控制系统电缆的屏蔽

陈靖元，王瑞东，马玉亮，徐义亨

（浙江中控技术股份有限公司，杭州310053）

除了干扰源和感受体之间导线的直接连接外，电磁干扰通过电缆的耦合途径有：静电耦合（亦称电容性耦合或电场耦合）；电磁耦合（亦称电感性耦合或磁场耦合）；辐射耦合（亦称电磁场辐射或远场耦合）。为抑制这三种耦合，对应于电缆的屏蔽有静电屏蔽；电磁屏蔽；辐射屏蔽。

在自控工程中，关于控制电缆的屏蔽，人们往往习惯作如下的选择：

a）用屏蔽双绞线作直流信号电缆。屏蔽层一端接地（一般在控制室端）以抑制静电耦合和辐射耦合；用双绞线抑制电磁耦合。

b）使用无屏蔽层、平行芯线的普通控制电缆作低压交流电源线。

笔者近十年来对控制系统电缆的屏蔽，特别是对雷击电磁脉冲的防护作了大量的调查研究，重点提出抑制电磁干扰的电缆屏蔽方法。

1 电缆屏蔽层的接地

众所周知，如电缆的屏蔽层不接地，它只能抑制远场的辐射耦合。如将电缆的屏蔽层一端接地，既可以抑制近场的静电耦合，也可以抑制远场的辐射耦合。如将电缆的屏蔽层两端接地（或每隔一定距离设一个接地点），那么，在抑制近场的电磁耦合的同时，也可以抑制远场辐射耦合。这些抑制的机理可参阅文献［1—2］。为了更好地抑制工业现场的各种电磁干扰，电缆最好设两个屏蔽层，内屏蔽层一端接地，外屏蔽层两端接地，两屏蔽层间加以绝缘，这样可以起到抑制上述三种电磁干扰的耦合作用。

为了实现电缆的双层屏蔽，如选用总屏加分屏的电缆，则会增加投资费用，一般可以利用已有的金属介质作外屏蔽层，如：铠装电缆的金属保护层；金属走线槽；金属保护管。将这些金属介质作外屏蔽层时，一要保证外屏蔽层的电气连续性；二要将屏蔽层的两端或每隔不大于30m的距离设一个接地点，最好将外屏蔽层直接埋地敷设。

2 电缆内屏蔽层材质的选择

目前，常用电缆的内屏蔽层有铜网编织带、铜带迭卷和铝－聚酯复合膜三种。不同的屏蔽材质其屏蔽效果和特点见表1所列。

表1 不同屏蔽结构的性能

由表1可知，铝－聚酯复合膜的屏蔽效果最好，但是该屏蔽材料的接地较麻烦，且使用时间长了，铝薄会剥落。

将电缆的内屏蔽层在机柜内接地时，如果电缆是从机柜的底部进入，接地汇流排又设在机柜下部的话，则该信号线有一段是没有屏蔽层的。此时，如果柜内有视频线和交流电源线且和信号线又紧挨时，会对信号线产生静电耦合，在文献［3］中称“猪尾巴效应”。因此，在柜内布线时，要最大限度地减小中心导线延伸到屏蔽层之外部分的长度。

3 双绞线绞距的选择

无论是作为噪声导体，或者是作为受干扰的导体，双绞线是抑制近场电磁耦合的一种手段，其抑制机理可参阅文献［1］。在使用双绞线时，国内大多的工程设计规范，对绞距（或每单位长度的绞合数）的选择没有作出明确的规定。双绞线的电磁屏蔽效果随绞距的减小而提高，见表2所列（此表引自日本横河的企业标准）。表中的噪声衰减度指两芯线平行时的磁场干扰值和采用双绞线后的磁场干扰值之比。由此可见，双绞线的绞距宜小。但是，绞距愈小（即每单位长度的绞合数愈大），耗资也愈大，一般选绞距为50mm左右即可。

表2 几种不同绞距双绞线与两根平行导线的效果比较

4 电缆穿金属管的埋地敷设

笔者在大量的工程实践中发现，当发生雷击电磁脉冲时，除了有静电耦合和辐射耦合外，还有更强的电磁耦合，此时仅依靠双绞线来屏蔽电磁耦合，效果不甚理想。

笔者调查过这样的一个雷击案例，如图1所示。该企业的两个工艺装置共用一个控制室，两个装置采用同样机型的DCS，也采用同样型号的屏蔽双绞线。结果在同一次雷击下，硫酸装置的DCS安然无恙，而离子膜装置的DCS的卡件损坏了许多。究其原因是因为硫酸装置的电缆全部是穿金属管埋地进控制室的；而离子膜装置的电缆全部是用玻璃钢桥架架空敷设的，玻璃钢桥架没有电磁屏蔽作用。

图1 雷击案例示意

在新颁布的国家标准GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》中，特别强调电缆用穿金属管埋地敷设来抑制雷击电磁脉冲的侵害。可见，电缆穿金属管埋地敷设是一种极好的抑制强磁场耦合的手段［1，4］。

5 单屏蔽层的电缆

对于旧装置，当所用的电缆只有一个屏蔽层时，该屏蔽层采取一端接地、两端或多端接地？笔者认为应该视工业现场的电磁环境而定，不要强求统一。如果周围是以电场干扰为主，应该将屏蔽层一端接地；如果是以磁场干扰为主，应该将屏蔽层两端或多端接地。特别是为了防雷，一定要将屏蔽层两端或多端接地，以保证重要设备安全。

曾经有个计算机站，原先的电缆屏蔽层均两端接地，使用很好。后来根据规范标准的规定，将屏蔽层改成一端接地，结果经常发生死机现象。无奈之下，再改回去，一切又恢复正常。工业现场的计算机死机，其主要原因是因为控制系统的I／O接口对外部的电磁干扰很敏感，干扰信号一旦破坏了某一接口的状态字后，就会导致CPU误认为该接口有I／O请求而停止现行工作，转而去执行相应的I／O执行程序。但由于该接口本身并没有I／O数据，从而使CPU资源被该服务程序长期占用而不释放，导致其他任务程序无法执行，使整个系统“死锁”［5］。还有美国一家炼油厂，电缆的屏蔽层原先均为一端接地，后遭受了一次严重的雷击，损坏了100多台变送器。经过研究分析后，将电缆的屏蔽层改为两端接地，再也没有发生过类似的雷害事故。

6 主动屏蔽和被动屏蔽

将诸如信号电缆（如4～20mA，1～5V等直流信号）等受感应导体进行屏蔽，称为被动屏蔽。将噪声导体（如电力电缆、视频线、通信线等）进行屏蔽，不让电力线或磁力线逸出屏蔽层，这种屏蔽称主动屏蔽。无疑，主动屏蔽比被动屏蔽更重要。

在过去的工程设计中，往往注意被动屏蔽而忽视主动屏蔽，这种观念应予纠正。因此，作为噪声导体的交流低压电源线的选用，应该同于信号电缆，不要使用不带任何屏蔽作用的控制电缆。

［1］ 徐义亨.工业控制工程中的抗干扰技术［M］.上海：上海科学技术出版社，2010.

［2］ 诸邦田.电子电路实用抗干扰技术［M］.北京：人民邮电出版社，1994.

［3］ HENRY W O.电子系统中噪声的抑制与衰减技术［M］.王培清，李迪，译.2版.北京：电子工业出版社，2004.

［4］ 高攸纲.屏蔽与接地［M］.北京：北京邮电大学出版社，2004.

［5］ 何为，杨凡，姚德贵.电磁兼容原理和应用［M］.北京：清华大学出版社，2009.

［6］ 徐义亨.工程中电磁干扰的分类和其抑制途径 ［J］.石油化工自动化，2007，43（06）：1－4.

［7］ 徐义亨，刘华美，陈菁菁.分散型控制系统的防雷［J］.石油化工自动化，2003，39（4）：1－2.

［8］ 徐义亨，刘华美，熊菊秀.从DCS遭雷击的案例分析到防患于未然［J］.电气时代，2005（06）：88－92.

［9］ 何宏，张宝峰，张大健，等.电磁兼容与电磁干扰［M］.北京：国防工业出版社，2007.

［10］ （英）GOLDE R H.雷电［M］.周诗健，孙景群，译.北京：电力工业出版社，1982.