自動(dòng)化控制系統(tǒng)信號(hào)電纜屏蔽方案探討

摘 要：自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，大量使用半導(dǎo)體器件及大型COMOS集成電路，但這些電子設(shè)備浪涌電壓耐受能力弱，抗干擾能力差，信號(hào)線纜兩端連接有弱電設(shè)備，雷電電磁脈沖由信號(hào)線路侵入是造成設(shè)備運(yùn)行中斷甚至損壞的主要原因，屏蔽接地是防止雷電電磁脈沖危害設(shè)備的有效措施。為避免低頻干擾和消除噪音，一般做法是將屏蔽層單端接地。而針對(duì)防雷，屏蔽層兩端接地更為有效。本文通過對(duì)信號(hào)電纜屏蔽接地方法進(jìn)行了分析，提出合理的信號(hào)電纜屏蔽接地方案。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)化控制；信號(hào)線纜屏蔽；雷電電磁脈沖；兩端接地

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.151

1 雷電電磁脈沖干擾信號(hào)線纜引起的危害原因

（1）閃電靜電感應(yīng)。當(dāng)線纜處于雷云與大地之間所形成的電場(chǎng)中時(shí)，架空金屬信號(hào)線纜上就會(huì)感應(yīng)聚集與雷云下部電荷極性相反的大量電荷，雷云放電時(shí)，迅速中和了電荷，放電后云與大地之間的電場(chǎng)突然消失，而線纜上的電荷來不及流散，因而產(chǎn)生很高的對(duì)地電位，如線纜無良好的接地，會(huì)導(dǎo)致與之連接的電子設(shè)備因靜電感應(yīng)電壓而損壞。

（2）閃電電磁感應(yīng)。雷電流具有的幅值及陡度極大，在放電通道周圍空間里會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的變化電磁場(chǎng)，處于這一電磁場(chǎng)中的信號(hào)線上感應(yīng)出較大的電動(dòng)勢(shì)或在閉合回路的線路上產(chǎn)生感應(yīng)電流，造成設(shè)備損壞，如回路中有些地方接觸不良，就會(huì)使局部發(fā)熱或放電，有可能引發(fā)易燃易爆品的燃燒或爆炸等事故。

（3）閃電電涌侵入。雷電電磁脈沖在信號(hào)線纜上感應(yīng)出雷電電壓，由于線纜上存在分布電容和電感，雷電波在傳輸過程中速度減慢，且在通過不同參數(shù)的連接段或線路端點(diǎn)時(shí)，波阻抗發(fā)生變化，產(chǎn)生反射和折射，在波阻抗突變處電壓升高，它主要通過阻性耦合、感性耦合及容性耦合方式沿信號(hào)線侵入，使儀表控制設(shè)備失靈或損壞。

2 信號(hào)線纜屏蔽的作用及屏蔽層接地方式的比較

2.1 單端屏蔽接地

自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)控制設(shè)備安裝在中心控制室，儀表、傳感器等設(shè)備大多放置在室外，其間用屏蔽電纜進(jìn)行連接，系統(tǒng)中屏蔽電纜大多采用屏蔽層在控制室進(jìn)行接地的單端接地方式。

（1）如圖1，屏蔽層在控制室一側(cè)接地，控制室與室外設(shè)備地網(wǎng)各自獨(dú)立。

當(dāng)控制室有雷擊時(shí)，雷電電流流過控制室地網(wǎng)，在Ra產(chǎn)生高電位，使與該地網(wǎng)連接的設(shè)備外殼及信號(hào)線屏蔽層電位抬高，此時(shí)信號(hào)線尚處于零電位，它們之間出現(xiàn)暫態(tài)過電壓，這一高電位沿屏蔽層傳輸?shù)绞彝庠O(shè)備，由于信號(hào)線與屏蔽層的分布電容遠(yuǎn)大于儀表器件與接地構(gòu)件的雜散電容，故暫態(tài)高電壓主要通過耦合到信號(hào)線造成設(shè)備損壞。

當(dāng)室外設(shè)備有雷擊時(shí)，Rb上會(huì)產(chǎn)生高電位，與該地網(wǎng)相連的外殼等構(gòu)件電位升高，此處信號(hào)線屏蔽層未接地，過電壓會(huì)使信號(hào)線與外殼絕緣擊穿，損害室外設(shè)備，并且這一高電位通過信號(hào)線引入控制室，導(dǎo)致控制室設(shè)備損壞。

（2）屏蔽層在控制室一側(cè)接地，控制室地網(wǎng)與室外設(shè)備地網(wǎng)連為一體。

由于屏蔽層與芯線間的分布電容遠(yuǎn)大于芯線及兩端設(shè)備對(duì)地的雜散電容，因此屏蔽層上一高頻干擾對(duì)于芯線的電壓是遠(yuǎn)小于芯線對(duì)地電壓，此時(shí)過電壓主要是加在芯線及設(shè)備內(nèi)部器件與地之間。

當(dāng)有雷電流流過連接導(dǎo)體時(shí)，芯線及設(shè)備內(nèi)部器件與地之間的電位差Uab為：Uab=Uao-（-Ubo）= i×R+（L-M）di/dt= i×R+dΦ/dt

式中，R為連接導(dǎo)體的電阻；L為連接導(dǎo)體的自感；M為連接導(dǎo)體與電纜之間的互感；Φ為穿過環(huán)路的磁通。

由式可知，當(dāng)電纜緊貼地網(wǎng)連接導(dǎo)體布置時(shí)，Φ趨近于零，此時(shí)Uab≈i×R因此大大降低了Uab，即降低了芯線及設(shè)備內(nèi)部器件與地線間的電壓。

實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)電纜眾多，一般無法將所有電纜與地網(wǎng)連接導(dǎo)體緊貼一起，依然存在一定的感應(yīng)電壓，且雷電流陡度極大，故感應(yīng)電壓仍然較高。

綜上所述，信號(hào)單端屏蔽層接地能有效防止電場(chǎng)干擾，且信號(hào)傳輸不會(huì)因地線產(chǎn)生干擾而影響。采用聯(lián)合接地網(wǎng)方式雖能大大降低芯線與地網(wǎng)之間的瞬態(tài)過電壓，但仍然很高，同樣會(huì)造成設(shè)備損壞。

2.2 兩端屏蔽接地

（1）屏蔽層兩端接地時(shí)雷電電磁脈沖對(duì)信號(hào)線的影響。屏蔽層兩端接地時(shí)，外界電磁場(chǎng)對(duì)屏蔽層會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，其作用降低了感應(yīng)電壓，抵消了外界電磁場(chǎng)干擾，所以屏蔽層兩端接地能有效對(duì)信號(hào)線路進(jìn)行電磁屏蔽。（2）兩端接地方式的低頻干擾及處理措施。兩端接地時(shí)，屏蔽層與地之間形成回路，如有低頻干擾流過屏蔽層時(shí)，會(huì)對(duì)信號(hào)線產(chǎn)生低頻干擾，通常是在大地中有較大雜散電流的地方產(chǎn)生低頻干擾嚴(yán)重，在一些控制系統(tǒng)中，室外傳輸?shù)娇刂剖业氖悄M信號(hào)，抗干擾性差，僅1V左右的干擾電壓就可導(dǎo)致零點(diǎn)漂移和傳輸誤差。但是，在自動(dòng)化生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，室外設(shè)備遭受雷擊的概率要遠(yuǎn)大于低頻干擾，為避免低頻干擾，可以采取雙層屏蔽的方法，即對(duì)信號(hào)線路外層套金屬管兩端接地（或多處接地），而對(duì)內(nèi)層屏蔽線采取單端接地，這樣既保證了信號(hào)線對(duì)電磁脈沖干擾的防護(hù)能力，又避免信號(hào)線路受低頻信號(hào)干擾。

3 結(jié)論

通過對(duì)信號(hào)線纜單端及兩端屏蔽接地方式對(duì)雷電電磁脈沖和低頻干擾的防護(hù)能力進(jìn)行分析比較得出如下結(jié)論：

（1）屏蔽層兩端接地能有效地對(duì)信號(hào)線進(jìn)行電磁屏蔽，能抑制雷電電磁脈沖對(duì)設(shè)備的危害，但如設(shè)備周圍大地中有較大雜散電流時(shí)，屏蔽層上產(chǎn)生的低頻干擾容易通過屏蔽層對(duì)芯線的信號(hào)傳輸引起干擾，影響自動(dòng)控制系統(tǒng)的正常工作，此環(huán)境中應(yīng)對(duì)屏蔽信號(hào)線纜采取穿金屬管或其它方式進(jìn)行雙層屏蔽措施，即外層屏蔽采用兩端接地，內(nèi)層屏蔽層采取單端接地，單端接地點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在控制室。（2）電纜直埋時(shí)，電纜應(yīng)貼近地網(wǎng)連接導(dǎo)體敷設(shè)。（3）在屏蔽信號(hào)線兩端還應(yīng)安裝與信號(hào)參數(shù)相適宜的浪涌保護(hù)器，對(duì)暫態(tài)過電壓進(jìn)行限壓、分流。

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作者簡(jiǎn)介：吳曉林（1969-），男，湖北武漢人，本科，工程師，主要從事防雷工作。endprint