電纜的屏蔽與接地

電纜的屏蔽與接地

李祥永1/ 李倩2(1. 中國(guó)五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100053； 2. 中國(guó)航天科工三院，北京 100074)

摘要電力電纜的電磁干擾問題將成為現(xiàn)代工業(yè)中的一個(gè)主要問題。通過對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)屏蔽原理的分析，探討了幾種有效抑制電磁干擾的電纜屏蔽層接地方法。對(duì)于三芯電力電纜和二次電纜，應(yīng)采用屏蔽層兩端直接接地的方法。單芯電纜的屏蔽層接地方式要根據(jù)電纜屏蔽層上感應(yīng)電壓的計(jì)算值來確定。總之，電纜的屏蔽和接地需要根據(jù)實(shí)際情況選擇正確的屏蔽方式，以降低電磁干擾。

關(guān)鍵詞電磁干擾屏蔽接地

AbstractThe electromagnetic interference of power cable will become a major problem in modern industry. Based on the analysis of the electric field and the magnetic field shielding principle, several kinds of methods to effectively restrain the electromagnetic interference are discussed. The method of direct grounding on both ends of the shield should be used in the three-core power cable and the secondary cable. The shielding layer grounding method of the single core cable is determined according to the calculated value of the induced voltage on the cable shield layer. In short, in order to reduce the electromagnetic interference, the shielding and grounding of the cable need to choose the correct way according to the actual situation.

Keywordselectromagnetic interference，shielding，grounding

作者簡(jiǎn)介

0引言

屏蔽電纜的屏蔽層主要由銅、鋁等非磁性材料制成，并且厚度很薄，遠(yuǎn)小于使用頻率上金屬材料的集膚深度，屏蔽層的效果主要不是由于金屬體本身對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)的反射、吸收而產(chǎn)生的，而是由于屏蔽層的接地產(chǎn)生的，接地的形式不同將直接影響屏蔽效果。

1屏蔽

屏蔽和接地的關(guān)系十分密切，只有將屏蔽有效接地，才能使屏蔽體上的電荷被“導(dǎo)出”，使屏蔽體內(nèi)的電流不受到電場(chǎng)和磁場(chǎng)的干擾。屏蔽方式可以根據(jù)不同的屏蔽原理分為電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩種。而在細(xì)分過程中電場(chǎng)屏蔽又分為靜電場(chǎng)屏蔽和交變電場(chǎng)屏蔽。磁場(chǎng)屏蔽分為高頻磁場(chǎng)屏蔽和低頻磁場(chǎng)屏蔽兩種。

1.1電場(chǎng)屏蔽

靜電場(chǎng)屏蔽的性質(zhì)：導(dǎo)體中內(nèi)部磁場(chǎng)強(qiáng)度為零。在導(dǎo)體上電場(chǎng)的強(qiáng)度和表面相互垂直，并且在導(dǎo)體的表面形成等勢(shì)面。電荷分布在導(dǎo)體的表面，電場(chǎng)來源于正電荷，并在負(fù)電荷終止。靜電屏蔽就是在電場(chǎng)線上形成屏蔽體，起到抑制靜電場(chǎng)的作用。

交變電場(chǎng)屏蔽的性質(zhì)：交變電場(chǎng)由于電路對(duì)耦合性的干擾，必須進(jìn)行控制。干擾源和敏感電路之間必須設(shè)置良好的導(dǎo)電性，金屬屏蔽處于接地狀態(tài)，交變電場(chǎng)在敏感電路中需要通過耦合來決定交變電壓。所以耦合電容和金屬屏蔽之間必須根據(jù)金屬屏蔽進(jìn)行良好的接地，變電場(chǎng)在敏感電路的耦合中必須控制干擾電壓，電壓的反射要通過材料厚度來控制，并且以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度作為主要因素。

1.2磁場(chǎng)屏蔽

低頻磁場(chǎng)屏蔽的性質(zhì)：低頻磁場(chǎng)的很多屏蔽機(jī)理都是根據(jù)材料的高導(dǎo)磁材料的特性所使用的，材料具備高導(dǎo)磁性的同時(shí)，還具備低磁阻特性。這樣就能夠防止磁阻特性不進(jìn)行空間擴(kuò)散，使磁場(chǎng)的屏蔽發(fā)生改變。形成磁屏蔽材料和阻礙導(dǎo)磁反比的情況，磁導(dǎo)率越大，磁阻會(huì)相對(duì)減小，常用的材料以鐵磁材料為主。

高頻磁場(chǎng)屏蔽的性質(zhì)：高頻磁場(chǎng)屏蔽和低頻磁場(chǎng)屏蔽在形式上十分相同，都是利用導(dǎo)體中的感應(yīng)電流和磁場(chǎng)相互抵消，形成磁場(chǎng)變化。

屏蔽只有在一個(gè)封閉區(qū)域內(nèi)才能夠?qū)崿F(xiàn)，可以說屏蔽是將電流進(jìn)行集中，而接地則是將電流導(dǎo)出，降低電流對(duì)設(shè)備、纜線的影響。下面將對(duì)地作用和形式進(jìn)行分析。

2電力電纜的接地方式

2.1三芯電力電纜屏蔽層接地方式

三芯電纜的保護(hù)接地一般采用兩端接地方式(圖1)。常用于電流不大的工程,一般采用三芯電纜。根據(jù)《電氣裝置安裝工程電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50168—2006)第6.2.8條“三芯電力電纜接頭兩側(cè)電纜的金屬屏蔽層(或金屬套)、鎧裝層應(yīng)分別連接良好。直埋電纜頭的金屬外殼及電纜的金屬護(hù)層應(yīng)做防腐處理。”第6.2.9條“三芯電力電纜終端處的金屬護(hù)層必須接地良好；塑料電纜每相銅屏蔽和鋼鎧應(yīng)錫焊接地。”因此，鎧裝層也必須接地良好。三芯電纜組成為品字型，能夠中和感應(yīng)電流，使感應(yīng)電流相互等效。另外三芯電纜的屏蔽層能夠消除一定的電磁性干擾，并且不需要通過回路來完成電流屏蔽，極大地提高了電纜供電性能。

圖1　三芯電纜金屬屏蔽層兩端直接接地

2.2單芯電纜屏蔽層接地方式

單芯電纜線路導(dǎo)體中有電流通過時(shí)，電纜的屏蔽層會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。感應(yīng)電壓的大小與電纜線路的長(zhǎng)度和流過導(dǎo)體的電流成正比。電纜線路在出現(xiàn)短路故障、遭受過電壓沖擊時(shí)，電纜護(hù)套上的感應(yīng)電壓疊加起來可達(dá)到危及人身安全的程度，甚至可能擊穿護(hù)套絕緣。因此要注意電纜兩端的接地，兩端同時(shí)接地時(shí)電纜金屬屏蔽層通過兩個(gè)接地點(diǎn)與大地構(gòu)成回路，會(huì)產(chǎn)生較大的環(huán)流，使電纜在加大載流量的同時(shí)造成電能損耗，并且容易使電纜老化，影響線路的正常運(yùn)行。

1)如果屏蔽層一端直接接地時(shí)，另一端加入護(hù)層電壓限制器進(jìn)行接地(圖2)。

2)如果電纜長(zhǎng)度不長(zhǎng)，可在線路的中央部位進(jìn)行單點(diǎn)直接接地，另外在電纜的兩端將電纜金屬屏蔽層均加裝護(hù)層電壓限制器進(jìn)行接地(圖3)。這種情況相當(dāng)于兩個(gè)一端接地方式的串聯(lián)，故接地點(diǎn)的兩端金屬屏蔽層為正常運(yùn)行時(shí)工頻感應(yīng)電壓的一半。

圖2　單芯電纜金屬 屏蔽層一端直接接地

圖3　單芯電纜金屬屏蔽層 中央部位單點(diǎn)直接接地

圖4為某垃圾電廠中主變壓器10kV側(cè)接線圖。工程中10kV側(cè)采用單芯電纜接線，經(jīng)過計(jì)算比較，電纜屏蔽層采用一端直接接地，另一端加入護(hù)層電壓限制器進(jìn)行接地的方式，滿足規(guī)范要求。

圖4某工程10kV單芯電纜金屬屏蔽層一端直接接地圖

3二次電纜屏蔽層接地方式

3.1二次電纜屏蔽層兩端接地

二次電纜屏蔽層接地是提高電磁兼容性的主要控制措施之一，兩端接地是將屏蔽層中電流進(jìn)行劃分，具體劃分為感應(yīng)電流和噪聲電流兩種，下面進(jìn)行逐一分析。感應(yīng)電流通常是由外界電磁場(chǎng)產(chǎn)生的，它能夠和外界電磁場(chǎng)相互抵消；而噪聲電流是由電纜自身產(chǎn)生的，在屏蔽層中對(duì)電纜芯線的干擾較小。這兩種電流特性也使屏蔽層必須利用電流回路來完善屏蔽性，單點(diǎn)接地是無法做到良好的屏蔽效果的，所以二次電纜的屏蔽層都使用兩端接地作為主要接地方法。為了提高兩端接地的屏蔽效果，通常在接地網(wǎng)中采取均壓、分流配套等措施，使屏蔽層的電磁抗干擾能力不斷加強(qiáng)，這同時(shí)也成為了降低屏蔽層燒毀事故幾率最為有效的辦法。

3.2計(jì)算機(jī)、雙屏蔽層電纜的屏蔽層接地

在電纜使用過程中，為了消除電磁干擾，通常會(huì)使用屏蔽的方式來對(duì)電磁干擾進(jìn)行控制。電纜的屏蔽一方面可以提高電力信息傳送的有效性，另一方面能夠控制噪音、信號(hào)誤差、傳送失誤等多種問題。電纜信號(hào)在傳播過程中會(huì)產(chǎn)生一定的電磁輻射，這種輻射源能夠形成電磁污染，通過屏蔽的手段能夠?qū)Υ诉M(jìn)行很好的抑制。電纜的屏蔽層在接地后就能夠發(fā)揮屏蔽作用，目前屏蔽層分為單點(diǎn)接地、雙點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地幾個(gè)方面，已經(jīng)在電氣應(yīng)用中成為主要的技術(shù)手段。在雙層屏蔽的應(yīng)用中要注意對(duì)屏蔽層的隔離，如果隔離做不好就不能形成雙層屏蔽。雙層屏蔽和單層屏蔽在接地處理方面有著本質(zhì)上的區(qū)別，單層屏蔽是一端等電位接地，雙層屏蔽是在兩端等電位接地的基礎(chǔ)上，內(nèi)置一端等電位接地。在單層屏蔽的使用中，一端等電位接地常常被布置在主設(shè)備的發(fā)射端。

4結(jié)論

電纜的屏蔽和接地需要有正確的屏蔽形式，這樣才能維持線路的正常工作，所以在處理的過程中要根據(jù)實(shí)際情況選擇正確的屏蔽方式，來降低電磁場(chǎng)的影響。本文對(duì)電纜屏蔽與接地方法的選擇得出如下結(jié)論：

1)對(duì)于三芯電力電纜，必須采取雙端直接接地。

2)對(duì)于單芯電力電纜，當(dāng)電纜長(zhǎng)度不長(zhǎng)時(shí)，采用一端或中央部位單點(diǎn)直接接地，另一端或兩端加裝電壓限制器。

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李祥永

工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)五洲工程設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司環(huán)能院機(jī)電所。

李倩

工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)航天科工三院159廠。

室內(nèi)防雷注意事項(xiàng)

1、盡量不要撥打、接聽有線電話，或使用手機(jī)上網(wǎng)，應(yīng)拔掉電源和電話線等可能將雷電引入的金屬導(dǎo)線。2、雷電發(fā)生期間不宜淋浴洗澡，因水管與防雷接地相連。3、高層住戶還要注意關(guān)閉門窗，預(yù)防雷電直擊室內(nèi)或者防止側(cè)擊雷和球雷的侵入。告誡孩子不要把頭或手伸出戶外，更不要用手觸摸窗戶的金屬架。4、離開進(jìn)戶的金屬水管和與屋頂相連的下水管等。5、進(jìn)戶電源線的絕緣子鐵腳應(yīng)做接地處理，三相插座應(yīng)連好接地線。6、晾曬衣服被褥等用的鐵絲不要拉到窗戶、門口，以防鐵絲引雷。

Analysis and Countermeasures of Limiting Type Surge Protector Performance

Yu Changsong / Yin Chunsheng / Wang Huaqing / Qiu Wenjun