自動化控制系統(tǒng)信號電纜屏蔽方案探討

摘 要：自動化控制系統(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，信號線纜兩端連接有弱電設(shè)備，雷電電磁脈沖由信號線路侵入是造成設(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(jìn)行了分析，提出合理的信號電纜屏蔽接地方案。

關(guān)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(yīng)。當(dāng)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(yīng)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(chǎn)生很高的對地電位，如線纜無良好的接地，會導(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產(chǎn)生強(qiáng)大的變化電磁場，處于這一電磁場中的信號線上感應(yīng)出較大的電動勢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，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線侵入，使儀表控制設(shè)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(chǎn)控制系統(tǒng)中，監(jiān)測控制設(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，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(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線造成設(shè)備損壞。

當(dāng)室外設(shè)備有雷擊時，Rb上會產(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(shè)備，并且這一高電位通過信號線引入控制室，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(yuǎn)小于芯線對地電壓，此時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，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，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(shè)備內(nèi)部器件與地線間的電壓。

實(shí)際應(yīng)用中，信號電纜眾多，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(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，同樣會造成設(shè)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(chǎn)生感應(yīng)電流，其作用降低了感應(yīng)電壓，抵消了外界電磁場干擾，所以屏蔽層兩端接地能有效對信號線路進(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，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(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，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，即對信號線路外層套金屬管兩端接地（或多處接地），而對內(nèi)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(hù)能力，又避免信號線路受低頻信號干擾。

3 結(jié)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(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信號線進(jìn)行電磁屏蔽，能抑制雷電電磁脈沖對設(shè)備的危害，但如設(shè)備周圍大地中有較大雜散電流時，屏蔽層上產(chǎn)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(tǒng)的正常工作，此環(huán)境中應(yīng)對屏蔽信號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，電纜應(yīng)貼近地網(wǎng)連接導(dǎo)體敷設(shè)。（3）在屏蔽信號線兩端還應(yīng)安裝與信號參數(shù)相適宜的浪涌保護(hù)器，對暫態(tài)過電壓進(jìn)行限壓、分流。

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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