电缆屏蔽层的接地探讨

王瑞东，许闻文，徐义亨

(浙江中控技术股份有限公司，浙江 杭州 310012)

1 相关标准简介

GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》的第6.3.1条中对电缆的屏蔽作了如下规定：“在需要保护的空间内，采用屏蔽电缆时其屏蔽层至少在两端，并宜在防雷区交界处做等电位连接”；GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》的第5.3.3条中对线缆的屏蔽也作了如下规定：“与电子信息系统连接的金属信号线缆采用屏蔽电缆时，应在屏蔽层两端并宜在雷电防护区交界处做等电位连接并接地”。2个标准的共同点是：“宜在防雷区交界处做等电位连接”，这在工业控制系统的雷电防护中极少被采纳。原因在于该方法电缆敷设到防雷区交界处时，需要把电缆的外层绝缘层剥开，将屏蔽层进行等电位连接后继续往前敷设，当电缆数量很大时，施工量难以承受。2个标准规定的差别在于： GB 50057—2010强调的是等电位连接，而GB 50343—2012强调的是通过接地实现等电位连接。

本文通过实践表明，将电缆屏蔽层两端接地实现电磁屏蔽，在某种情况下会带来意外的事故。现通过屏蔽机理和具体案例阐述如下。

2 信号电缆屏蔽层两端接地时的屏蔽机理

信号电缆屏蔽层两端接地时的屏蔽机理如图1所示。

图1 屏蔽层两端接地时的屏蔽机理示意

控制系统某信号的发送、接收系统如图1所示。若信号电缆带有金属屏蔽层，并采用两端接地，为讨论问题方便起见，设电缆内的信号回路为平行导线，此时电磁屏蔽原理可描述如下：

如在信号电缆的周围存在着1个交变的干扰磁场(如雷击时雷电流产生的脉冲磁场等)，信号电缆屏蔽层在两端接地时，由于屏蔽层与其2个接地端之间通过“地”形成了1个闭合回路，交变的干扰磁场会同时在屏蔽层回路以及电缆内的信号回路分别产生感应电流Is和Ic。Is和Ic源自同一个干扰磁场，故这2个电流是同相的。因为屏蔽层将电缆内的信号回路包裹在内，故Is又会产生1个二次感应磁场并在信号回路内形成二次感应电流Isc,Isc肯定小于Ic，否则就不符合能量守恒。Isc与Ic彼此的相位角相差约180°，因此Isc可以部分地抵消Ic，屏蔽干扰磁场的部分影响。屏蔽效果的好坏取决于Isc的大小能否尽可能大地抵消Ic。

Isc的大小取决于屏蔽层回路内Is的大小。为增大屏蔽层回路内的Is，应减小屏蔽层回路的电阻值，有数据表明： 设屏蔽层单位长度的电阻为RS,RS≤1 Ω/km的屏蔽效果是1≤RS≤5 Ω/km时的2倍。如将屏蔽层回路多点接地，就相当于将屏蔽层的各接地点之间的电阻进行并联，从而减小了屏蔽层回路的总电阻。接地点愈多，接地点之间的距离就愈小，屏蔽层回路的总电阻就愈小，屏蔽效果也就愈好，直至将屏蔽层全部埋地敷设，效果最佳。

3 信号电缆屏蔽层两接地端存在着地电位差时的干扰效应

必须强调： 图1所示的电磁屏蔽机理是基于电缆屏蔽层的两接地端之间的地电位差(即共模电压)为零的前提下，即在正常情况下(周边没有交变的干扰磁场时)，因地电位差为零，不会在信号回路以及屏蔽层回路内产生感应电流Ic和Is。若在运行时，由于某种原因使电缆屏蔽层的两接地端之间存在着地电位差Ug时，便会在屏蔽层与两接地端之间的闭合回路内形成附加的干扰电流Ig。如果Ug与Ig是交变的话，就会在电缆的信号回路内产生感应的干扰电流Ir。Ir小时可使信号产生虚假波动，如虚假信号的波动超限的话，就会导致信号系统报警乃至联锁动作；Ir大时可使信号两端的设备烧毁。屏蔽层两接地端存在地电位差时的干扰如图2所示。

图2 屏蔽层两接地端存在地电位差时的干扰示意

如信号电缆采用屏蔽双绞线，无疑会减小这种干扰效应，减小的程度不仅要视双绞线的绞距大小，更重要的决定因素是Ug的大小。

4 案例分析

4.1 案例一

2015年，某核电站某机组励磁机等设备对地绝缘发生故障，导致磁极对地放电，不仅将绝缘监测仪、充电机运放模块、蓄电池巡检模块等设备烧毁，并在磁极对地的放电过程中，使汽轮机的控制系统和保护系统的部分信号出现大幅度的波动，最终导致机组跳闸。

在励磁机等设备对地绝缘发生故障而导致磁极对地放电时，凡放电电流所流经的地方，其电位均会瞬间升高，电位的升高值与放电电流的大小以及放电电流通路的电阻大小等诸因素有关。图2所示的信号电缆屏蔽层系两端接地，在靠近信号发送侧(变送器)的接地端正好是励磁机等设备对地绝缘发生故障而导致磁极对地放电时，于是放电电流所流经的地方，使信号电缆屏蔽层在靠近变送器侧的接地端的地电位瞬间升高，从而产生前述的干扰效应，使电缆芯线内的信号产生虚假波动，最终引起机组跳闸。

4.2 案例二

另一个核电站的测量烟囱流量的阿牛巴流量计，其差压输出是通过导压管接至2台3051型智能差压变送器，位于烟囱操作台上的该2台变送器所在的标高为53.8 m。烟囱流量测量系统结构如图3所示，用屏蔽层两端接地的IE级屏蔽电缆，将2台3051变送器的4～20 mA信号分别通过信号采集卡与信号分配卡送至4号机组与3号机组。

图3 烟囱流量测量系统结构示意

2012年5月10日傍晚发生雷击事故，烟囱接闪器接闪。由于该核电站将烟囱接闪器的引下线和烟囱的护栏连在同一个接地点上，而IE级信号屏蔽电缆的屏蔽层在差压变送器一侧的接地点是与烟囱的护栏相连的，故在雷电流通过该接地点时，地电位瞬间升高。而信号电缆屏蔽层的另一侧接地点位于室内的机柜侧，因该点离烟囱距离较远，故在雷击时该地电位可近似为零。于是烟囱在雷击接闪时，在屏蔽层两接地端之间形成了较大的地电位差，故在屏蔽层回路里产生了1股很大的干扰电流，该干扰电流又会在信号回路内产生1股很大的感应电流，该感应电流大到足以使信号采集卡烧毁，并产生相关报警。

5 结束语

两个实例说明，设计者生搬某些规范标准中有关屏蔽层两端接地的规定，没有考虑到规定的前提条件是两接地端之间的地电位差应接近于零，故在屏蔽层两接地端之间一旦形成了极大的地电位差时，会带来严重的后果。