控制系統(tǒng)電纜的屏蔽

陳靖元，王瑞東，馬玉亮，徐義亨

（浙江中控技術(shù)股份有限公司，杭州310053）

除了干擾源和感受體之間導(dǎo)線的直接連接外，電磁干擾通過(guò)電纜的耦合途徑有：靜電耦合（亦稱電容性耦合或電場(chǎng)耦合）；電磁耦合（亦稱電感性耦合或磁場(chǎng)耦合）；輻射耦合（亦稱電磁場(chǎng)輻射或遠(yuǎn)場(chǎng)耦合）。為抑制這三種耦合，對(duì)應(yīng)于電纜的屏蔽有靜電屏蔽；電磁屏蔽；輻射屏蔽。

在自控工程中，關(guān)于控制電纜的屏蔽，人們往往習(xí)慣作如下的選擇：

a）用屏蔽雙絞線作直流信號(hào)電纜。屏蔽層一端接地（一般在控制室端）以抑制靜電耦合和輻射耦合；用雙絞線抑制電磁耦合。

b）使用無(wú)屏蔽層、平行芯線的普通控制電纜作低壓交流電源線。

筆者近十年來(lái)對(duì)控制系統(tǒng)電纜的屏蔽，特別是對(duì)雷擊電磁脈沖的防護(hù)作了大量的調(diào)查研究，重點(diǎn)提出抑制電磁干擾的電纜屏蔽方法。

1 電纜屏蔽層的接地

眾所周知，如電纜的屏蔽層不接地，它只能抑制遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射耦合。如將電纜的屏蔽層一端接地，既可以抑制近場(chǎng)的靜電耦合，也可以抑制遠(yuǎn)場(chǎng)的輻射耦合。如將電纜的屏蔽層兩端接地（或每隔一定距離設(shè)一個(gè)接地點(diǎn)），那么，在抑制近場(chǎng)的電磁耦合的同時(shí)，也可以抑制遠(yuǎn)場(chǎng)輻射耦合。這些抑制的機(jī)理可參閱文獻(xiàn)［1—2］。為了更好地抑制工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾，電纜最好設(shè)兩個(gè)屏蔽層，內(nèi)屏蔽層一端接地，外屏蔽層兩端接地，兩屏蔽層間加以絕緣，這樣可以起到抑制上述三種電磁干擾的耦合作用。

為了實(shí)現(xiàn)電纜的雙層屏蔽，如選用總屏加分屏的電纜，則會(huì)增加投資費(fèi)用，一般可以利用已有的金屬介質(zhì)作外屏蔽層，如：鎧裝電纜的金屬保護(hù)層；金屬走線槽；金屬保護(hù)管。將這些金屬介質(zhì)作外屏蔽層時(shí)，一要保證外屏蔽層的電氣連續(xù)性；二要將屏蔽層的兩端或每隔不大于30m的距離設(shè)一個(gè)接地點(diǎn)，最好將外屏蔽層直接埋地敷設(shè)。

2 電纜內(nèi)屏蔽層材質(zhì)的選擇

目前，常用電纜的內(nèi)屏蔽層有銅網(wǎng)編織帶、銅帶迭卷和鋁－聚酯復(fù)合膜三種。不同的屏蔽材質(zhì)其屏蔽效果和特點(diǎn)見(jiàn)表1所列。

表1 不同屏蔽結(jié)構(gòu)的性能

由表1可知，鋁－聚酯復(fù)合膜的屏蔽效果最好，但是該屏蔽材料的接地較麻煩，且使用時(shí)間長(zhǎng)了，鋁薄會(huì)剝落。

將電纜的內(nèi)屏蔽層在機(jī)柜內(nèi)接地時(shí)，如果電纜是從機(jī)柜的底部進(jìn)入，接地匯流排又設(shè)在機(jī)柜下部的話，則該信號(hào)線有一段是沒(méi)有屏蔽層的。此時(shí)，如果柜內(nèi)有視頻線和交流電源線且和信號(hào)線又緊挨時(shí)，會(huì)對(duì)信號(hào)線產(chǎn)生靜電耦合，在文獻(xiàn)［3］中稱“豬尾巴效應(yīng)”。因此，在柜內(nèi)布線時(shí)，要最大限度地減小中心導(dǎo)線延伸到屏蔽層之外部分的長(zhǎng)度。

3 雙絞線絞距的選擇

無(wú)論是作為噪聲導(dǎo)體，或者是作為受干擾的導(dǎo)體，雙絞線是抑制近場(chǎng)電磁耦合的一種手段，其抑制機(jī)理可參閱文獻(xiàn)［1］。在使用雙絞線時(shí)，國(guó)內(nèi)大多的工程設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)絞距（或每單位長(zhǎng)度的絞合數(shù)）的選擇沒(méi)有作出明確的規(guī)定。雙絞線的電磁屏蔽效果隨絞距的減小而提高，見(jiàn)表2所列（此表引自日本橫河的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）。表中的噪聲衰減度指兩芯線平行時(shí)的磁場(chǎng)干擾值和采用雙絞線后的磁場(chǎng)干擾值之比。由此可見(jiàn)，雙絞線的絞距宜小。但是，絞距愈小（即每單位長(zhǎng)度的絞合數(shù)愈大），耗資也愈大，一般選絞距為50mm左右即可。

表2 幾種不同絞距雙絞線與兩根平行導(dǎo)線的效果比較

4 電纜穿金屬管的埋地敷設(shè)

筆者在大量的工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)生雷擊電磁脈沖時(shí)，除了有靜電耦合和輻射耦合外，還有更強(qiáng)的電磁耦合，此時(shí)僅依靠雙絞線來(lái)屏蔽電磁耦合，效果不甚理想。

筆者調(diào)查過(guò)這樣的一個(gè)雷擊案例，如圖1所示。該企業(yè)的兩個(gè)工藝裝置共用一個(gè)控制室，兩個(gè)裝置采用同樣機(jī)型的DCS，也采用同樣型號(hào)的屏蔽雙絞線。結(jié)果在同一次雷擊下，硫酸裝置的DCS安然無(wú)恙，而離子膜裝置的DCS的卡件損壞了許多。究其原因是因?yàn)榱蛩嵫b置的電纜全部是穿金屬管埋地進(jìn)控制室的；而離子膜裝置的電纜全部是用玻璃鋼橋架架空敷設(shè)的，玻璃鋼橋架沒(méi)有電磁屏蔽作用。

圖1 雷擊案例示意

在新頒布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中，特別強(qiáng)調(diào)電纜用穿金屬管埋地敷設(shè)來(lái)抑制雷擊電磁脈沖的侵害。可見(jiàn)，電纜穿金屬管埋地敷設(shè)是一種極好的抑制強(qiáng)磁場(chǎng)耦合的手段［1，4］。

5 單屏蔽層的電纜

對(duì)于舊裝置，當(dāng)所用的電纜只有一個(gè)屏蔽層時(shí)，該屏蔽層采取一端接地、兩端或多端接地？筆者認(rèn)為應(yīng)該視工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境而定，不要強(qiáng)求統(tǒng)一。如果周圍是以電場(chǎng)干擾為主，應(yīng)該將屏蔽層一端接地；如果是以磁場(chǎng)干擾為主，應(yīng)該將屏蔽層兩端或多端接地。特別是為了防雷，一定要將屏蔽層兩端或多端接地，以保證重要設(shè)備安全。

曾經(jīng)有個(gè)計(jì)算機(jī)站，原先的電纜屏蔽層均兩端接地，使用很好。后來(lái)根據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，將屏蔽層改成一端接地，結(jié)果經(jīng)常發(fā)生死機(jī)現(xiàn)象。無(wú)奈之下，再改回去，一切又恢復(fù)正常。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)算機(jī)死機(jī)，其主要原因是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)的I／O接口對(duì)外部的電磁干擾很敏感，干擾信號(hào)一旦破壞了某一接口的狀態(tài)字后，就會(huì)導(dǎo)致CPU誤認(rèn)為該接口有I／O請(qǐng)求而停止現(xiàn)行工作，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行相應(yīng)的I／O執(zhí)行程序。但由于該接口本身并沒(méi)有I／O數(shù)據(jù)，從而使CPU資源被該服務(wù)程序長(zhǎng)期占用而不釋放，導(dǎo)致其他任務(wù)程序無(wú)法執(zhí)行，使整個(gè)系統(tǒng)“死鎖”［5］。還有美國(guó)一家煉油廠，電纜的屏蔽層原先均為一端接地，后遭受了一次嚴(yán)重的雷擊，損壞了100多臺(tái)變送器。經(jīng)過(guò)研究分析后，將電纜的屏蔽層改為兩端接地，再也沒(méi)有發(fā)生過(guò)類似的雷害事故。

6 主動(dòng)屏蔽和被動(dòng)屏蔽

將諸如信號(hào)電纜（如4～20mA，1～5V等直流信號(hào)）等受感應(yīng)導(dǎo)體進(jìn)行屏蔽，稱為被動(dòng)屏蔽。將噪聲導(dǎo)體（如電力電纜、視頻線、通信線等）進(jìn)行屏蔽，不讓電力線或磁力線逸出屏蔽層，這種屏蔽稱主動(dòng)屏蔽。無(wú)疑，主動(dòng)屏蔽比被動(dòng)屏蔽更重要。

在過(guò)去的工程設(shè)計(jì)中，往往注意被動(dòng)屏蔽而忽視主動(dòng)屏蔽，這種觀念應(yīng)予糾正。因此，作為噪聲導(dǎo)體的交流低壓電源線的選用，應(yīng)該同于信號(hào)電纜，不要使用不帶任何屏蔽作用的控制電纜。

［1］ 徐義亨.工業(yè)控制工程中的抗干擾技術(shù)［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

［2］ 諸邦田.電子電路實(shí)用抗干擾技術(shù)［M］.北京：人民郵電出版社，1994.

［3］ HENRY W O.電子系統(tǒng)中噪聲的抑制與衰減技術(shù)［M］.王培清，李迪，譯.2版.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［4］ 高攸綱.屏蔽與接地［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2004.

［5］ 何為，楊凡，姚德貴.電磁兼容原理和應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

［6］ 徐義亨.工程中電磁干擾的分類和其抑制途徑 ［J］.石油化工自動(dòng)化，2007，43（06）：1－4.

［7］ 徐義亨，劉華美，陳菁菁.分散型控制系統(tǒng)的防雷［J］.石油化工自動(dòng)化，2003，39（4）：1－2.

［8］ 徐義亨，劉華美，熊菊秀.從DCS遭雷擊的案例分析到防患于未然［J］.電氣時(shí)代，2005（06）：88－92.

［9］ 何宏，張寶峰，張大健，等.電磁兼容與電磁干擾［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2007.

［10］ （英）GOLDE R H.雷電［M］.周詩(shī)健，孫景群，譯.北京：電力工業(yè)出版社，1982.