缆 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗磁感应耦合的信号电缆，由内到外依次为芯线、绝缘层、导电层、绝缘层、磁导率屏蔽材料和外护套。本发明电缆除了具备其他信号电缆的抗电磁屏蔽性能外，还具有低频抗磁感应耦合的性能，满足宽频下抗磁感应耦合的使用，能有效的防止外界电磁场对信号电缆的干扰。该电缆结构简单，制作容易，性能优良，可以满足在复杂电磁场环境中的使用要求，运用范围极宽。

Description

一种抗磁感应耦合信号电缆

技术领域

本发明属于通信电缆领域，尤其是涉及在强、弱电复杂电磁环境下使用的一种抗磁感应耦合信号电缆。

背景技术

随着经济的快速发展，越来越多的电气化设备被运用在经济建设中。设备的使用过程中离不开各种电缆之间的相互配合，然而设备的紧密化对电缆的排布提出了很大的要求，各种电缆紧密布线甚至表现为电缆束的形式，不同的电缆工作时容易在小空间内产生一个复杂的电磁环境，造成一些平行布线电缆之间相互干扰。

由于不同的电缆之间传输能量不同，电力电缆中在工作中主要传输大能量的电能，而信号电缆工作时主要传输的低能量的弱电信号。当电力电缆和信号电缆平行布线时，容易形成一个强电信号对弱电信号的干扰。强电信号对弱电信号造成的电磁干扰包括电场干扰、高频磁场以及低频磁场的干扰，而一般的信号电缆在电场干扰以及高频磁场的屏蔽表现的十分优异，却对低频磁场的屏蔽效果甚微。由麦克斯韦理论可以知道强电信号产生的低频磁场易在信号电缆上发生磁耦合干扰，在信号电缆上感生出一定强度的感生电动势，感生电动势容易造成一些弱电信号在信号电缆的传输过程中发生误码或失真，影响系统的正常运行，甚至发生严重事故。因此，开发一种抗磁感应耦合的信号电缆可以大大保护好弱电信号在强电信号产生的磁耦合环境下的传输。

发明内容

为了解决背景技术中存在的低磁屏蔽问题，本发明提出了一种采用特殊金属屏蔽层结构以及使用方法的抗磁感应耦合的信号电缆，主要运用在磁场干扰严重的复杂电磁环境的情况下。

在信号电缆工作时，周围的电力电缆会对其产生电磁干扰。电力电缆中的交变电流容易在空间中产生强磁场对信号电缆造成磁耦合干扰。而由法拉第电磁感应定律其中为磁通量，可以知道减小磁耦合干扰可以通过减小磁通量的途径而实现。而由其中S为回路面积，B为磁通密度。因此可以通过减少S和B减小磁耦合干扰。

一种抗磁感应耦合信号电缆，其特征在于：由内到外依次为芯线、绝缘层、导电层、绝缘层、磁屏蔽层，外护套。一种抗磁感应耦合信号电缆，其特征在于，磁屏蔽层材料为相对磁导率μ_r为200-200000的软磁合金。本发明信号电缆对外界磁场耦合干扰具有屏蔽效果，外界磁场对信号电缆耦合干扰电动势值通过下式得出：

在未使用磁屏蔽层时外界磁场对信号电缆耦合干扰电动势大小为：

$V_1=-\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}d{\∫}_s{H}_1\left(t\right)\·ds}{dt}$

μ₀表示真空磁导率，H₁为未使用磁屏蔽层时的外界磁场强度，S表示信号回路面积。

在使用磁屏蔽层后外界磁场对信号电缆的耦合干扰电动势大小则为：

$V_2=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0\frac{2D}{2D+{\mathrm{\μ}}_{r}h}\·d{\∫}_s{H}_1\left(t\right)\·ds}{dt}$

μ_r表示磁屏蔽层相对磁导率，h表示磁屏蔽层的厚度，D表示磁屏蔽层所包覆的半径。

通过减小磁屏蔽层所包覆的半径D；增大磁屏蔽层材料的μ_r和厚度h，可以获得好的屏蔽效果。

进一步，磁屏蔽层材料的厚度可以通过上述V₂表达式反推得出，根据常用工作下磁场干扰环境以及限定最小耦合干扰电动势V₂采用磁屏蔽层厚度为5～100μm的连续薄膜带，或纤维直径为5～100μm的纤维金属编织网。

进一步说，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。

进一步说，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。

本发明中，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。

本发明通过采用以上技术方案，达到以下有益效果。

1.可以有效地对电磁干扰起到屏蔽效果，保证弱电信号传输。

2.运用范围广，可以在复杂电路环境下使用。

3.结构简单，生产方便。

附图说明

下面结合附图对发明做进一步说明。

图1为本发明抗磁感应耦合信号电缆的磁屏蔽结构图。

图2为本发明抗磁感应耦合信号电缆的芯线、高电导率材料和负载串联示意图。

图3为本发明抗磁感应耦合信号电缆的信号回路屏蔽示意图。

图4为本发明高磁导率材料分流磁通示意图。

以上图中为：1、导体芯线，2和4、绝缘层，3、导电层，5、磁屏蔽层，6、外护套，7、磁通，8，负载，斜线表示信号回路面积，阴影表示信号回路受到的磁场干扰，D、磁屏蔽层所包覆的半径，h、磁屏蔽层的厚度。

具体实施形式

在图1所示的抗磁感应耦合信号电缆的磁屏蔽结构图中，1为导体芯线，保证信号的传输；金属屏蔽层包括3和5，分别为高导电率材料屏蔽层和高磁导率屏蔽层。2为芯线1与屏蔽层3之间的绝缘层；4为屏蔽层3和5之间的绝缘层。

图2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1和高导电率材料屏蔽层3和负载8构成了信号回路。

图3为本发明抗磁感应耦合信号电缆的信号回路屏蔽示意图。(1)为未屏蔽信号电缆芯线信号回路受到的磁场干扰；(2)为使用导电层与芯线构成信号回路时，由于大大的减小了回路面积，则此时回路中的感应干扰电压变小，但是在较长回路中仍然存在很大的感应干扰；(3)为在本发明电缆的屏蔽效果图，由于磁屏蔽层的分流磁通作用，对(2)中仍然存在的磁场进行屏蔽，形成理想的抗磁感应耦合效果。

图4为磁屏蔽层分流磁通示意图。当信号电缆实际工作中，如未使用磁屏蔽层5，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4中所示的磁屏蔽原理则为具有磁屏蔽层5可以对外界磁场产生磁旁路作用，磁通7将集中在磁屏蔽层5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。

本发明抗磁感应耦合信号电缆的使用方法为：使用时导电层3需要与导体1串联构成一个信号回路，而磁屏蔽层5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。

实例说明

分别使用常规信号电缆、采用了本发明抗磁感应耦合结构的信号线形成回路，回路对应编号回路1、回路2。回路中的电缆长都为0.5m，其中接地面高度为2.4cm，回路2的芯线与高电导率材料的距离为3mm，高磁导率材料的包覆半径为4.5mm。回路2中高磁导率材料为非晶Fe-Si-Al材料，相对磁导率为2*10⁴，高电导率材料为铜编织层，其电导率为58MS/m。回路附近存在干扰电力线，频率为50Hz。调节不同的干扰电力线的电流值，大小为0-10A，测量信号回路中的感生电动势，测试结果如表1所示。

表1

可以得出抗磁感应耦合结构具有很好的抗磁感应性能，因此可以运用于具体的信号电缆的实际磁感应耦合情况中。

本发明电缆所采用的屏蔽方式和结构简单，利于加工制作。同时在保证一般信号电缆的抗电磁干扰的性能下还特别具备低频磁场的抗磁感应耦合性能，可以满足复杂电磁环境下的信号传输要求。

本发明的保护并不局限于以上所述，上述仅为本发明的较佳实施方案，凡根据本发明的技术方案及发明构思进行修改或等效替换，都在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种抗磁感应耦合信号电缆，其特征在于：由内到外依次为芯线、绝缘层、导电层、绝缘层、磁屏蔽层、外护套。

2.根据权利要求1所述的一种抗磁感应耦合信号电缆，其特征在于：磁屏蔽层材料为相对磁导率μ_r为200-200000的软磁合金；

信号电缆耦合干扰值通过下式得出：

在未使用磁屏蔽层时外界磁场对信号电缆的耦合干扰电动势为：

$V_1=-\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}d{\∫}_s{H}_1\left(t\right)\·ds}{dt}$

μ₀表示真空磁导率，H₁为未使用磁屏蔽层时的外界磁场强度，S表示回路信号面积；

在使用磁屏蔽层时外界磁场对信号电缆的耦合干扰电动势则为：

$V_2=-\frac{{\mathrm{\μ}}_0\frac{2D}{2D+{\mathrm{\μ}}_{r}h}\·d{\∫}_s{H}_1\left(t\right)\·ds}{dt}$

μ_r表示磁屏蔽层相对磁导率，h表示磁屏蔽层的厚度，D表示磁屏蔽层所包覆的半径；

磁屏蔽层材料的厚度通过以上V₂表达式反推得出。

3.根据权利要求1所述的一种抗磁感应耦合信号电缆，其特征在于：采用磁屏蔽层厚度为5～100μm的连续薄膜带，或纤维直径为5～100μm的纤维金属编织网。