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工程电磁场课程报告

空间电磁场对屏蔽电缆电磁干扰机理的研究

引言

工程电磁场，是面向工程的电磁场内容体系，内容主要是库仑定律、电荷守

恒定律、安培定律、法拉第定律和麦克斯韦位移电流假设、静电场、恒定电场、

恒定磁场和时变电磁场的基本方程及其边值问题、镜像法的基本原理、基于加权

余量的工程中常用的有限元法和边界元法、电磁场的能量和力、平面电磁波和电

路参数计算原理、电气工程中典型的电磁场问题（包括变压器的磁场、电机的磁

场、绝缘子的电场、三相输电线路的工频电磁环境以及三相输电线路的电容和电

感参数）。

场产生电场，两者互为因果，形成电磁场。电磁场可由变速运动的带电粒子

引起，也可由强弱变化的电流引起，不论原因如何，电磁场总是以光速向四周传

播，形成电磁波。电磁场是电磁作用的媒递物，具有能量和动量，是物质存在的

一种形式。电磁场的性质、特征及其运动变化规律由麦克斯韦方程组确定。

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。随着数字设备和集成电路的广泛应用，电子系统对雷电

或开关操作等原因所引起的瞬态电磁场特别敏感，空间瞬态电磁场通过电缆的电

磁耦合作用在电缆芯线上产生的电磁干扰一直受到人们的广泛关注。所以研究电

磁场对屏蔽电缆的影响就具有一定的意义。

电缆对估算外界空间电磁场干扰源与系统之间的相互作用起十分重要的因

素。变电站二次电缆这类长距离电缆会成为外界电磁能的巨大收集器。这些电磁

能传送到与电缆接口的终端设备中，就会在设备的小信号电路中产生不容许的干

扰影响或造成元件损坏。对屏蔽不够好的系统来说，这些长电缆通常会成为引进

干扰的主要途径。

为了减小空间电磁场对这些连接电缆导体的直接耦合，电缆通常都带有屏蔽

层。于是绝大部分的直接耦合电流只流过屏蔽层，而不流过在屏蔽体里面用于传

输信号用的芯线。但是，虽然采用了屏蔽电缆，在芯线上还是有可能感应出不容

忽视的较大的电压或电流响应。此外，用来连接设备部件或子系统的软电缆的屏

蔽作用通常都随频率的增高而变差。所以，尽管在屏蔽电缆芯线上的感应电流比

电缆屏蔽层上的感应电流小，我们仍有必要对它加以计算。

屏蔽电缆系统电磁耦合问题的分析方法总的说来有两类，即场的方法和等效

路的方法。前者从麦克斯韦方程出发直接求解电缆系统内外场的边值问题，这类

方法虽然在理论上是严格的，但对复杂的屏蔽多导体电缆系统，应用上存在不少

困难，如矩量法；后者通过所分析的电缆系统建立起一组等效的传输线方程，在

一定的近似条件下，将电缆内外电场和磁场的耦合简化成电缆内外电流、电压通

过屏蔽电缆的转移阻抗和转移导纳的耦合关系，从而求解电缆外部空间电磁场激

励时引起的内部响应，这类方法比较简单实用，如传输线模型的方法。但是传输

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线模型有以下的局限性：

1、传输线模型只能计算差模电流，不能考虑共模电流。这样就忽略了电缆

的辐射，造成了一定的误差。

2、频率上升时，传输线模型的准确度下降。

3、在考虑大地的损耗或空间入射电磁场的入射角度很小的情况下，传输线

模型有一定的误差。

4、传输线模型不能考虑电缆两端的垂直接地线对水平电缆的影响。

但是如果电缆和大地组成系统满足以下两个条件，一是大地为完纯导体，电

缆和它在大地中的镜象导体成完全对称状态，此时共模电流非常小，只需考虑差

模电流，二是在我们感兴趣的频率范围内，传输线的横向尺寸为电小尺寸，即与

波长相比很小，即可运用传输线理论进行分析。

国内外研究现状

国外早在六十年代就开展了关于空间电磁场与屏蔽电缆之间耦合问题的合

研究。其中研究较详细的代表人物有E.F.Vance，运用传输线模型来研究空间电

磁场与架空输电线路之间的耦合并给出了架空输电线路端部响应的具体求解公

式。M.V.Ianoz研究了空间电磁场与架空输电线路之间的耦合问题，并给出了在

空间电磁场激励下计算架空线响应的格林函数，由此函数可以很方便的计算架空

输电线路上任意点处的响应。J.Belifuss研究了运用模式传播理论来求解空间电

磁场激励下的多导体传输线响应，建立了传输线响应的最大值与传播模式之间的

关系。

国外研究电缆较多的时期是在上个世纪七十到八十年代，但是基本理论都是

基于Vance的