電纜屏蔽層的接地探討

王瑞東，許聞文，徐義亨

(浙江中控技術股份有限公司，浙江 杭州 310012)

1 相關標準簡介

GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》的第6.3.1條中對電纜的屏蔽作了如下規定：“在需要保護的空間內，采用屏蔽電纜時其屏蔽層至少在兩端，并宜在防雷區交界處做等電位連接”；GB 50343—2012《建筑物電子信息系統防雷技術規范》的第5.3.3條中對線纜的屏蔽也作了如下規定：“與電子信息系統連接的金屬信號線纜采用屏蔽電纜時，應在屏蔽層兩端并宜在雷電防護區交界處做等電位連接并接地”。2個標準的共同點是：“宜在防雷區交界處做等電位連接”，這在工業控制系統的雷電防護中極少被采納。原因在于該方法電纜敷設到防雷區交界處時，需要把電纜的外層絕緣層剝開，將屏蔽層進行等電位連接后繼續往前敷設，當電纜數量很大時，施工量難以承受。2個標準規定的差別在于： GB 50057—2010強調的是等電位連接，而GB 50343—2012強調的是通過接地實現等電位連接。

本文通過實踐表明，將電纜屏蔽層兩端接地實現電磁屏蔽，在某種情況下會帶來意外的事故。現通過屏蔽機理和具體案例闡述如下。

2 信號電纜屏蔽層兩端接地時的屏蔽機理

信號電纜屏蔽層兩端接地時的屏蔽機理如圖1所示。

圖1 屏蔽層兩端接地時的屏蔽機理示意

控制系統某信號的發送、接收系統如圖1所示。若信號電纜帶有金屬屏蔽層，并采用兩端接地，為討論問題方便起見，設電纜內的信號回路為平行導線，此時電磁屏蔽原理可描述如下：

如在信號電纜的周圍存在著1個交變的干擾磁場(如雷擊時雷電流產生的脈沖磁場等)，信號電纜屏蔽層在兩端接地時，由于屏蔽層與其2個接地端之間通過“地”形成了1個閉合回路，交變的干擾磁場會同時在屏蔽層回路以及電纜內的信號回路分別產生感應電流Is和Ic。Is和Ic源自同一個干擾磁場，故這2個電流是同相的。因為屏蔽層將電纜內的信號回路包裹在內，故Is又會產生1個二次感應磁場并在信號回路內形成二次感應電流Isc,Isc肯定小于Ic，否則就不符合能量守恒。Isc與Ic彼此的相位角相差約180°，因此Isc可以部分地抵消Ic，屏蔽干擾磁場的部分影響。屏蔽效果的好壞取決于Isc的大小能否盡可能大地抵消Ic。

Isc的大小取決于屏蔽層回路內Is的大小。為增大屏蔽層回路內的Is，應減小屏蔽層回路的電阻值，有數據表明： 設屏蔽層單位長度的電阻為RS,RS≤1 Ω/km的屏蔽效果是1≤RS≤5 Ω/km時的2倍。如將屏蔽層回路多點接地，就相當于將屏蔽層的各接地點之間的電阻進行并聯，從而減小了屏蔽層回路的總電阻。接地點愈多，接地點之間的距離就愈小，屏蔽層回路的總電阻就愈小，屏蔽效果也就愈好，直至將屏蔽層全部埋地敷設，效果最佳。

3 信號電纜屏蔽層兩接地端存在著地電位差時的干擾效應

必須強調： 圖1所示的電磁屏蔽機理是基于電纜屏蔽層的兩接地端之間的地電位差(即共模電壓)為零的前提下，即在正常情況下(周邊沒有交變的干擾磁場時)，因地電位差為零，不會在信號回路以及屏蔽層回路內產生感應電流Ic和Is。若在運行時，由于某種原因使電纜屏蔽層的兩接地端之間存在著地電位差Ug時，便會在屏蔽層與兩接地端之間的閉合回路內形成附加的干擾電流Ig。如果Ug與Ig是交變的話，就會在電纜的信號回路內產生感應的干擾電流Ir。Ir小時可使信號產生虛假波動，如虛假信號的波動超限的話，就會導致信號系統報警乃至聯鎖動作；Ir大時可使信號兩端的設備燒毀。屏蔽層兩接地端存在地電位差時的干擾如圖2所示。

圖2 屏蔽層兩接地端存在地電位差時的干擾示意

如信號電纜采用屏蔽雙絞線，無疑會減小這種干擾效應，減小的程度不僅要視雙絞線的絞距大小，更重要的決定因素是Ug的大小。

4 案例分析

4.1 案例一

2015年，某核電站某機組勵磁機等設備對地絕緣發生故障，導致磁極對地放電，不僅將絕緣監測儀、充電機運放模塊、蓄電池巡檢模塊等設備燒毀，并在磁極對地的放電過程中，使汽輪機的控制系統和保護系統的部分信號出現大幅度的波動，最終導致機組跳閘。

在勵磁機等設備對地絕緣發生故障而導致磁極對地放電時，凡放電電流所流經的地方，其電位均會瞬間升高，電位的升高值與放電電流的大小以及放電電流通路的電阻大小等諸因素有關。圖2所示的信號電纜屏蔽層系兩端接地，在靠近信號發送側(變送器)的接地端正好是勵磁機等設備對地絕緣發生故障而導致磁極對地放電時，于是放電電流所流經的地方，使信號電纜屏蔽層在靠近變送器側的接地端的地電位瞬間升高，從而產生前述的干擾效應，使電纜芯線內的信號產生虛假波動，最終引起機組跳閘。

4.2 案例二

另一個核電站的測量煙囪流量的阿牛巴流量計，其差壓輸出是通過導壓管接至2臺3051型智能差壓變送器，位于煙囪操作臺上的該2臺變送器所在的標高為53.8 m。煙囪流量測量系統結構如圖3所示，用屏蔽層兩端接地的IE級屏蔽電纜，將2臺3051變送器的4～20 mA信號分別通過信號采集卡與信號分配卡送至4號機組與3號機組。

圖3 煙囪流量測量系統結構示意

2012年5月10日傍晚發生雷擊事故，煙囪接閃器接閃。由于該核電站將煙囪接閃器的引下線和煙囪的護欄連在同一個接地點上，而IE級信號屏蔽電纜的屏蔽層在差壓變送器一側的接地點是與煙囪的護欄相連的，故在雷電流通過該接地點時，地電位瞬間升高。而信號電纜屏蔽層的另一側接地點位于室內的機柜側，因該點離煙囪距離較遠，故在雷擊時該地電位可近似為零。于是煙囪在雷擊接閃時，在屏蔽層兩接地端之間形成了較大的地電位差，故在屏蔽層回路里產生了1股很大的干擾電流，該干擾電流又會在信號回路內產生1股很大的感應電流，該感應電流大到足以使信號采集卡燒毀，并產生相關報警。

5 結束語

兩個實例說明，設計者生搬某些規范標準中有關屏蔽層兩端接地的規定，沒有考慮到規定的前提條件是兩接地端之間的地電位差應接近于零，故在屏蔽層兩接地端之間一旦形成了極大的地電位差時，會帶來嚴重的后果。