自动化控制系统信号电缆屏蔽方案探讨

摘 要：自动化控制系统中，大量使用半导体器件及大型COMOS集成电路，但这些电子设备浪涌电压耐受能力弱，抗干扰能力差，信号线缆两端连接有弱电设备，雷电电磁脉冲由信号线路侵入是造成设备运行中断甚至损坏的主要原因，屏蔽接地是防止雷电电磁脉冲危害设备的有效措施。为避免低频干扰和消除噪音，一般做法是将屏蔽层单端接地。而针对防雷，屏蔽层两端接地更为有效。本文通过对信号电缆屏蔽接地方法进行了分析，提出合理的信号电缆屏蔽接地方案。

关键词：自动化控制；信号线缆屏蔽；雷电电磁脉冲；两端接地

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.151

1 雷电电磁脉冲干扰信号线缆引起的危害原因

（1）闪电静电感应。当线缆处于雷云与大地之间所形成的电场中时，架空金属信号线缆上就会感应聚集与雷云下部电荷极性相反的大量电荷，雷云放电时，迅速中和了电荷，放电后云与大地之间的电场突然消失，而线缆上的电荷来不及流散，因而产生很高的对地电位，如线缆无良好的接地，会导致与之连接的电子设备因静电感应电压而损坏。

（2）闪电电磁感应。雷电流具有的幅值及陡度极大，在放电通道周围空间里会产生强大的变化电磁场，处于这一电磁场中的信号线上感应出较大的电动势或在闭合回路的线路上产生感应电流，造成设备损坏，如回路中有些地方接触不良，就会使局部发热或放电，有可能引发易燃易爆品的燃烧或爆炸等事故。

（3）闪电电涌侵入。雷电电磁脉冲在信号线缆上感应出雷电电压，由于线缆上存在分布电容和电感，雷电波在传输过程中速度减慢，且在通过不同参数的连接段或线路端点时，波阻抗发生变化，产生反射和折射，在波阻抗突变处电压升高，它主要通过阻性耦合、感性耦合及容性耦合方式沿信号线侵入，使仪表控制设备失灵或损坏。

2 信号线缆屏蔽的作用及屏蔽层接地方式的比较

2.1 单端屏蔽接地

自动化生产控制系统中，监测控制设备安装在中心控制室，仪表、传感器等设备大多放置在室外，其间用屏蔽电缆进行连接，系统中屏蔽电缆大多采用屏蔽层在控制室进行接地的单端接地方式。

（1）如图1，屏蔽层在控制室一侧接地，控制室与室外设备地网各自独立。

当控制室有雷击时，雷电电流流过控制室地网，在Ra产生高电位，使与该地网连接的设备外壳及信号线屏蔽层电位抬高，此时信号线尚处于零电位，它们之间出现暂态过电压，这一高电位沿屏蔽层传输到室外设备，由于信号线与屏蔽层的分布电容远大于仪表器件与接地构件的杂散电容，故暂态高电压主要通过耦合到信号线造成设备损坏。

当室外设备有雷击时，Rb上会产生高电位，与该地网相连的外壳等构件电位升高，此处信号线屏蔽层未接地，过电压会使信号线与外壳绝缘击穿，损害室外设备，并且这一高电位通过信号线引入控制室，导致控制室设备损坏。

（2）屏蔽层在控制室一侧接地，控制室地网与室外设备地网连为一体。

由于屏蔽层与芯线间的分布电容远大于芯线及两端设备对地的杂散电容，因此屏蔽层上一高频干扰对于芯线的电压是远小于芯线对地电压，此时过电压主要是加在芯线及设备内部器件与地之间。

当有雷电流流过连接导体时，芯线及设备内部器件与地之间的电位差Uab为：Uab=Uao-（-Ubo）= i×R+（L-M）di/dt= i×R+dΦ/dt

式中，R为连接导体的电阻；L为连接导体的自感；M为连接导体与电缆之间的互感；Φ为穿过环路的磁通。

由式可知，当电缆紧贴地网连接导体布置时，Φ趋近于零，此时Uab≈i×R因此大大降低了Uab，即降低了芯线及设备内部器件与地线间的电压。

实际应用中，信号电缆众多，一般无法将所有电缆与地网连接导体紧贴一起，依然存在一定的感应电压，且雷电流陡度极大，故感应电压仍然较高。

综上所述，信号单端屏蔽层接地能有效防止电场干扰，且信号传输不会因地线产生干扰而影响。采用联合接地网方式虽能大大降低芯线与地网之间的瞬态过电压，但仍然很高，同样会造成设备损坏。

2.2 两端屏蔽接地

（1）屏蔽层两端接地时雷电电磁脉冲对信号线的影响。屏蔽层两端接地时，外界电磁场对屏蔽层会产生感应电流，其作用降低了感应电压，抵消了外界电磁场干扰，所以屏蔽层两端接地能有效对信号线路进行电磁屏蔽。（2）两端接地方式的低频干扰及处理措施。两端接地时，屏蔽层与地之间形成回路，如有低频干扰流过屏蔽层时，会对信号线产生低频干扰，通常是在大地中有较大杂散电流的地方产生低频干扰严重，在一些控制系统中，室外传输到控制室的是模拟信号，抗干扰性差，仅1V左右的干扰电压就可导致零点漂移和传输误差。但是，在自动化生产控制系统中，室外设备遭受雷击的概率要远大于低频干扰，为避免低频干扰，可以采取双层屏蔽的方法，即对信号线路外层套金属管两端接地（或多处接地），而对内层屏蔽线采取单端接地，这样既保证了信号线对电磁脉冲干扰的防护能力，又避免信号线路受低频信号干扰。

3 结论

通过对信号线缆单端及两端屏蔽接地方式对雷电电磁脉冲和低频干扰的防护能力进行分析比较得出如下结论：

（1）屏蔽层两端接地能有效地对信号线进行电磁屏蔽，能抑制雷电电磁脉冲对设备的危害，但如设备周围大地中有较大杂散电流时，屏蔽层上产生的低频干扰容易通过屏蔽层对芯线的信号传输引起干扰，影响自动控制系统的正常工作，此环境中应对屏蔽信号线缆采取穿金属管或其它方式进行双层屏蔽措施，即外层屏蔽采用两端接地，内层屏蔽层采取单端接地，单端接地点应设置在控制室。（2）电缆直埋时，电缆应贴近地网连接导体敷设。（3）在屏蔽信号线两端还应安装与信号参数相适宜的浪涌保护器，对暂态过电压进行限压、分流。

参考文献：

[1]何金良.电磁兼容概[M].北京：科学出版社，2010（10）.

[2]肖稳安，张小青.雷电与防护技术基础[M].北京：氣象出版社，2006（04）.

作者简介：吴晓林（1969-），男，湖北武汉人，本科，工程师，主要从事防雷工作。endprint