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(shù)股份有限公司，浙江 杭州 310012)

1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的第6.3.1條中對(duì)電纜的屏蔽作了如下規(guī)定：“在需要保護(hù)的空間內(nèi)，采用屏蔽電纜時(shí)其屏蔽層至少在兩端，并宜在防雷區(qū)交界處做等電位連接”；GB 50343—2012《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范》的第5.3.3條中對(duì)線纜的屏蔽也作了如下規(guī)定：“與電子信息系統(tǒng)連接的金屬信號(hào)線纜采用屏蔽電纜時(shí)，應(yīng)在屏蔽層兩端并宜在雷電防護(hù)區(qū)交界處做等電位連接并接地”。2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的共同點(diǎn)是：“宜在防雷區(qū)交界處做等電位連接”，這在工業(yè)控制系統(tǒng)的雷電防護(hù)中極少被采納。原因在于該方法電纜敷設(shè)到防雷區(qū)交界處時(shí)，需要把電纜的外層絕緣層剝開，將屏蔽層進(jìn)行等電位連接后繼續(xù)往前敷設(shè)，當(dāng)電纜數(shù)量很大時(shí)，施工量難以承受。2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的差別在于： GB 50057—2010強(qiáng)調(diào)的是等電位連接，而GB 50343—2012強(qiáng)調(diào)的是通過接地實(shí)現(xiàn)等電位連接。

本文通過實(shí)踐表明，將電纜屏蔽層兩端接地實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，在某種情況下會(huì)帶來意外的事故。現(xiàn)通過屏蔽機(jī)理和具體案例闡述如下。

2 信號(hào)電纜屏蔽層兩端接地時(shí)的屏蔽機(jī)理

信號(hào)電纜屏蔽層兩端接地時(shí)的屏蔽機(jī)理如圖1所示。

圖1 屏蔽層兩端接地時(shí)的屏蔽機(jī)理示意

控制系統(tǒng)某信號(hào)的發(fā)送、接收系統(tǒng)如圖1所示。若信號(hào)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(shè)電纜內(nèi)的信號(hào)回路為平行導(dǎo)線，此時(shí)電磁屏蔽原理可描述如下：

如在信號(hào)電纜的周圍存在著1個(gè)交變的干擾磁場(chǎng)(如雷擊時(shí)雷電流產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)等)，信號(hào)電纜屏蔽層在兩端接地時(shí)，由于屏蔽層與其2個(gè)接地端之間通過“地”形成了1個(gè)閉合回路，交變的干擾磁場(chǎng)會(huì)同時(shí)在屏蔽層回路以及電纜內(nèi)的信號(hào)回路分別產(chǎn)生感應(yīng)電流Is和Ic。Is和Ic源自同一個(gè)干擾磁場(chǎng)，故這2個(gè)電流是同相的。因?yàn)槠帘螌訉㈦娎|內(nèi)的信號(hào)回路包裹在內(nèi)，故Is又會(huì)產(chǎn)生1個(gè)二次感應(yīng)磁場(chǎng)并在信號(hào)回路內(nèi)形成二次感應(yīng)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(chǎng)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(nèi)Is的大小。為增大屏蔽層回路內(nèi)的Is，應(yīng)減小屏蔽層回路的電阻值，有數(shù)據(jù)表明： 設(shè)屏蔽層單位長(zhǎng)度的電阻為RS,RS≤1 Ω/km的屏蔽效果是1≤RS≤5 Ω/km時(shí)的2倍。如將屏蔽層回路多點(diǎn)接地，就相當(dāng)于將屏蔽層的各接地點(diǎn)之間的電阻進(jìn)行并聯(lián)，從而減小了屏蔽層回路的總電阻。接地點(diǎn)愈多，接地點(diǎn)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(shè)，效果最佳。

3 信號(hào)電纜屏蔽層兩接地端存在著地電位差時(shí)的干擾效應(yīng)

必須強(qiáng)調(diào)： 圖1所示的電磁屏蔽機(jī)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(chǎng)時(shí))，因地電位差為零，不會(huì)在信號(hào)回路以及屏蔽層回路內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流Ic和Is。若在運(yùn)行時(shí)，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(shí)，便會(huì)在屏蔽層與兩接地端之間的閉合回路內(nèi)形成附加的干擾電流Ig。如果Ug與Ig是交變的話，就會(huì)在電纜的信號(hào)回路內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)的干擾電流Ir。Ir小時(shí)可使信號(hào)產(chǎn)生虛假波動(dòng)，如虛假信號(hào)的波動(dòng)超限的話，就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)報(bào)警乃至聯(lián)鎖動(dòng)作；Ir大時(shí)可使信號(hào)兩端的設(shè)備燒毀。屏蔽層兩接地端存在地電位差時(shí)的干擾如圖2所示。

圖2 屏蔽層兩接地端存在地電位差時(shí)的干擾示意

如信號(hào)電纜采用屏蔽雙絞線，無疑會(huì)減小這種干擾效應(yīng)，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(jī)組勵(lì)磁機(jī)等設(shè)備對(duì)地絕緣發(fā)生故障，導(dǎo)致磁極對(duì)地放電，不僅將絕緣監(jiān)測(cè)儀、充電機(jī)運(yùn)放模塊、蓄電池巡檢模塊等設(shè)備燒毀，并在磁極對(duì)地的放電過程中，使汽輪機(jī)的控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)的部分信號(hào)出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)，最終導(dǎo)致機(jī)組跳閘。

在勵(lì)磁機(jī)等設(shè)備對(duì)地絕緣發(fā)生故障而導(dǎo)致磁極對(duì)地放電時(shí)，凡放電電流所流經(jīng)的地方，其電位均會(huì)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(guān)。圖2所示的信號(hào)電纜屏蔽層系兩端接地，在靠近信號(hào)發(fā)送側(cè)(變送器)的接地端正好是勵(lì)磁機(jī)等設(shè)備對(duì)地絕緣發(fā)生故障而導(dǎo)致磁極對(duì)地放電時(shí)，于是放電電流所流經(jīng)的地方，使信號(hào)電纜屏蔽層在靠近變送器側(cè)的接地端的地電位瞬間升高，從而產(chǎn)生前述的干擾效應(yīng)，使電纜芯線內(nèi)的信號(hào)產(chǎn)生虛假波動(dòng)，最終引起機(jī)組跳閘。

4.2 案例二

另一個(gè)核電站的測(cè)量煙囪流量的阿牛巴流量計(jì)，其差壓輸出是通過導(dǎo)壓管接至2臺(tái)3051型智能差壓變送器，位于煙囪操作臺(tái)上的該2臺(tái)變送器所在的標(biāo)高為53.8 m。煙囪流量測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，用屏蔽層兩端接地的IE級(jí)屏蔽電纜，將2臺(tái)3051變送器的4～20 mA信號(hào)分別通過信號(hào)采集卡與信號(hào)分配卡送至4號(hào)機(jī)組與3號(hào)機(jī)組。

圖3 煙囪流量測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2012年5月10日傍晚發(fā)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(hù)欄連在同一個(gè)接地點(diǎn)上，而IE級(jí)信號(hào)屏蔽電纜的屏蔽層在差壓變送器一側(cè)的接地點(diǎn)是與煙囪的護(hù)欄相連的，故在雷電流通過該接地點(diǎn)時(shí)，地電位瞬間升高。而信號(hào)電纜屏蔽層的另一側(cè)接地點(diǎn)位于室內(nèi)的機(jī)柜側(cè)，因該點(diǎn)離煙囪距離較遠(yuǎn)，故在雷擊時(shí)該地電位可近似為零。于是煙囪在雷擊接閃時(shí)，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(chǎn)生了1股很大的干擾電流，該干擾電流又會(huì)在信號(hào)回路內(nèi)產(chǎn)生1股很大的感應(yīng)電流，該感應(yīng)電流大到足以使信號(hào)采集卡燒毀，并產(chǎn)生相關(guān)報(bào)警。

5 結(jié)束語

兩個(gè)實(shí)例說明，設(shè)計(jì)者生搬某些規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)屏蔽層兩端接地的規(guī)定，沒有考慮到規(guī)定的前提條件是兩接地端之間的地電位差應(yīng)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(shí)，會(huì)帶來嚴(yán)重的后果。