關于儀表電纜屏蔽層接地的分析

祝 晉，龐家棟

（萬寶礦產有限公司，北京 100053）

0 引言

在自控專業工程設計工作中，儀表系統的電纜接地是必須要考慮的內容。在本公司的設計過程中，儀表系統采用的電纜通常為控制電纜和計算機電纜兩種類型，其中控制電纜為單層屏蔽結構，而計算機電纜為總屏加分屏結構。在進行屏蔽層接地設計的時候，由于標準描述不清或者標準沒有提及，導致在設計中遇到困難并且無法確定設計依據。本文針對現有的儀表標準和電氣標準，結合在實際設計中遇到的問題，對儀表電纜的屏蔽層接地進行分析和解讀，并提出接地方案。

1 噪聲和干擾

噪聲，是指除了信號發生源以外的內容，疊加在信號之上，對信號本身產生影響。噪聲由噪聲源、傳播途徑和感受體組成，如圖1 所示。通過圖1 可以發現，想要抑制噪聲所產生的干擾可以分別從以下3 個方面入手：①抑制噪聲源，減少噪聲的發生；②減小傳播路徑上的噪聲干擾量，減少干擾程度；③提高感受體的抗干擾能力，屏蔽干擾[1]。

電纜作為信號傳輸的媒介，需要有效地減少噪聲耦合對信號帶來的影響。噪聲耦合的途徑大致有以下5 種：①導線直接傳導耦合；②經公共阻抗的耦合；③電容性耦合；④電感性耦合；⑤電磁場耦合。

圖1 噪聲傳播路徑Fig.1 Noise propagation path

導線直接傳導耦合是指噪聲通過信號線將信號源內的噪聲傳導給接收端，也就是導線直接傳導耦合，其實就是信號自身攜帶的噪聲。抑制此類噪聲的方法基本就是減少信號源的噪聲，或者在接收端通過增加濾波的方式減少噪聲。

經公共阻抗的耦合是指兩個回路共用一個公共阻抗的情況下，一個回路的噪聲干擾通過公共連接點傳入另一個回路導致干擾的發生，如圖2 所示。

回路1 的信號異常會引起公共阻抗頂端電位變化，從而影響到回路2 的信號，為信號2 帶來干擾。抑制此類干擾的基本方法是減小公共阻抗的阻值。

電容性耦合又稱靜電耦合或靜電感應，它主要由電路間的電場相互作用而產生的。產生這種耦合的主要原因是電路間存在著分布電容。

電感性耦合又稱為電磁耦合或電磁感應，它是由電路間磁場的相互作用而產生的。產生這種耦合的主要原因是電路間存在互感[2]。

以上4 種干擾稱為傳導性耦合。電磁場輻射，又稱為輻射耦合，輻射干擾通常是指干擾源通過空間傳輸把干擾疊加到另一個網絡，干擾源主要是各類天線等或者能夠發射出電磁波的設備，發射的電磁波影響到了其他電子設備的正常工作。電磁干擾源包括微處理器、微控制器、傳送器、靜電放電和瞬時功率執行元件，如機電式繼電器、開關電源、雷電等。在微控制器系統中，時鐘電路是最大的寬帶噪聲發生器。為了抑制電磁輻射，就要引入電磁兼容性（Electro Magnetic Compatibility，EMC）的概念，電磁兼容性是指設備或系統在其電磁環境中，符合要求運行并不對其環境中的任何設備產生無法忍受的電磁騷擾的能力。抑制電磁波干擾的主要方法就是屏蔽：1）用金屬屏蔽體把電磁場包起來，防止電磁輻射向外擴散；2）對受干擾對象增加屏蔽體，保護對象不受電輻射的影響。屏蔽體對輻射電磁波衰減作用機理如圖3 所示。屏蔽效果取決于：①電磁波頻率；②屏蔽體的幾何形狀；③材料性質。

2 儀表系統接地設計規范

圖2 噪聲經公共阻抗的耦合Fig.2 Coupling of noise via common impedance

圖3 屏蔽體對輻射電磁波衰減Fig.3 Attenuation of shielding body to radiated electromagnetic waves

在HG/T20513-2014《儀表系統接地設計規范》中，將儀表系統接地分為保護接地、工作接地和本安接地3 種類型，其中保護接地是指儀表的金屬外殼及自控設備正常不帶電的金屬部分，由于各種原因而可能帶危險電壓而采取的保護措施。儀表常用的信號電壓為24V，根據標準可不做保護接地。本安接地是指本質安全儀表在安全功能上需要接地的部分，根據儀表廠商要求做本安接地。工作接地指信號回路接地和屏蔽接地。可見本文討論的控制電纜的屏蔽層接地，按照分類，屬于工作接地。參照標準5.1.2，現場儀表工作接地一般應在控制室側接地[3]。如圖4 所示。

從圖4 中可以看出標準要求的接地方式為單點接地，屏蔽層和信號接地都應在控制室側完成。同時參照標準5.1.2的條文說明，每一個儀表信號回路應只有一個接地點。在SH/T3081-2003《石油化工儀表接地設計規范》中，第3.2.4條也要求了信號屏蔽電纜的屏蔽層接地應為單點接地[3]。

從標準上來理解，就是儀表電纜的屏蔽層接地，只允許在控制室側進行單點接地，在以往的設計中，通常都是按照這個理解去進行設計的。但是經過仔細思考就會發現，如果是控制電纜的話，電纜屏蔽層只有一層，可以直接按照標準在控制室側完成單點接地。但是，如果采用的是計算機電纜的話，計算機電纜的屏蔽是總屏加分屏的兩層屏蔽結構。如果兩層屏蔽層都按照標準要求進行控制室側的單點接地的話，那雙層屏蔽層有什么意義，和只要總屏蔽或者只要分屏蔽又有什么區別。

圖4 信號回路在集中安裝儀表側接地時的工作接地方法Fig.4 Working grounding method when the signal loop is groundedon the instrument side of the centralized installation

3 屏蔽層作用的分析

為了解決總屏分屏電纜的接地問題，首先要分析屏蔽層接地的目的。屏蔽的作用是隔離外界的各種因素對電纜中信號的干擾[4]，電纜屏蔽層接地有兩種方式：一點接地或兩點接地。單點接地的目的是克服電場耦合干擾，造成電場耦合干擾的原因是兩根導線之間的分布電容產生的耦合[5]，如圖5 所示。

兩根平行導線之間產生了耦合電容CS，同時在導體上產生了感應電壓Un見式（1）。其中，Un為感應電壓；US為噪聲電壓；Z 為CL和RL的并聯阻抗；ω 為干擾源的角頻率[6]。

在進行了屏蔽層防護后，屏蔽層就取代了被保護的電纜，既只在屏蔽層上產生感應電壓Un。將屏蔽層進行接地以后，因為屏蔽層上的電壓為零，所以受感導體上的噪聲電壓也為零，這樣就可以起到抑制電場耦合的作用[7]。

兩點接地的目的是為了防止電纜信號因為受到電磁干擾造成誤動作[8]。當外界因為雷擊或動力電纜發生電流變化時，會在信號電纜周圍產生一個變化的磁場，信號電纜在磁場中就會感應出電動勢Un見式（2）。其中，Un為感應電壓；ω 為干擾源的角頻率；M 為互感磁場強度；I 為噪聲源電流[9]。

圖5 電容性耦合的產生Fig.5 Generation of capacitive coupling

表1 屏蔽層的接地方式Table 1 Grounding method of shielding layer

因為噪聲源回路的電流I 變化是不可控的，有效的方法是減小互感M。在進行屏蔽層防護后，由于屏蔽電纜的屏蔽層兩端接地，使電磁感應在屏蔽層上產生一個反向的感應電流，這個感應電流又會產生一個與干擾相反的二次場，起到抵消主干擾磁場的作用，這種方式可以有效降低磁場耦合的感應電壓[10]。但是當屏蔽層兩端接地時候，由于兩點電位不同，可能會使屏蔽層內有電流流過，產生干擾電壓[11]。

從以上兩種接地方法的分析中可以得出，屏蔽層單點接地的目的是為了防止同一根電纜中的多芯信號電纜之間的相互干擾，而兩端接地的目的是為了防止外界的電磁干擾。采用計算機電纜的總屏加分屏接地，最合理的接地方式應為外層屏蔽采用兩端接地，可以減少外部產生的干擾，但是外屏蔽層可能產生電流，然后內屏蔽層采用單點接地，用來減少內部不同線芯之間的干擾，和外屏蔽層產生電流后造成的干擾[12]。這樣做既能做到防護外在的電磁干擾，又能有效防護內部的相互干擾，即為最優方案[13]。

這一觀點也經過了業內專家的認可，既在最新發布的SH/T3081-2019《石油化工儀表接地設計規范》[14]中已經對電纜屏蔽接地的方式進行了修改，見表1。明確規定了分屏總屏的內外兩層屏蔽層的接地方式以及保護管鎧裝層的接地方式，從標準上肯定了本文的分析結論。

4 在工程中的應用

在工程設計中，一般只有模擬量信號的總電纜采用計算機電纜，既總屏加分屏的形式，如果選擇采用SH 標準進行設計，那么只需要按照最新的石化標準對內外屏蔽層進行接地即可。但是，如果采用的是HG 標準進行設計，在保證計算機電纜內屏蔽單點接地，外屏蔽兩點接地的同時，對于只有總屏蔽的控制電纜，如果只進行兩點屏蔽的話，會產生一個感應電流，對電纜信號產生影響；如果在進行單點接地的同時，對走線的金屬橋架或者金屬穿管進行兩點接地，這樣外面的金屬橋架或金屬穿管就起到了防護電磁干擾的作用，而電纜的外屏蔽單點接地，防護了在金屬橋架或金屬穿管上所產生的電流帶來的干擾，同時也符合了標準中對于屏蔽層單點接地的要求。

5 結論

電纜屏蔽層要根據實際情況及生產需要正確地選擇接地方式，才能有效抑制干擾，保證信號準確無誤。在設計工作中經常會碰到一些標準上講的比較籠統或模糊不清的情況，這樣就需要設計人員多思考，采用刨根問底的方式，從原理和依據上下功夫，揣摩標準編制的依據，以便更好地理解標準和更加可靠地完成設計工作。