自動化控制系統信號電纜屏蔽方案探討

摘 要：自動化控制系統中，大量使用半導體器件及大型COMOS集成電路，但這些電子設備浪涌電壓耐受能力弱，抗干擾能力差，信號線纜兩端連接有弱電設備，雷電電磁脈沖由信號線路侵入是造成設備運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。而針對防雷，屏蔽層兩端接地更為有效。本文通過對信號電纜屏蔽接地方法進行了分析，提出合理的信號電纜屏蔽接地方案。

關鍵詞：自動化控制；信號線纜屏蔽；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線纜引起的危害原因

（1）閃電靜電感應。當線纜處于雷云與大地之間所形成的電場中時，架空金屬信號線纜上就會感應聚集與雷云下部電荷極性相反的大量電荷，雷云放電時，迅速中和了電荷，放電后云與大地之間的電場突然消失，而線纜上的電荷來不及流散，因而產生很高的對地電位，如線纜無良好的接地，會導致與之連接的電子設備因靜電感應電壓而損壞。

（2）閃電電磁感應。雷電流具有的幅值及陡度極大，在放電通道周圍空間里會產生強大的變化電磁場，處于這一電磁場中的信號線上感應出較大的電動勢或在閉合回路的線路上產生感應電流，造成設備損壞，如回路中有些地方接觸不良，就會使局部發熱或放電，有可能引發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線纜上感應出雷電電壓，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，且在通過不同參數的連接段或線路端點時，波阻抗發生變化，產生反射和折射，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線侵入，使儀表控制設備失靈或損壞。

2 信號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

自動化生產控制系統中，監測控制設備安裝在中心控制室，儀表、傳感器等設備大多放置在室外，其間用屏蔽電纜進行連接，系統中屏蔽電纜大多采用屏蔽層在控制室進行接地的單端接地方式。

（1）如圖1，屏蔽層在控制室一側接地，控制室與室外設備地網各自獨立。

當控制室有雷擊時，雷電電流流過控制室地網，在Ra產生高電位，使與該地網連接的設備外殼及信號線屏蔽層電位抬高，此時信號線尚處于零電位，它們之間出現暫態過電壓，這一高電位沿屏蔽層傳輸到室外設備，由于信號線與屏蔽層的分布電容遠大于儀表器件與接地構件的雜散電容，故暫態高電壓主要通過耦合到信號線造成設備損壞。

當室外設備有雷擊時，Rb上會產生高電位，與該地網相連的外殼等構件電位升高，此處信號線屏蔽層未接地，過電壓會使信號線與外殼絕緣擊穿，損害室外設備，并且這一高電位通過信號線引入控制室，導致控制室設備損壞。

（2）屏蔽層在控制室一側接地，控制室地網與室外設備地網連為一體。

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

當有雷電流流過連接導體時，芯線及設備內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為連接導體的電阻；L為連接導體的自感；M為連接導體與電纜之間的互感；Φ為穿過環路的磁通。

由式可知，當電纜緊貼地網連接導體布置時，Φ趨近于零，此時Uab≈i×R因此大大降低了Uab，即降低了芯線及設備內部器件與地線間的電壓。

實際應用中，信號電纜眾多，一般無法將所有電纜與地網連接導體緊貼一起，依然存在一定的感應電壓，且雷電流陡度極大，故感應電壓仍然較高。

綜上所述，信號單端屏蔽層接地能有效防止電場干擾，且信號傳輸不會因地線產生干擾而影響。采用聯合接地網方式雖能大大降低芯線與地網之間的瞬態過電壓，但仍然很高，同樣會造成設備損壞。

2.2 兩端屏蔽接地

（1）屏蔽層兩端接地時雷電電磁脈沖對信號線的影響。屏蔽層兩端接地時，外界電磁場對屏蔽層會產生感應電流，其作用降低了感應電壓，抵消了外界電磁場干擾，所以屏蔽層兩端接地能有效對信號線路進行電磁屏蔽。（2）兩端接地方式的低頻干擾及處理措施。兩端接地時，屏蔽層與地之間形成回路，如有低頻干擾流過屏蔽層時，會對信號線產生低頻干擾，通常是在大地中有較大雜散電流的地方產生低頻干擾嚴重，在一些控制系統中，室外傳輸到控制室的是模擬信號，抗干擾性差，僅1V左右的干擾電壓就可導致零點漂移和傳輸誤差。但是，在自動化生產控制系統中，室外設備遭受雷擊的概率要遠大于低頻干擾，為避免低頻干擾，可以采取雙層屏蔽的方法，即對信號線路外層套金屬管兩端接地（或多處接地），而對內層屏蔽線采取單端接地，這樣既保證了信號線對電磁脈沖干擾的防護能力，又避免信號線路受低頻信號干擾。

3 結論

通過對信號線纜單端及兩端屏蔽接地方式對雷電電磁脈沖和低頻干擾的防護能力進行分析比較得出如下結論：

（1）屏蔽層兩端接地能有效地對信號線進行電磁屏蔽，能抑制雷電電磁脈沖對設備的危害，但如設備周圍大地中有較大雜散電流時，屏蔽層上產生的低頻干擾容易通過屏蔽層對芯線的信號傳輸引起干擾，影響自動控制系統的正常工作，此環境中應對屏蔽信號線纜采取穿金屬管或其它方式進行雙層屏蔽措施，即外層屏蔽采用兩端接地，內層屏蔽層采取單端接地，單端接地點應設置在控制室。（2）電纜直埋時，電纜應貼近地網連接導體敷設。（3）在屏蔽信號線兩端還應安裝與信號參數相適宜的浪涌保護器，對暫態過電壓進行限壓、分流。

參考文獻：

[1]何金良.電磁兼容概[M].北京：科學出版社，2010（10）.

[2]肖穩安，張小青.雷電與防護技術基礎[M].北京：氣象出版社，2006（04）.

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